对于主串的每一个字符作为字串的开头,与要匹配的字符串进行匹配。对主串做大循环,每个字符开头做需匹配长度的小循环,直到匹配成功或者全部遍历完成为止
def Index(S, T)
"""
:type S: str
:type T: str
"""
# 直到遍历主串完成或者需匹配字符串全部匹配成功
j = 0
i = 0
while 1:
if i == len(S):
# 如果S字符串遍历完,则退出
break
if S[i] == T[j]:
# 如果当前字符相同,则比较下一个字符
i += 1
j += 1
else:
# 如果当前字符不同,则主串进行回溯,跳转到当前匹配的开头的下一位
i = i - j + 1
j = 0
if j == len(T)
# 如果完全匹配T字符串,则跳出循环
break
if j == len(T):
return i - j + 1
else:
return -1
if __name__ == '__main__':
mark = Index('sfsdsingabcd','sing')
print(mark)
你们可以忍受朴素模式匹配算法的低效么?也许不可以,也许无所谓。但是浪费是可耻的。
有三位前辈D.E.Knuth,J.H.Morris和V.R.Prat发表了一个模式匹配算法,可以大大避免重复遍历的情况,我们把它称之为
克努特-莫里斯-普拉特算法,简称KMP算法
KMP算法的核心,是一个被称为部分匹配表(Partial Match Table)的数组。我觉得理解KMP的最大障碍就是很多人在看了很多关于KMP的文章之后,仍然搞不懂PMT中的值代表了什么意思。这里我们抛开所有的枝枝蔓蔓,先来解释一下这个数据到底是什么。
对于字符串“abababca”,它的PMT如下表所示:
就像例子中所示的,如果待匹配的模式字符串有8个字符,那么PMT就会有8个值
我先解释一下字符串的前缀和后缀。如果字符串A和B,存在A=BS,其中S是任意的非空字符串,那就称B为A的前缀。
例如,”Harry”的前缀包括{”H”, ”Ha”, ”Har”, ”Harr”},我们把所有前缀组成的集合,称为字符串的前缀集合。同样可以定义后缀A=SB, 其中S是任意的非空字符串,那就称B为A的后缀,例如,”Potter”的后缀包括{”otter”, ”tter”, ”ter”, ”er”, ”r”},然后把所有后缀组成的集合,称为字符串的后缀集合。要注意的是,字符串本身并不是自己的后缀。
有了这个定义,就可以说明PMT中的值的意义了。PMT中的值是字符串的前缀集合与后缀集合的交集中最长元素的长度。例如,对于”aba”,它的前缀集合为{”a”, ”ab”},后缀 集合为{”ba”, ”a”}。两个集合的交集为{”a”},那么长度最长的元素就是字符串”a”了,长 度为1,所以对于”aba”而言,它在PMT表中对应的值就是1。再比如,对于字符串”ababa”,它的前缀集合为{”a”, ”ab”, ”aba”, ”abab”},它的后缀集合为{”baba”, ”aba”, ”ba”, ”a”}, 两个集合的交集为{”a”, ”aba”},其中最长的元素为”aba”,长度为3。
好了,解释清楚这个表是什么之后,我们再来看如何使用这个表来加速字符串的查找,以及这样用的道理是什么。如图 1.12 所示,要在主字符串"ababababca"中查找模式字符串"abababca"。如果在 j 处字符不匹配,那么由于前边所说的模式字符串 PMT 的性质,主字符串中 i 指针之前的 PMT[j −1] 位就一定与模式字符串的第 0 位至第 PMT[j−1] 位是相同的。这是因为主字符串在 i 位失配,也就意味着主字符串从 i−j 到 i 这一段是与模式字符串的 0 到 j 这一段是完全相同的。而我们上面也解释了,模式字符串从 0 到 j−1 ,在这个例子中就是”ababab”,其前缀集合与后缀集合的交集的最长元素为”abab”, 长度为4。所以就可以断言,主字符串中i指针之前的 4 位一定与模式字符串的第0位至第 4 位是相同的,即长度为 4 的后缀与前缀相同。这样一来,我们就可以将这些字符段的比较省略掉。具体的做法是,保持i指针不动,然后将j指针指向模式字符串的PMT[j −1]位即可。
简而言之,以图中的例子来说,在 i 处失配,那么主字符串和模式字符串的前边6位就是相同的。又因为模式字符串的前6位,它的前4位前缀和后4位后缀是相同的,所以我们推知主字符串i之前的4位和模式字符串开头的4位是相同的。就是图中的灰色部分。那这部分就不用再比较了。
有了上面的思路,我们就可以使用PMT加速字符串的查找了。我们看到如果是在 j 位 失配,那么影响 j 指针回溯的位置的其实是第 j −1 位的 PMT 值,所以为了编程的方便, 我们不直接使用PMT数组,而是将PMT数组向后偏移一位。我们把新得到的这个数组称为next数组。下面给出根据next数组进行字符串匹配加速的字符串匹配程序。其中要注意的一个技巧是,在把PMT进行向右偏移时,第0位的值,我们将其设成了-1,这只是为了编程的方便,并没有其他的意义。在本节的例子中,next数组如下表所示
具体的程序如下所示:
def Index_KMP(S, T):
i = 0
j = 0
next_list = get_next(T)
while i < len(S) and j < len(T):
if j == -1 or S[i] == T[j]:
i += 1
j += 1
else:
j = next_list[j]
if j == len(T):
return i - j
else:
return -1
好了,讲到这里,其实KMP算法的主体就已经讲解完了。你会发现,其实KMP算法的动机是很简单的,解决的方案也很简单。远没有很多教材和算法书里所讲的那么乱七八糟,只要搞明白了PMT的意义,其实整个算法都迎刃而解。现在,我们再看一下如何编程快速求得next数组。其实,求next数组的过程完全可以看成字符串匹配的过程,即以模式字符串为主字符串,以模式字符串的前缀为目标字符串,一旦字符串匹配成功,那么当前的next值就是匹配成功的字符串的长度。具体来说,就是从模式字符串的第一位(注意,不包括第0位)开始对自身进行匹配运算。 在任一位置,能匹配的最长长度就是当前位置的next值。如下图所示
在这里插入图片描述
求next数组值的程序如下所示:
def get_next(p):
"""
:param p: 目标字符串
:return next_list: 数组
"""
next_list = [-1] * len(p)
i = 0
j = -1
while i < len(p)-1:
if (j == -1 or p[i] == p[j]):
i += 1
j += 1
next_list[i] = j
else:
j = next_list[j]
return next_list
所有代码:
def Index(S, T):
"""
:type S: str
:type T: str
"""
# 直到遍历主串完成或者需匹配字符串全部匹配成功
j = 0
i = 0
while 1:
if i == len(S):
# 如果S字符串遍历完,则退出
break
if S[i] == T[j]:
# 如果当前字符相同,则比较下一个字符
i += 1
j += 1
else:
# 如果当前字符不同,则主串进行回溯,跳转到当前匹配的开头的下一位
i = i - j + 1
j = 0
if j == len(T):
# 如果完全匹配T字符串,则跳出循环
break
if j == len(T):
return i - j + 1
else:
return -1
def get_next(p):
"""
:param p: 目标字符串
:return next_list: 数组
"""
next_list = [-1] * len(p)
i = 0
j = -1
while i < len(p)-1:
if (j == -1 or p[i] == p[j]):
i += 1
j += 1
next_list[i] = j
else:
j = next_list[j]
return next_list
def Index_KMP(S, T):
i = 0
j = 0
next_list = get_next(T)
while i < len(S) and j < len(T):
if j == -1 or S[i] == T[j]:
i += 1
j += 1
else:
j = next_list[j]
if j == len(T):
return i - j
else:
return -1
if __name__ == '__main__':
# mark = Index('sfsdsingabcd','sing')
# print(mark)
mark = Index_KMP('sfsdsingabcdsingsadbas', 'sing')
print(mark)
原作者:海纳
元文章链接:https://www.zhihu.com/question/21923021/answer/281346746
我们发现KMP算法还是有缺陷的。比如,如果我们的主串S=“aaaabcde”,子串T=“aaaaax”,其next数组值分别为-101234,在开始时,当i=4,j=4时,我们发现’b’与’a’不相等,如图所示,因此j=next[4]=3,如图中的2,此时’b’与第4位置的’a’依然不等,j=next[4]=2,如图中的3,后一次时4,5,直到j=next[0]=-1时,根据算法,此时i+=1,j+=1,得到,i=5,j=0,如图中的6.
我们发现,当中的2,3,4,5步骤,其实是多余的判断。由于T串的第二,三,四,五位置的字符都与首位的’a’都相等,那么可以用首位next[1]的值去取代与它相等的字符串后续next[j]的值,这是个很好的办法。因此我们对求next函数进行了改良。
假设取代的数组为nextval
def get_nextval(p):
"""
:param p: 目标字符串
:return nextval: 数组
"""
next_list = [-1] * len(p)
i = 0
j = -1
while i < len(p)-1:
if (j == -1 or p[i] == p[j]): # p[i]表示后缀的单个字符,p[j]表示前缀的单个字符
i += 1
j += 1
if (p[i] != p[j]): # 若当前字符与前缀字符不同
next_list[i] = j # 则当前的j为nextval在i位置的值
else:
next_list[i] = next_list[j] # 如果与前缀字符相同,则将前缀字符的nextval值赋值给nextval在i的值
else:
j = next_list[j]
return next_list