字符串与模式匹配（一）——KMP算法

源码：kmp.cpp

// KMP.cpp : Defines the entry point for the console application.
//

#include "stdafx.h"
#include <IOSTREAM>
using namespace std;

#define BUF_SIZE 100
#define BUF_SIZE_2 200

/************************************************************************/
/* KMP算法                                                              */
/************************************************************************/

//************************************
// Method:    Compute next array
// FullName:  计算NEXT数组
// Access:    public 
// Returns:   void
// Qualifier:
// Parameter: char t[] 模式串
// Parameter: int next[] next数组
// Parameter: int length 模式串长度
//************************************
void Calu_Next_Array(char t[], int next[], int length)
{
    int j = 0, k = -1; next[0] = -1;
    //next[0]使得模式串T与主串S各向前前进一步，-1用作特殊标志
    //next数组大小应为模式串T长度
    //j循环从0到length-2，共置n-1次值加上next[0]=-1，一共置n次值
    while (j < length - 1)
    {
        if (k == -1 || t[j] == t[k])
        {
            //假如k=-1，这是第一次情况，且仅会出现一次
            //则当k=-1时，有k=0,j=1,next[1]=0，可知next[1]=0也是恒定不变的
            //由递推公式可知，初始情况：next[0]=-1,next[1]=0

            //*******************  递推公式推导  *******************
            //如果是t[j] == t[k]，则有：
            //【推导：设next[0]...next[j]已经求出，next[j+1]=？】
            //记next[j] = k，则可推出t[0 .. k-1]=t[j-k .. j-1]
            //又因为t[j] == t[k]，则有t[0 .. k]=t[j-k .. j]，推出【next[j+1]=k+1】
            //又因为next[j] = k，故【j++，k++】
            //【结论：若next[0]...next[j]已知，且t[j] == t[k]，则可得next[j+1]=next[j]+1】
            next[++j] = ++k;
        }
        else
        {
            //*******************  递推公式推导  *******************
            //由于t[j] <> t[k]，记next[j] = k，则可推出t[0 .. k-1]=t[j-k .. j-1]
            //由于t[0 .. k-1]=t[j-k .. j-1]，则有t[Y .. k-1]=t[j-k+Y .. j-1] (0<=Y<=k-1)
            //令next[k] = K，则有t[0 .. K-1]=t[k-K .. k-1]，此时令【Y=k-K】
            //即有等式【t[Y .. k-1]=t[j-k+Y .. j-1]=t[k-K .. k-1]=t[Y .. k-1]=t[0 .. K-1]】
            //即t[j-K .. j-1]=t[0 .. K-1]，【next[j]=K=next[k]】
            //若下一次t[j] == t[k'] = t[K]，由于t[j-K .. j-1]=t[0 .. K-1]且K=next[k]，可得t[j-K .. j]=t[0 .. K]，即next[j+1]=next[k]+1
            //【结论：若next[0]...next[j]已知，且t[j] <> t[k]，若t[j] == t[K] == t[next[k]]，则有next[j+1]=next[k]+1】
            //这里要判定t[j] == t[k']是否成立，故令k=next[k]
            k = next[k];
        }
    }
}

// 打印next数组
void Print_Next_Array(int next[], int length)
{
    for (int i = 0; i < length; i++)
    {
        cout << next[i] << ' ';
    }
    cout << endl;
}


// KMP查找
int KMP(char s[], int s_len, char t[], int t_len, int start)
{
    if (start >= s_len) return -1;

    int *next = new int[t_len]; // T字串长度为next数组长度

    if (s_len == 0) throw "原始字串不能为空！";
    if (t_len == 0) throw "匹配字串不能为空！";
    if (t_len > s_len) throw "原始字串比匹配字串短，匹配（替换）失败！";

    Calu_Next_Array(t, next, t_len); // 求next数组
    Print_Next_Array(next, t_len);

    int i = start, j = 0;

    while (i < s_len && j < t_len)
    {
        if (j == -1 || s[i] == t[j])
        {
            i++; j++;
        }
        else
        {
            j = next[j];
        }
    }

    delete[] next;

    if (j == t_len) // T遍历到末尾
    {
        return i - j;
    }

    return -1;
}

// 替换
void Replace(char s[], char t[], char r[])
{
    int s_len = strlen(s);
    int t_len = strlen(t);
    int r_len = strlen(r);

    if (s_len + r_len - t_len >= BUF_SIZE_2) throw "缓冲区不足！";

    int index = 0; // 起始索引
    int location = 0; // 匹配位置
    int count = 0; // 替换次数
    int delta = t_len - r_len;
    int repl_min_len = (t_len <= r_len) ? t_len : r_len;

    while (true)
    {
        index = KMP(s, s_len, t, t_len, index);
        if (index == -1) break;

        location = index + delta * count++;
        cout << "找到匹配位置： " << location << endl;

        // 先替换部分
        {
            for (int i = 0; i < repl_min_len; i++)
            {
                s[index + i] = r[i];
            }
        }

        if (t_len >= r_len)
        {
            // 已替换完毕，开始左移
            char *src = &s[index + t_len];
            char *dest = &s[index + repl_min_len];
            while (*src != 0 && *dest != 0) *dest++ = *src++;
            *dest = 0;
        }
        else
        {
            // 先右移，再替换剩下的
            char *null_src = &s[index + repl_min_len - 1];
            char *src = &s[s_len];
            char *dest = &s[s_len + r_len - t_len];
            while (src != null_src) *dest-- = *src--;

            dest = src + 1;
            src = &r[t_len];
            while (*src != 0) *dest++ = *src++;
        }

        s_len -= delta;
        index -= delta;
        index++;
    }

    cout << "成功替换" << count << "处" << endl;
    cout << "替换结果： " << s << endl << endl;
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    char buf_string[BUF_SIZE_2];
    char buf_find[BUF_SIZE];
    char buf_replace[BUF_SIZE];

    cout << "请输入字符串：" << endl;
    cin.getline(buf_string, BUF_SIZE_2 - 1);
    cin.sync();

    cout << "请输入要被替换的字符串：" << endl;
    cin.getline(buf_find, BUF_SIZE - 1);
    cin.sync();

    cout << "请输入替换后的字符串：" << endl;
    cin.getline(buf_replace, BUF_SIZE - 1);
    cin.sync();

    try
    {
        Replace(buf_string, buf_find, buf_replace);
    }
    catch (const char * pstr)
    {
        cerr << "****** 错误： " << pstr << endl << endl;
    }

    cout << endl;

    return 0;
}