AC 经典多模式匹配算法

       今天说说多模式匹配AC算法(Aho and Corasick),感谢追风侠帮忙整理资料,while(1) {Juliet.say("3Q");}。前面学习了BMWu-Manber算法,WMBM派生,不过AC与它们无染,是另外一种匹配思路。

 

1. 初识AC算法

Step1: 将由patterns组成的集合(要同时匹配多个patterns嘛)构成一个有限状态自动机。

Step2: 将要匹配的text作为自动机输入,输出含有哪些patternspatterns在全文中位置。

 

 

自动机的执行动作由三个部分组成:

(1)       一个goto function

(2)       一个failure function

(3)       一个output function

 

我们先通过一个具体实例来了解一下这三个部分,及该自动机的运作方式。先有个大概印象,后面会具体讲解。patterns集合{he, she, his ,hers},我们要在”ushers”中查找并匹配。

AC 经典多模式匹配算法_第1张图片 

(1) goto function

 

 

i       1   2   3   4   5   6   7   8   9

f(i)     0   0   0   1   2   0   3   0   3 (发现没?貌似if(i)有相同前缀哦^_^)

(2) failure function

 

 

i           output(i)

2           {he}

5           {she,he}

7           {his}

9           {hers}

(3) output function

 

 

       首先我们从状态0开始,接收匹配字符串的第一个字符u,在goto(简称goto function)中可以看到回到状态0,接着第二个字符s,发现转到状态3,在output中查找一下output(3)为空字符串,说明没有匹配到patterns。继续匹配h,转到状态4,查找output发现仍然没有匹配,继续字符e,状态转到了5,查找output,发现output(5)匹配了两个字符串shehe,并输出在整个字符串中的位置。然后接着匹配r,但发现g(5,r)=fail,这时候我们需要查找failure,发现f(5)=2,所以就转到状态2,并接着匹配r,状态转移到了8,接着匹配s,状态转移到了9,查看output,并输出output(9):hers,记录下匹配位置。至此字符串ushers匹配完毕。

 

具体的匹配算法如下:

算法1. Pattern matching machine

输入:textMtextx=a1a2...anM是模式匹配自动机(包含了goto函数g(),failure函数f()output函数output()

输出:text中出现的pat以及其位置。

 

state0

for i1 until n do //吞入textai

     while g(state, ai)=fail 

         statef(state) //直到能走下去,呵呵,至少0那个状态怎么着都能走下去

     stateg(state,ai) //得到下一个状态

     if output(state)empty //能输出就输出

         print i;

         print output(state)

 

     AC算法的时间复杂度是O(n),与patterns的个数及长度都没有关系。因为Text中的每个字符都必须输入自动机,所以最好最坏情况下都是O(n),加上预处理时间,那就是O(M+n),M是patterns长度总和。

 

2. 构造三表

OK,下面我们看看如何通过patterns集合构造上面的3function

这三个function的构造分两个阶段:

(1)       我们决定状态和构造goto function

(2)       我们计算得出failure function

output function的构造贯穿于这两个阶段中。

 

2.1 goto ouput填表

我们仍然拿实例来一步步构造:patterns集合{he,she,his,hers}

首先我们构造patterns   he

 he构造

然后接着构造she

 AC 经典多模式匹配算法_第2张图片

再构造his,由于在构造his的时候状态0接收h已经能到状态1,所以就不用重新建一个状态了,有点像建trie树的过程,共用一段相同的前缀部分

 AC 经典多模式匹配算法_第3张图片

最后构造hers

 AC 经典多模式匹配算法_第4张图片

具体构造goto function算法如下:

算法2. Construction of the goto function

输入:patterns集合K={y1,y2,...,yk}

输出:goto function g output function output的中间结果

 

/*

We assume output(s) is empty when state s is first created, and g(s,a)=fail if a is

undefined or if g(s,a) has not yet been defined. The procedure enter(y) inserts into

the goto graph a path that spells out y.

*/

 

newstate0

fori 1until k //对每个模式走一下enter(yi),要插到自动机里来嘛

     enter(yi)

for all a such that g(0,a)=fail

     g(0,a)0

 

 

enter(a1a2...am)

{

     state0;j;1

     while g(state,aj)fail //能走下去,就尽量延用以前的老路子,走不下去,就走下面的for()拓展新路子

         stateg(state,aj)

         jj+1

 

     for pj until m //拓展新路子

         newstatenewstate+1

         g(state,ap)newstate

         statenewstate

 

     output(state){a1a2...am} //此处state为每次构造完一个pat时遇到的那个状态

}

 

2.2  Failure output填表

Failure function的构造:(这个比较抽象)

大家注意状态0不在failure function中,下面开始构造,首先对于所有depth1的状态sf(s)=0,然后归纳为所有depthd的状态的failure值都由depth-1的状态得到。

具体讲,在计算depthd的所有状态时候,我们会考虑到每一个depthd-1的状态r

1.       如果对于所有的字符ag(r,a)=fail,那么什么也不做,我认为这时候r已经是trie树的叶子结点了。

2.       否则的话,如果有g(r,a)=s,那么执行下面三步

(a)       设置state=f(r) //state记录跟r共前缀的东东

(b)       执行state=f(state)零次或若干次,直到使得g(state,a)!=fail(这个状态一定会有的因为g(0,a)!=fail//必须找条活路,能走下去的

(c)       设置f(s)=g(state,a),即相当于找到f(s)也是由一个状态匹配a字符转到的状态。

实例分析:

首先我们将depth1的状态f(1)=f(3)=0,然后考虑depth2的结点264

计算f(2)时候,我们设置state=f(1)=0,因为g(0,e)=0,所以f(2)=0;

计算f(6)时候,我们设置state=f(1)=0,因为g(0,i)=0,所以f(6)=0;

计算f(4)时候,我们设置state=f(3)=0,因为g(0,h)=1,所以f(4)=1;

然后考虑depth3的结点875

计算f(8)时候,我们设置state=f(2)=0,因为g(0,r)=0,所以f(8)=0;

计算f(7)时候,我们设置state=f(6)=0,因为g(0,s)=3,所以f(7)=3;

计算f(5)时候,我们设置state=f(4)=1,因为g(1,e)=2,所以f(5)=2;

最后考虑depth4的结点9

计算f(9)时候,我们设置state=f(8)=0,因为g(0,s)=3,所以f(9)=3;

 

具体算法:

算法3. Construction of the failure function

输入:goto function g and output function output from 算法2

输出:failure function f and output function output

 

queueempty

for each a such that g(0,a)=s0//其实这是广搜BFS的过程

     queuequeue{s}

     f(s)0

 

while queueempty

     pop();

     for each a such that g(r,a)=sfail //r是队列头状态,如果r遇到a能走下去

         queuequeue{s} //那就走

         statef(r) //r同前缀的state

         while g(state,a)=fail //其实一定能找着不fail的,因为至少g(0,a)不会fail

              statef(state)

 

         f(s)g(state,a) //OK,这一步相当于找到了s的同前缀状态,即f(s)

 

         output(s)output(s)output(f(s)) //建议走一下例子中g(4,e)=5的例子,然后ouput(5)output(2)={she,he}

 

2.3  output

Output function的构造参见算法23

 

3. 算法优化

改进1观察一下算法3中的failure function还不够优化

 AC 经典多模式匹配算法_第5张图片

 

我们可以看到g(4,e)=5,如果现在状态到了4并且当前的字符为t=e,因为g(4,t)=fail

所以就根据f(4)=1,跳转到状态1,而之前已经知道t=e,所以就没必要跳到1,而直接跳到状态f(1)=0

为了避免不必要的状态迁移,和KMP算法有异曲同工之处。重新定义了一个failure functionf1

 

f1(1)=0

对于i>1,如果能使状态f(i)转移的所有字符也能使i状态转移,那么f1(i)=f1(f(i))

否则f1(i)=f(i)

 

改进2由于goto function中并不是每个状态对应任何一个字符都有状态迁移的,当迁移为fail的时候,我们就要查failure function,然后换个状态迁移。现在我们根据goto functionfailure function来构造一个确定的有限自动机next move function,该自动机的每个状态遇到每个字符都可以进行状态迁移,这样就省略了failure function

 

构造next move function的算法如下:

算法4Construction of a deterministic finite automaton

输入:goto functioni g and failure function f

输出:next move function delta

 

queueempty

for each symbol a

     delta(0,a)g(0,a)

     if g(0,a)0

         queuequeueg(0,a)

 

while queueempty

     pop()

     for each symbol a

         if g(r,a)=sfail

              queuequeue{s}

              delta(r,a)s

else delta(r,a)delta(f(r),a)

 

Next function delta的计算如下:

 AC 经典多模式匹配算法_第6张图片

其中’.’表示除了该状态能识别字符的其他字符。

 

改进2有利有弊:好处是能减少状态转移的次数;坏处是由于状态与状态之间的迁移多了,导致存储的空间比较大。

你可能感兴趣的:(Algorithms,Web)