扩展KMP算法

刘雅琼PPT讲解链接： http://www.doc88.com/p-216945446450.html

扩展KMP：给出模板串A和子串B，长度分别为lenA和lenB，要求在线性时间内，对于每个A[i]（0<=i<lenA)，求出A[i..lenA-1]与B的最长公共前缀长度，记为ex[i]（或者说，ex[i]为满足A[i..i+z-1]==B[0..z-1]的最大的z值）。扩展KMP可以用来解决很多字符串问题，如求一个字符串的最长回文子串和最长重复子串。
【算法】
设next[i]为满足B[i..i+z-1]==B[0..z-1]的最大的z值（也就是B的自身匹配）。设目前next[0..lenB-1]与ex[0..i-1]均已求出，要用它们来求ex[i]的值。
设p为目前A串中匹配到的最远位置，k为让其匹配到最远位置的值（或者说，k是在0<=i0<i的所有i0值中，使i0+ex[i0]-1的值最大的一个，p为这个最大值，即k+ex[k]-1），显然，p之后的所有位都是未知的，也就是目前还无法知道A[p+1..lenA-1]中的任何一位和B的任何一位是否相等。
根据ex的定义可得，A[k..p]==B[0..p-k]，因为i>k，所以又有A[i..p]==B[i-k..p-k]，设L=next[i-k]，则根据next的定义有B[0..L-1]==B[i-k..i-k+L-1]。考虑i-k+L-1与p-k的关系：
（1）i-k+L-1<p-k，即i+L<=p。这时，由A[i..p]==B[i-k..p-k]可以得到A[i..i+L-1]==B[i-k..i-k+L-1]，又因为B[0..L-1]==B[i-k..i-k+L-1]所以A[i..i+L-1]==B[0..L-1]，这就说明ex[i]>=L。又由于next的定义可得，A[i+L]必然不等于B[L]（否则A[i..i+L]==B[0..L]，因为i+L<=p，所以A[i..i+L]==B[i-k..i-k+L]，这样B[0..L]==B[i-k..i-k+L]，故next[i-k]的值应为L+1或更大），这样， 可以直接得到ex[i]=L！
（2）i+k-L+1>=p-k，即i+L>p。这时，首先可以知道A[i..p]和B[0..p-i]是相等的（因为A[i..p]==B[i-k..p-k]，而i+k-L+1>=p-k，由B[0..L-1]==B[i-k..i-k+L-1]可得B[0..p-i]==B[i-k..p-k]，即A[i..p]==B[0..p-i]），然后，对于A[p+1]和B[p-i+1]是否相等，目前是不知道的（因为前面已经说过，p是目前A串中匹配到的最远位置，在p之后无法知道任何一位的匹配信息），因此，要从A[p+1]与B[p-i+1]开始往后继续匹配（设j为目前B的匹配位置的下标，一开始j=p-i+1，每次比较A[i+j]与B[j]是否相等，直到不相等或者越界为止，此时的j值就是ex[i]的值）。在这种情况下，p的值必然会得到延伸，因此更新k和p的值。
边界：ex[0]的值需要预先求出，然后将初始的k设为0，p设为ex[0]-1。
对于求next数组，也是“自身匹配”，类似KMP的方法处理即可。唯一的不同点也在边界上：可以直接知道next[0]=lenB，next[1]的值预先求出，然后初始k=1，p=ex[1]。

需要严重注意的是，在上述的情况（2）中，本该从A[p+1]与B[p-i+1]开始匹配，但是，若p+1<i，也就是p-i+1<0（这种情况是有可能发生的，当ex[i-1]=0，且前面的ex值都没有延伸到i及以后的时候）的话，需要将A、B的下标都加1（因为此时p必然等于i-2，如果A、B的下标用两个变量x、y控制的话，x和y都要加1）！！

【核心代码】

    lenA = strlen(A); lenB = strlen(B);

    next[0] = lenB; next[1] = lenB - 1;

    re(i, lenB-1) if (B[i] != B[i + 1]) {next[1] = i; break;}

    int j, k = 1, p, L;

    re2(i, 2, lenB) {

        p = k + next[k] - 1; L = next[i - k];

        if (i + L <= p) next[i] = L; else {

        j = p - i + 1;

        if (j < 0) j = 0;

        while (i + j < lenB && B[i + j] == B[j]) j++;

        next[i] = j; k = i;

        }

    }

    int minlen = lenA <= lenB ? lenA : lenB; ex[0] = minlen;

    re(i, minlen) if (A[i] != B[i]) {ex[0] = i; break;}

    k = 0;

    re2(i, 1, lenA) {

        p = k + ex[k] - 1; L = next[i - k];

        if (i + L <= p) ex[i] = L; else {

            j = p - i + 1;

            if (j < 0) j = 0;

            while (i + j < lenA && j < lenB && A[i + j] == B[j]) j++;

            ex[i] = j; k = i;

        }

    }

【时间复杂度分析】
在KMP和扩展KMP中，不管是A串还是B串，其匹配位置都是单调递增的，故总时间复杂度是线性的，都为O(lenA + lenB)（只是扩展KMP比KMP的常数更大一些）。
【应用】
KMP和扩展KMP在解决字符串问题中有大用。很多看上去很猥琐的字符串问题，都可以归结到这两种算法之中。另外，这里的“字符串”可以延伸为一切类型的数组，而不仅仅是字符数组。

C/C++ 模板

#include<iostream>

using namespace std;

const int N = 101010;

int next[N],extand[N];

void getnext(char *T){// next[i]: 以第i位置开始的子串 与 T的公共前缀 

     int i,length = strlen(T);

     next[0] = length;

     for(i = 0;i<length-1 && T[i]==T[i+1]; i++);

          next[1] = i;

          int a = 1;

          for(int k = 2; k < length; k++){

                  int p = a+next[a]-1, L = next[k-a];

                  if( (k-1)+L >= p ){

                       int j = (p-k+1)>0? (p-k+1) : 0; 

                       while(k+j<length && T[k+j]==T[j]) j++;// 枚举(p+1，length) 与(p-k+1,length) 区间比较 

                       next[k] = j, a = k;

                  } 

                  else next[k] = L;

         } 

}

void getextand(char *S,char *T){

   memset(next,0,sizeof(next)); 

         getnext(T); 

         int Slen = strlen(S), Tlen = strlen(T), a = 0;

         int MinLen = Slen>Tlen?Tlen:Slen;

         while(a<MinLen && S[a]==T[a]) a++;

         extand[0] = a, a = 0;

         for(int k = 1; k < Slen; k++){

              int p = a+extand[a]-1, L = next[k-a];  

              if( (k-1)+L >= p ){

                   int j = (p-k+1)>0? (p-k+1) : 0; 

                   while(k+j<Slen && j<Tlen && S[k+j]==T[j] ) j++; 

                   extand[k] = j;a = k; 

              } 

              else extand[k] = L;         

         }

}



int main(){

             char s[N],t[N];

             while(~scanf("%s %s",s,t)){

                      getextand(s,t); 

                      for(int i = 0; i < strlen(t); i++)

                               printf("%d ",next[i]);

                      puts(""); 

                      for(int i = 0; i < strlen(s); i++)

                               printf("%d ",extand[i]);

                      puts("");

             } 

}

/*

aaaabaaa aaaa

*/