看了数据结构书上对于快速模式匹配算法KMP的介绍,感觉云里雾里。本文根据自己理解,并查资料整理了一种非常清晰简单的字符串匹配算法,并给予实现,自诩原创吧。
字符串匹配是我们经常要用到的一种算法,与普通的匹配算法相比KMP算法效率更高,时间复杂度为O(m+n)。下面给予详细讲解:
概念详解
设原字符串为“BBC ABCDAB ABCDABCDABDE”,待匹配字符串为“ABCDABD”。
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首先,字符串”BBC ABCDAB ABCDABCDABDE”的第一个字符与搜索词”ABCDABD”的第一个字符,进行比较。因为B与A不匹配,所以搜索词后移一位。
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因为B与A不匹配,搜索词再往后移。
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就这样,直到字符串有一个字符,与搜索词的第一个字符相同为止。
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接着比较字符串和搜索词的下一个字符,还是相同。
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直到字符串有一个字符,与搜索词对应的字符不相同为止。
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这时,最自然的反应是,将搜索词整个后移一位,再从头逐个比较。这样做虽然可行,但是效率很差,因为你要把”搜索位置”移到已经比较过的位置,重比一遍。
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一个基本事实是,当空格与D不匹配时,你其实知道前面六个字符是”ABCDAB”。KMP算法的想法是,设法利用这个已知信息,不要把”搜索位置”移回已经比较过的位置,继续把它向后移,这样就提高了效率。
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而怎么记录这个已知的信息呢,聪明的人使用了一张”部分匹配表”来记录已有的信息。如何产生这张表,稍后解释。
这就是一张部分匹配表。先说一下,部分匹配值,是根据字符串前缀和后缀算出来的。 -
已知空格与D不匹配时,前面六个字符”ABCDAB”是匹配的。查表可知,最后一个匹配字符B对应的”部分匹配值”为2,因此按照下面的公式算出向后移动的位数:移动位数 = 已匹配的字符数 - 对应的部分匹配值
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因为空格与C不匹配,搜索词还要继续往后移。这时,已匹配的字符数为2(”AB”),对应的”部分匹配值”为0。所以,移动位数 = 2 - 0,结果为 2,于是将搜索词向后移2位。
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因为空格与A不匹配,继续后移一位。
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逐位比较,直到发现C与D不匹配。于是,移动位数 = 6 - 2,继续将搜索词向后移动4位。
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逐位比较,直到搜索词的最后一位,发现完全匹配,于是搜索完成。如果还要继续搜索(即找出全部匹配),移动位数 = 7 - 0,再将搜索词向后移动7位,这里就不再重复了。
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下面介绍《部分匹配表》是如何产生的。
首先,要了解两个概念:”前缀”和”后缀”。 “前缀”指除了最后一个字符以外,一个字符串的全部头部组合;”后缀”指除了第一个字符以外,一个字符串的全部尾部组合。 -
“部分匹配值”就是”前缀”和”后缀”的最长的共有元素的长度。以”ABCDABD”为例,计算部分匹配值:
-“A”的前缀和后缀都为空集,共有元素的长度为0;
-“AB”的前缀为[A],后缀为[B],共有元素的长度为0;
-“ABC”的前缀为[A, AB],后缀为[BC, C],共有元素的长度0;
-“ABCD”的前缀为[A, AB, ABC],后缀为[BCD, CD, D],共有元素的长度为0;
-“ABCDA”的前缀为[A, AB, ABC, ABCD],后缀为[BCDA, CDA, DA, A],共有元素为”A”,长度为1;
-“ABCDAB”的前缀为[A, AB, ABC, ABCD, ABCDA],后缀为[BCDAB, CDAB, DAB, AB, B],共有元素为”AB”,长度为2;
-“ABCDABD”的前缀为[A, AB, ABC, ABCD, ABCDA, ABCDAB],后缀为[BCDABD, CDABD, DABD, ABD, BD, D],共有元素的长度为0。 -
部分匹配”的实质是,有时候,字符串头部和尾部会有重复。比如,”ABCDAB”之中有两个”AB”,那么它的”部分匹配值”就是2(”AB”的长度)。搜索词移动的时候,第一个”AB”向后移动4位(字符串长度-部分匹配值),就可以来到第二个”AB”的位置。
如果这6个已匹配的字符中没有部分匹配值,说明这几个字符都不能再和现有字符成功匹配了,所以指针直接移动到这几个字符的后面。
实例代码
首先计算出部分匹配表,再进行匹配
void get_match_table(const char* p, int* next)
{
int i, n, k;
n = strlen(p);
next[1] = next[0] = 0;
k = 0; /* 第i次迭代开始之前,k表示next[i-1]的值 */
for (i = 2; i <= n; i++) {
for (; k != 0 && p[k] != p[i-1]; k = next[k]);
if (p[k] == p[i-1]) k++;
next[i] = k;
}
}
void kmp_match(char *text, char *p, int *next)
{
int m, n, s, q;
m = strlen(p);
n = strlen(text);
q = s = 0; /* q表示上一次迭代匹配了多少个字符,
s表示这次迭代从text的哪个字符开始比较 */
while (s < n) {
for (q = next[q]; q < m && p[q] == text[s]; q++, s++);
if (q == 0) s++;
else if (q == m) {
printf("匹配成功:%d
", s-m);
}
}
}
测试代码:
int next[101], n;
char *p = "ABCDABD";
char *text = "BBC ABCDAB ABCDABCDABDE";
get_match_table(p,next);
kmp_match(text, p, next);
kmp难以理解,是公认的。下一篇博客我将介绍一个更高效率,且更常用更容易理解的字符串匹配算法——字符串匹配的Boyer-Moore算法。
这里又发现了一个比上面更快一点的算法:
//更高效的方法,首先与第一字符比,直到匹配。。。
void get_match_table2(const char* p, int* next)
{
int i,j,n;
n = strlen(p);
i = 0;j = -1;
while(i<n){
if (j == -1 || p[i] == p[j]){
i++;j++;next[i] = j;
}else{
j = next[j];
}
}
}
int kmp_match2(char *text, char *p, int *next)
{
int i,j;
int nt,np;
i =0;j=0;
nt = strlen(text);
np = strlen(p);
while(i<nt && j<np){
if (j == -1 || text[i] == p[j]){
i++;j++;
}else{
j = next[j];
}
}
if (j == np)
return i - np;
else
return -1;
}