字符串匹配

KMP算法

因为是由这三位学者发明的:Knuth,Morris和Pratt,所以取了三位学者名字的首字母。所以叫做KMP
写过KMP,一定都写过next数组,next数组就是一个前缀表,前缀表是用来回退的,它记录了模式串与主串(文本串)不匹配的时候,模式串应该从哪里开始重新匹配。
例子:文本串:aabaabaafa 中查找是否出现过一个模式串:aabaaf
字符串匹配_第1张图片

可以看出,文本串中第六个字符b和模式串的第六个字符f,不匹配了。如果暴力匹配,会发现不匹配,此时就要从头匹配了。
但如果使用前缀表,就不会从头匹配,而是从上次已经匹配的内容开始匹配,找到了模式串中第三个字符b继续开始匹配。因此前缀表的任务是当前位置匹配失败,找到之前已经匹配上的位置,再重新匹配,也意味着在某个字符失配时,前缀表会告诉你下一步匹配中,模式串应该跳到哪个位置。
前缀表:记录下标i之前(包括i)的字符串中,有多大长度的相同前缀后缀。
字符串匹配_第2张图片
下标5之前这部分的字符串(也就是字符串aabaa)的最长相等的前缀和后缀字符串是子字符串aa ,因为找到了最长相等的前缀和后缀,匹配失败的位置是后缀子串的后面,那么我们找到与其相同的前缀的后面从新匹配就可以了。
所以前缀表具有告诉我们当前位置匹配失败,跳到之前已经匹配过的地方的能力。

计算前缀表

前缀是指不包含最后一个字符的所有以第一个字符开头的连续子串;
后缀是指不包含第一个字符的所有以最后一个字符结尾的连续子串。

长度为前1个字符的子串a,最长相同前后缀的长度为0
长度为前2个字符的子串aa,最长相同前后缀的长度为1
长度为前3个字符的子串aab,最长相同前后缀的长度为0
长度为前4个字符的子串aaba,最长相同前后缀的长度为1
长度为前5个字符的子串aabaa,最长相同前后缀的长度为2
长度为前6个字符的子串aabaaf,最长相同前后缀的长度为0

把求得的最长相同前后缀的长度就是对应前缀表的元素,如图:
字符串匹配_第3张图片
模式串与前缀表对应位置的数字表示的就是:下标i之前(包括i)的字符串中,有多大长度的相同前缀后缀


找到的不匹配的位置, 那么此时我们要看它的前一个字符的前缀表的数值是多少。
为什么要前一个字符的前缀表的数值呢,因为要找前面字符串的最长相同的前缀和后缀。所以要看前一位的 前缀表的数值。
前一个字符的前缀表的数值是2, 所有把下标移动到下标2的位置继续比配。
最后就在文本串中找到了和模式串匹配的子串了。

前缀表与next数组

很多KMP算法的时间都是使用next数组来做回退操作,那么next数组与前缀表有什么关系呢?
next数组就可以是前缀表,但是很多实现都是把前缀表统一减一(右移一位,初始位置为-1)之后作为next数组。
其实这并不涉及到KMP的原理,而是具体实现,next数组即可以就是前缀表,也可以是前缀表统一减一(右移一位,初始位置为-1)。
有了next数组,就可以根据next数组来 匹配文本串s,和模式串t了。
注意next数组是新前缀表(旧前缀表统一减一了)。

时间复杂度分析

其中n为文本串长度,m为模式串长度,因为在匹配的过程中,根据前缀表不断调整匹配的位置,可以看出匹配的过程是O(n),之前还要单独生成next数组,时间复杂度是O(m)。所以整个KMP算法的时间复杂度是O(n+m)的。
暴力的解法显而易见是O(n * m),所以KMP在字符串匹配中极大的提高的搜索的效率。
以下文章统称haystack为文本串, needle为模式串。

构造next数组

构造next数组其实就是计算模式串s,前缀表的过程。 主要有如下三步:
1.初始化
2.处理前后缀不相同的情况
3.处理前后缀相同的情况

  • 初始化
    定义两个指针i和j,j指向前缀终止位置(严格来说是终止位置减一的位置),i指向后缀终止位置(与j同理)。
    然后还要对next数组进行初始化赋值,如下:
int j = -1;
next[0] = j;

j 为什么要初始化为 -1呢,因为之前说过 前缀表要统一减一的操作仅仅是其中的一种实现。
next[i] 表示 i(包括i)之前最长相等的前后缀长度(其实就是j),所以初始化next[0] = j 。

  • 处理前后缀不相同的情况
    因为j初始化为-1,那么i就从1开始,进行s[i] 与 s[j+1]的比较。
    所以遍历模式串s的循环下标i 要从1开始。
    如果 s[i] 与 s[j+1]不相同,也就是遇到 前后缀末尾不相同的情况,就要向前回溯。
    怎么回溯呢?
    next[j]就是记录着j(包括j)之前的子串的相同前后缀的长度。
    那么 s[i] 与 s[j+1] 不相同,就要找 j+1前一个元素在next数组里的值(就是next[j])。
while (j >= 0 && s[i] != s[j + 1]) { // 前后缀不相同了
    j = next[j]; // 向前回溯
}
  • 处理前后缀相同的情况
    如果s[i] 与 s[j + 1] 相同,那么就同时向后移动i 和j 说明找到了相同的前后缀,同时还要将j(前缀的长度)赋给next[i], 因为next[i]要记录相同前后缀的长度。
if (s[i] == s[j + 1]) { // 找到相同的前后缀
    j++;
}
next[i] = j;

整体构建next数组的函数代码如下:

void getNext(int* next, const string& s){
    int j = -1;
    next[0] = j;
    for(int i = 1; i < s.size(); i++) { // 注意i从1开始
        while (j >= 0 && s[i] != s[j + 1]) { // 前后缀不相同了
            j = next[j]; // 向前回溯
        }
        if (s[i] == s[j + 1]) { // 找到相同的前后缀
            j++;
        }
        next[i] = j; // 将j(前缀的长度)赋给next[i]
    }
}

构造next数组的逻辑流程动画如下:

使用next数组来做匹配

在文本串s里 找是否出现过模式串t。
定义两个下标,i指向文本串其实位置,j 指向模式串起始位置。
那么j初始值依然为-1,为什么呢? 依然因为next数组里记录的起始位置为-1。
接下来就是 s[i] 与 t[j + 1] (因为j从-1开始的) 经行比较。如果 s[i] 与 t[j + 1] 不相同,j就要从next数组里寻找下一个匹配的位置。

while(j >= 0 && s[i] != t[j + 1]) {
    j = next[j];
}

如果 s[i] 与 t[j + 1] 相同,那么i 和 j 同时向后移动

if (s[i] == t[j + 1]) {
    j++; // i的增加在for循环里
}

如何判断在文本串s里出现了模式串t呢,如果j指向了模式串t的末尾,那么就说明模式串t完全匹配文本串s里的某个子串了。
那么使用next数组,用模式串匹配文本串的整体代码如下:

int j = -1; // 因为next数组里记录的起始位置为-1
for (int i = 0; i < s.size(); i++) { // 注意i就从0开始
    while(j >= 0 && s[i] != t[j + 1]) { // 不匹配
        j = next[j]; // j 寻找之前匹配的位置
    }
    if (s[i] == t[j + 1]) { // 匹配,j和i同时向后移动
        j++; // i的增加在for循环里
    }
    if (j == (t.size() - 1) ) { // 文本串s里出现了模式串t
        return (i - t.size() + 1);
    }
}

python代码:

  • 前缀表-1构建next数组
// 方法一
class Solution:
    def strStr(self, haystack: str, needle: str) -> int:
        a=len(needle)
        b=len(haystack)
        if a==0:
            return 0
        next=self.getnext(a,needle)
        p=-1
        for j in range(b):
            while p>=0 and needle[p+1]!=haystack[j]:
                p=next[p]
            if needle[p+1]==haystack[j]:
                p+=1
            if p==a-1:
                return j-a+1
        return -1

    def getnext(self,a,needle):
        next=['' for i in range(a)]
        k=-1
        next[0]=k
        for i in range(1,len(needle)):
            while (k>-1 and needle[k+1]!=needle[i]):
                k=next[k]
            if needle[k+1]==needle[i]:
                k+=1
            next[i]=k
        return next
  • 前缀表做next数组
// 方法二
class Solution:
    def strStr(self, haystack: str, needle: str) -> int:
        a=len(needle)
        b=len(haystack)
        if a==0:
            return 0
        i=j=0
        next=self.getnext(a,needle)
        while(i<b and j<a):
            if j==-1 or needle[j]==haystack[i]:
                i+=1
                j+=1
            else:
                j=next[j]
        if j==a:
            return i-j
        else:
            return -1

    def getnext(self,a,needle):
        next=['' for i in range(a)]
        j,k=0,-1
        next[0]=k
        while(j<a-1):
            if k==-1 or needle[k]==needle[j]:
                k+=1
                j+=1
                next[j]=k
            else:
                k=next[k]
        return next

更多版本代码
参考文档

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