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来源1:http://www.programfan.com/blog/article.asp?id=15762
模式匹配的KMP算法详解
这种由D.E.Knuth,J.H.Morris和V.R.Pratt同时发现的改进的模式匹配算法简称为KMP算法。大概学过信息学的都知道,是个比较难理解的算法,今天特把它搞个彻彻底底明明白白。
注意到这是一个改进的算法,所以有必要把原来的模式匹配算法拿出来,其实理解的关键就在这里,一般的匹配算法:
int Index(String S,String T,int pos)//参考《数据结构》中的程序 { i=pos;j=1;//这里的串的第1个元素下标是1 while(i<=S.Length && j<=T.Length) { if(S[i]==T[j]){++i;++j;} else{i=i-j+2;j=1;}//**************(1) } if(j>T.Length) return i-T.Length;//匹配成功 else return 0; }
匹配的过程非常清晰,关键是当‘失配’的时候程序是如何处理的?回溯,没错,注意到(1)句,为什么要回溯,看下面的例子:
S:aaaaabababcaaa T:ababc
aaaaabababcaaa
ababc.(.表示前一个已经失配)
回溯的结果就是
aaaaabababcaaa
a.(babc)
如果不回溯就是
aaaaabababcaaa
aba.bc
这样就漏了一个可能匹配成功的情况
aaaaabababcaaa
ababc
为什么会发生这样的情况?这是由T串本身的性质决定的,是因为T串本身有前后'部分匹配'的性质。如果T为abcdef这样的,大没有回溯的必要。
改进的地方也就是这里,我们从T串本身出发,事先就找准了T自身前后部分匹配的位置,那就可以改进算法。
如果不用回溯,那T串下一个位置从哪里开始呢?
还是上面那个例子,T为ababc,如果c失配,那就可以往前移到aba最后一个a的位置,像这样:
...ababd...
ababc
->ababc
这样i不用回溯,j跳到前2个位置,继续匹配的过程,这就是KMP算法所在。这个当T[j]失配后,j应该往前跳的值就是j的next值,它是由T串本身固有决定的,与S串无关。
《数据结构》上给了next值的定义:
next[j]=0如果j=1
next[j]={Max{k|1<k<j且'p1...pk-1'='pj-k+1...pj-1'
next[j]=1 其它情况
我当初看到这个头就晕了,其实它就是描述的我前面表述的情况,关于next[1]=0是规定的,这样规定可以使程序简单一些,如果非要定为其它的值只要不和后面的值冲突也是可以的;而那个Max是什么意思,举个例子:
T:aaab
...aaaab...
aaab
->aaab
->aaab
->aaab
像这样的T,前面自身部分匹配的部分不止两个,那应该往前跳到第几个呢?最近的一个,也就是说尽可能的向右滑移最短的长度。
OK,了解到这里,就看清了KMP的大部分内容,然后关键的问题是如何求next值?先不管它,先看如何用它来进行匹配操作,也就是说先假设已经有了next值。
将最前面的程序改写成:
int Index_KMP(String S,String T,int pos) { i=pos;j=1;//这里的串的第1个元素下标是1 while(i<=S.Length && j<=T.Length) { if(j==0 || S[i]==T[j]){++i;++j;} //注意到这里的j==0,和++j的作用就知道为什么规定next[1]=0的好处了 else j=next[j];//i不变(不回溯),j跳动 } if(j>T.Length) return i-T.Length;//匹配成功 else return 0; }
OK,是不是非常简单?还有更简单的,求next值,这也是整个算法成功的关键,从next值的定义来求太恐怖了,怎么求?前面说过了,next值表达的就是T串的自身部分匹配的性质,那么,我只要将T串和T串自身来一次匹配就可以求出来了,这里的匹配过程不是从头一个一个匹配,而是从T[1]和T[2]开始匹配,给出算法如下:
int Index_KMP(String S,String T,int pos) { i=pos;j=1;//这里的串的第1个元素下标是1 while(i<=S.Length && j<=T.Length) { if(j==0 || S[i]==T[j]){++i;++j;} //注意到这里的j==0,和++j的作用就知道为什么规定next[1]=0的好处了 else j=next[j];//i不变(不回溯),j跳动 } if(j>T.Length) return i-T.Length;//匹配成功 else return 0; }
看这个函数是不是非常像KMP匹配的函数,没错,它就是这么干的!注意到(2)语句逻辑覆盖的时候是T[i]==T[j]以及i前面的、j前面的都匹配的情况下,于是先自增,然后记下来next[i]=j,这样每当i有自增就会求得一个next[i],而j一定会小于等于i,于是对于已经求出来的next,可以继续求后面的next,而next[1]=0是已知,所以整个就这样递推的求出来了,方法非常巧妙。
这样的改进已经是很不错了,但算法还可以改进,注意到下面的匹配情况:
...aaac...
aaaa.
T串中的'a'和S串中的'c'失配,而'a'的next值指的还是'a',那同样的比较还是会失配,而这样的比较是多余的,如果我事先知道,当T[i]==T[j],那next[i]就设为next[j],在求next值的时候就已经比较了,这样就可以去掉这样的多余的比较。于是稍加改进得到:
void get_nextval(String T,int &next[]) { i=1;j=0;next[1]=0; while(i<=T.Length) { if(j==0 || T[i]==T[j]) { ++i; ++j; if(T[i]!=T[j]) next[i]=j; else next[i]=next[j];//消去多余的可能的比较,next再向前跳 } else j=next[j]; } }
匹配算法不变。
到此就完全弄清楚了,以前老觉得KMP算法好神秘,真不是人想出来的,其实不然,它只不过是对原有的算法进行了改进。可见基础的经典的东西还是很重要,你有本事‘废’了经典,就创造了进步。
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来源2:http://blog.chinaunix.net/u2/76292/showart_1661980.html
kmp算法
设有主串s和子串t,子串t定位是指在主串s中找到一个与子串t相等的子串。通常把主串s称为目标串,把子串t称为模式串,因此定位也称作模式匹配。模式匹配成功是指在目标串s中找到一个模式串t。
传统的字符串模式匹配算法(也就是BF算法)就是对于主串和模式串双双自左向右,一个一个字符比较,如果不匹配,主串和模式串的位置指针都要回溯。这样的算法时间复杂度为O(n*m),其中n和m分别为串s和串t的长度。
KMP 算法是由Knuth,Morris和Pratt等人共同提出的,所以成为Knuth-Morris-Pratt算法,简称KMP算法。KMP算法是字符串模式匹配中的经典算法。和BF算法相比,KMP算法的不同点是匹配过程中,主串的位置指针不会回溯,这样的结果使得算法时间复杂度只为O(n+m)。下面说说KMP算法的原理。
假设我们有个模式串为“abdabcde”存于数组t,我们要求的就是模式串的next值,见下表所示:
i |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
t[i] |
a |
b |
d |
a |
b |
c |
d |
e |
next[i] |
-1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
2 |
0 |
0 |
求模式t的next[i](称为失效函数)的公式如下:
( 上面的公式中非t字母和数字组成的为数组下标)
应该如何理解next数组呢?在匹配过程中,如果出现不匹配的情况(当前模式串不匹配字符假定为t[i]),它所对应的next[i]的数值为接下来要匹配的模式串的字符的索引;也就是说,出现不匹配的情况时,模式串的索引指针要回溯到中next[i]所对应的位置,而主串的索引指针保持不变。
特别的,next数组中的next[0]和next[1]的取值是固定的,为了标识出首字母,需要假定next[0]为-1(取为-1是考虑到C语言中的数组索引以0开始)。在实现的时候,要实现公式中情况的处理需要些技巧,下面给出具体的实现:
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> typedef struct QString{ char * cs; int len; }String; void GetNext(String s, int next []) { int len = s.len; int i = 0 ; int k = - 1 ; next[0] = - 1 ; while (i < len - 1 ){ if (k ==- 1 || s.cs[i] == s.cs[k]){ i ++ ; k ++ ; next[i] = k; }else{ k = next[k]; } } } int KMPIndex(String s, String m) { int next[m.len], i = 0, j = 0 ; int k; GetNext(m, next); while (i < s.len && j < m.len){ if (j == - 1 || s.cs[i] == m.cs[j]){ i ++ ; j ++ ; }else{ j = next[j]; } } if(j >= m.len) return i - m.len; else return -1 ; }
KMP 算法也有需要改进的地方。对于模式串“aaaadd”在匹配时(假定被匹配串为“aaadddd”),可以看到,在匹配到索引3时,主串字符为“d”,模式串字符为“a”,如果按照上面的做法,这时模式串只会回溯一个索引,由于仍不匹配,模式串还会回溯一个索引,直到索引位置到了首字符,主串的索引指针才会前进一位,这样就会浪费一些不必要的比较时间。出现这种情况的原因是模式串中位置i的字符与next[i]对应的字符相同,需要修正next[i]为next[i]对应的字符的索引。下面列出“aaaadd”修正的nextval数组的内容:
i |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
t[i] |
a |
a |
a |
a |
d |
d |
next[i] |
-1 |
0 |
1 |
2 |
3 |
0 |
nextval[i] |
-1 |
-1 |
-1 |
-1 |
0 |
0 |
修正函数如下:
void GetNextval(String s, int nextval[]) { int len = s.len, i = 0, k = -1 ; nextval[0] = -1 ; while (i < len - 1){ if (k == - 1 || s.cs[i] == s.cs[k]){ i ++ ; k ++ ; if (s.cs[i] != s.cs[k]){ nextval[i] = k; }else nextval[i] = nextval[k]; }else{ k = nextval[k]; } } }