使用Trie数据结构实现搜索自动完成功能

本文旨在讨论使用 Java 的搜索自动完成的低级实现，将Trie在用例中使用数据结构。

这是一个示例TrieNode类：

class TrieNode{
Map children;
boolean isEndOfWord;

    TrieNode(){
children = new HashMap<>();
isEndOfWord = false;
}
}

请注意，我们在这里使用 Map 来存储 Trie 中特定层级的所有字符。
如果问题是按字母顺序返回结果，那么我们别无选择，只能使用 TreeMap，能确保顺序，但会在插入和搜索时耗费时间，因为 TreeMap 查找/插入将耗费 log(n) 时间。

在本文中，我们假设可以按任意顺序返回结果，以使事情变得简单。

另外，假设我们有来自后台的缓存响应。我们可以将其作为自动完成任务的单词来源。让这个输入是单词，假设我们正在搜索一个单词 searchWord 。因此，方法定义可归结为以下内容：

public List suggestedWords(String[] words,
String searchWord) {
for (String word: words) {
insert(word); // insert to Trie }
return search(searchWord); // search in Trie and return results
}

方法 insert(String word) 可以在 Trie 中插入单词。
以下是该方法的示例实现。
请注意，我们需要将最后一个 TrieNode 的 isEndOfWord 标志设置为 true，表示单词的最后一个字符。

private void insert(String word) {
int len = word.length();
TrieNode current = this.root; // member variable pointing to the root of TrieNode for (int i = 0; i < len; i++) {
TrieNode node = current.children.get(word.charAt(i));
if (node == null) {
node = new TrieNode();
current.children.put(word.charAt(i), node);
}
current = node;
}
current.isEndOfWord = true;
}

Trie 可以预先填充，也可以在应用服务器中设置。

因此，实时查询只需直接调用 search(searchWord)。在插入一堆单词后，它看起来就像下面这样（例如：apple, ape, god, good）：

现在到了主要部分，即搜索自动完成。
首先，我们需要实现前缀搜索。
我们应该能够在 Trie 中搜索前缀。如果找到匹配，我们就需要搜索该特定 TrieNode 中的完整单词。实时应用将返回 k 个结果，而不是所有单词。
为了实现实时性能，返回 k 个单词是合理的。以下是前缀搜索的实现：

private TrieNode startsWith(String prefix) {
int len = prefix.length();
TrieNode current = this.root;

  for (int i = 0; i < len; i++) {
TrieNode node = current.children.get(prefix.charAt(i));
if (node == null) {
return null;
}
current = node;
}
return current;
}

如果在 Trie 中没有找到前缀，我们将返回 null，否则我们将返回 TrieNode 作为主要搜索的起点。在最坏的情况下，前缀搜索只需要 O(n) 时间。下面，让我用迄今为止定义的所有方法重写搜索函数：

private List search(String searchWord) {
List result = new ArrayList <> ();
TrieNode current = this.root;
int len = searchWord.length();

  current = startsWith(searchWord);
if (current != null) {
List list = new ArrayList <> ();
StringBuilder sb = new StringBuilder(searchWord);
// backtrack(list, current, sb, k); yet to implement. result.addAll(list);
}
return result;
}

请注意，searchWord 可能是一个完整的词，也可能不是。但这并不重要，我们会返回 searchWord 的所有完整单词。我已经对上述代码进行了注释，这些代码还有待讨论/实现。我们可以使用回溯法从前缀 TrieNode 开始遍历所有后续 TrieNode，直到找到一个完整的单词。请参考下面的实现：

private void backtrack(List list,
TrieNode current,
StringBuilder sb,
int k) {
if (list.size() == k) {
return;
}
if (current.isEndOfWord) {
list.add(sb.toString());
}
for (Map.Entry entry: current.children.entrySet()) {
sb.append(entry.getKey());
backtrack(list, entry.getValue(), sb);
sb.setLength(sb.length() - 1);
}
}

当最多收集到 k 个单词时，我们就停止回溯 Trie。最重要的是，我们会借助 isEndOfWord 标志来收集单词。StringBuilder 的使用在此不言自明。一旦完成回溯，结果将包含所有完整的单词。现在，如果我们需要返回短语列表而不是单词列表，也可以采用同样的解决方案。这里的单词是短语的同义词，所以并不重要。

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