程序员面试题精选（20）：最长公共子串
例如：输入两个字符串BDCABA和ABCBDAB，字符串BCBA和BDAB都是是它们的最长公共子串，则输出它们的长度4，并打印任意一个子串。
分析：求最长公共子串（Longest Common Subsequence, LCS）是一道非常经典的动态规划题，因此一些重视算法的公司像MicroStrategy都把它当作面试题。
完整介绍动态规划将需要很长的篇幅，因此我不打算在此全面讨论动态规划相关的概念，只集中对LCS直接相关内容作讨论。如果对动态规划不是很熟悉，请参考相关算法书比如算法讨论。
先介绍LCS问题的性质：记Xm={x0, x1,…xm-1}和Yn={y0,y1,…,yn-1}为两个字符串，而Zk={z0,z1,…zk-1}是它们的LCS，则：
1. 如果xm-1=yn-1，那么zk-1=xm-1=yn-1，并且Zk-1是Xm-1和Yn-1的LCS；
2. 如果xm-1≠yn-1，那么当zk-1≠xm-1时Z是Xm-1和Y的LCS；
3. 如果xm-1≠yn-1，那么当zk-1≠yn-1时Z是Yn-1和X的LCS；
下面简单证明一下这些性质：
1. 如果zk-1≠xm-1，那么我们可以把xm-1（yn-1）加到Z中得到Z’，这样就得到X和Y的一个长度为k+1的公共子串Z’。这就与长度为k的Z是X和Y的LCS相矛盾了。因此一定有zk-1=xm-1=yn-1。
既然zk-1=xm-1=yn-1，那如果我们删除zk-1（xm-1、yn-1）得到的Zk-1，Xm-1和Yn-1，显然Zk-1是Xm-1和Yn-1的一个公共子串，现在我们证明Zk-1是Xm-1和Yn-1的LCS。用反证法不难证明。假设有Xm-1和Yn-1有一个长度超过k-1的公共子串W，那么我们把加到W中得到W’，那W’就是X和Y的公共子串，并且长度超过k，这就和已知条件相矛盾了。
2. 还是用反证法证明。假设Z不是Xm-1和Y的LCS，则存在一个长度超过k的W是Xm-1和Y的LCS，那W肯定也X和Y的公共子串，而已知条件中X和Y的公共子串的最大长度为k。矛盾。
3. 证明同2。
有了上面的性质，我们可以得出如下的思路：求两字符串Xm={x0, x1,…xm-1}和Yn={y0,y1,…,yn-1}的LCS，如果xm-1=yn-1，那么只需求得Xm-1和Yn-1的LCS，并在其后添加xm-1（yn-1）即可；如果xm-1≠yn-1，我们分别求得Xm-1和Y的LCS和Yn-1和X的LCS，并且这两个LCS中较长的一个为X和Y的LCS。
如果我们记字符串Xi和Yj的LCS的长度为c[i,j]，我们可以递归地求c[i,j]：
/ 0 if i<0 or j<0
c[i,j]= c[i-1,j-1]+1 if i,j>=0 and xi=xj
/ max(c[i,j-1],c[i-1,j] if i,j>=0 and xi≠xj
上面的公式用递归函数不难求得。但从前面求Fibonacci第n项(本面试题系列第16题）的分析中我们知道直接递归会有很多重复计算，我们用从底向上循环求解的思路效率更高。
为了能够采用循环求解的思路，我们用一个矩阵（参考代码中的LCS_length）保存下来当前已经计算好了的c[i,j]，当后面的计算需要这些数据时就可以直接从矩阵读取。另外，求取c[i,j]可以从c[i-1,j-1] 、c[i,j-1]或者c[i-1,j]三个方向计算得到，相当于在矩阵LCS_length中是从c[i-1,j-1]，c[i,j-1]或者c[i-1,j]的某一个各自移动到c[i,j]，因此在矩阵中有三种不同的移动方向：向左、向上和向左上方，其中只有向左上方移动时才表明找到LCS中的一个字符。于是我们需要用另外一个矩阵（参考代码中的LCS_direction）保存移动的方向。
参考代码如下：
#include "string.h"
// directions of LCS generation
enum decreaseDir {kInit = 0, kLeft, kUp, kLeftUp};
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Get the length of two strings' LCSs, and print one of the LCSs
// Input: pStr1 - the first string
// pStr2 - the second string
// Output: the length of two strings' LCSs
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
int LCS(char* pStr1, char* pStr2)
{
if(!pStr1 || !pStr2)
return 0;
size_t length1 = strlen(pStr1);
size_t length2 = strlen(pStr2);
if(!length1 || !length2)
return 0;
size_t i, j;
// initiate the length matrix
int **LCS_length;
LCS_length = (int**)(new int[length1]);
for(i = 0; i < length1; ++ i)
LCS_length[i] = (int*)new int[length2];
for(i = 0; i < length1; ++ i)
for(j = 0; j < length2; ++ j)
LCS_length[i][j] = 0;
// initiate the direction matrix
int **LCS_direction;
LCS_direction = (int**)(new int[length1]);
for( i = 0; i < length1; ++ i)
LCS_direction[i] = (int*)new int[length2];
for(i = 0; i < length1; ++ i)
for(j = 0; j < length2; ++ j)
LCS_direction[i][j] = kInit;
for(i = 0; i < length1; ++ i)
{
for(j = 0; j < length2; ++ j)
{
if(i == 0 || j == 0)
{
if(pStr1[i] == pStr2[j])
{
LCS_length[i][j] = 1;
LCS_direction[i][j] = kLeftUp;
}
else
LCS_length[i][j] = 0;
}
// a char of LCS is found,
// it comes from the left up entry in the direction matrix
else if(pStr1[i] == pStr2[j])
{
LCS_length[i][j] = LCS_length[i - 1][j - 1] + 1;
LCS_direction[i][j] = kLeftUp;
}
// it comes from the up entry in the direction matrix
else if(LCS_length[i - 1][j] > LCS_length[i][j - 1])
{
LCS_length[i][j] = LCS_length[i - 1][j];
LCS_direction[i][j] = kUp;
}
// it comes from the left entry in the direction matrix
else
{
LCS_length[i][j] = LCS_length[i][j - 1];
LCS_direction[i][j] = kLeft;
}
}
}
LCS_Print(LCS_direction, pStr1, pStr2, length1 - 1, length2 - 1);
return LCS_length[length1 - 1][length2 - 1];
}
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Print a LCS for two strings
// Input: LCS_direction - a 2d matrix which records the direction of
// LCS generation
// pStr1 - the first string
// pStr2 - the second string
// row - the row index in the matrix LCS_direction
// col - the column index in the matrix LCS_direction
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
void LCS_Print(int **LCS_direction,
char* pStr1, char* pStr2,
size_t row, size_t col)
{
if(pStr1 == NULL || pStr2 == NULL)
return;
size_t length1 = strlen(pStr1);
size_t length2 = strlen(pStr2);
if(length1 == 0 || length2 == 0 || !(row < length1 && col < length2))
return;
// kLeftUp implies a char in the LCS is found
if(LCS_direction[row][col] == kLeftUp)
{
if(row > 0 && col > 0)
LCS_Print(LCS_direction, pStr1, pStr2, row - 1, col - 1);
// print the char
printf("%c", pStr1[row]);
}
else if(LCS_direction[row][col] == kLeft)
{
// move to the left entry in the direction matrix
if(col > 0)
LCS_Print(LCS_direction, pStr1, pStr2, row, col - 1);
}
else if(LCS_direction[row][col] == kUp)
{
// move to the up entry in the direction matrix
if(row > 0)
LCS_Print(LCS_direction, pStr1, pStr2, row - 1, col);
}
}
扩展：如果题目改成求两个字符串的最长公共子字符串，应该怎么求？子字符串的定义和子串的定义类似，但要求是连续分布在其他字符串中。比如输入两个字符串BDCABA和ABCBDAB的最长公共字符串有BD和AB，它们的长度都是2。