0. 前言
一个字符串"BBCABCDABABCDABCDABDE"中是否包含另一个字符串"ABCDABD"? KMP就是最常用的字符串匹配算法之一。KMP有着优秀的时间复杂度O(m+n),网上有很多KMP算法的解释,但读起来都很费劲。直到读到Jake Boxer的文章,我才真正理解这种算法。下面我用自己的语言,试图写一篇比较好懂的KMP算法解释。
1. 算法过程解释
首先,字符串"BBCABCDAB ABCDABCDABDE"的第一个字符与搜索词"ABCDABD"的第一个字符,进行比较。因为B与A不匹配,所以搜索词后移一位,直到字符串有一个字符,与搜索词的第一个字符相同为止。
接着比较字符串和搜索词的下一个字符,还是相同。
直到字符串有一个字符,与搜索词对应的字符不相同为止。
这时,最自然的反应是,将搜索词整体后移一位,即从上图B处再从头逐个比较。这样做虽然可行,但是效率很差,因为你要把搜索的初始位置移到已经比较过的位置,重比一遍。
一个基本事实是,当空格与D不匹配时,你其实知道前面六个字符是"ABCDAB"。KMP算法的想法是,此时不只移动一位,移动数是已经比较的字符数 - 最后一个匹配字符所对应的部分匹配值,这个部分匹配值实质上就是字符串头部和尾部重复部分的最大长度。因此就有了部分匹配值数组:
已知空格与D不匹配时,前面六个字符"ABCDAB"是匹配的。查表可知,最后一个匹配字符B对应的"部分匹配值"为2,因此向后移动的位数为已匹配的字符数减去对应的部分匹配值,即6-2=4。
因为空格与C不匹配,搜索词还要继续往后移。这时已匹配的字符数为2("AB"),最后一个匹配字符B对应的"部分匹配值"为0。所以,移动位数为 2,于是将搜索词向后移2位。
因为空格与A不匹配,继续后移一位。
逐位比较,直到发现C与D不匹配。于是,移动位数为 6 - 2,继续将搜索词向后移动4位。
逐位比较,直到搜索词的最后一位,发现完全匹配,于是搜索完成。如果需要找出全部的匹配,移动位数为7 - 0,再将搜索词向后移动7位,剩下的操作就重复了。
2. 部分匹配值数组的生成
首先,要了解两个概念:前缀和后缀。
"前缀"指除了最后一个字符以外,一个字符串的全部头部组合;
"后缀"指除了第一个字符以外,一个字符串的全部尾部组合。
"部分匹配值"就是"前缀"和"后缀"的最长的共有元素的长度。以"ABCDABD"为例:
//"A"的前缀和后缀都为空集,共有元素的长度为0;
//"AB"的前缀为[A],后缀为[B],共有元素的长度为0;
//"ABC"的前缀为[A, AB],后缀为[BC, C],共有元素的长度0;
//"ABCD"的前缀为[A, AB, ABC],后缀为[BCD, CD, D],共有元素的长度为0;
//"ABCDA"的前缀为[A, AB, ABC, ABCD],后缀为[BCDA, CDA, DA, A],共有元素为"A",长度为1;
//"ABCDAB"的前缀为[A, AB, ABC, ABCD, ABCDA],后缀为[BCDAB, CDAB, DAB, AB, B],共有元素为"AB",长度为2;
//"ABCDABD"的前缀为[A, AB, ABC, ABCD, ABCDA, ABCDAB],后缀为[BCDABD, CDABD, DABD, ABD, BD, D],共有元素的长度为0。