BM字符串匹配算法


在用於查找子字符串的算法當中,BM(Boyer-Moore)算法是目前相當有效又容易理解的一種,一般情況下,比KMP算法快3-5倍。

BM算法在移動模式串的時候是從左到右,而進行比較的時候是從右到左的。

 

BM算法實際上包含兩個並行的算法,壞字符算法和好后綴算法。這兩種算法的目的就是讓模式串每次向右移動盡可能大的距離(j+=x,x盡可能的大)。 

幾個定義:

 

例主串和模式串如下:

 

主串  :  mahtavaatalomaisema omalomailuun

 

模式串: maisemaomaloma

 

好后綴:模式串中的aloma為“好后綴”。

 

壞字符:主串中的“t”為壞字符。

 

好后綴算法

 

如果程序匹配了一個好后綴, 並且在模式中還有另外一個相同的后綴, 那

 

把下一個后綴移動到當前后綴位置。好后綴算法有兩種情況:

 

Case1:模式串中有子串和好后綴安全匹配,則將最靠右的那個子串移動到好后綴的位置。繼續進行匹配。

 

wps_clip_image-979

 

Case2:如果不存在和好后綴完全匹配的子串,則在好后綴中找到具有如下特征的最長子串,使得P[m-s…m]=P[0…s]。說不清楚的看圖。

 wps_clip_image-1152

 

壞字符算法

 

當出現一個壞字符時, BM算法向右移動模式串, 讓模式串中最靠右的對應字符與壞字符相對,然后繼續匹配。壞字符算法也有兩種情況。

 

Case1:模式串中有對應的壞字符時,見圖。 
wps_clip_image-1349

 

Case2:模式串中不存在壞字符。見圖。

 

wps_clip_image-1472

 移動規則

 

BM算法的移動規則是:

 

將概述中的++j,換成j+=MAX(shift(好后綴),shift(壞字符)),即

 

BM算法是每次向右移動模式串的距離是,按照好后綴算法和壞字符算法計算得到的最大值。

 

shift(好后綴)和shift(壞字符)通過模式串的預處理數組的簡單計算得到。好后綴算法的預處理數組是bmGs[],壞字符算法的預處理數組是BmBc[]。

 

BM算法子串比較失配時,按壞字符算法計算模式串需要向右移動的距離,要借助BmBc數組。

 

注意BmBc數組的下標是字符,而不是數字 

BmBc數組的定義,分兩種情況。

 

1、 字符在模式串中有出現。如下圖,BmBc[‘k’]表示字符k在模式串中最后一次出現的位置,距離模式串串尾的長度。

 

2、 字符在模式串中沒有出現:,如模式串中沒有字符p,則BmBc[‘p’] = strlen(模式串)。

 

wps_clip_image-1885

 

BM算法子串比較失配時,按好后綴算法計算模式串需要向右移動的距離,要借助BmGs數組。

 

BmGs數組的下標是數字,表示字符在模式串中位置。

 

BmGs數組的定義,分三種情況。

 

1、 對應好后綴算法case1:如下圖:i是好后綴之前的那個位置。

 

wps_clip_image-2036

 

2、 對應好后綴算法case2:如下圖所示:

 

wps_clip_image-2086

 

3、 當都不匹配時,BmGs[i] = strlen(模式串)

 

wps_clip_image-2145

 在計算BmGc數組時,為提高效率,先計算輔助數組Suff。

 

Suff數組的定義:suff[i] = 以i為邊界, 與模式串后綴匹配的最大長度,即P[i-s...i]=P[m-s…m]如下圖:

 

wps_clip_image-2272

 

舉例如下:

 

wps_clip_image-2380

 分析

 

用Suff[]計算BmGs的方法。

 

1) BmGs[0…m-1] = m;(第三種情況)

 

2) 計算第二種情況下的BmGs[]值:

 

for(i=0;i

 

if(-1==i || Suff[i] == i+1)

 

for(;j < m-1-i;++j)

 

if(suff[j] == m)

 

BmGs[j] = m-1-i;

 

3) 計算第三種情況下BmGs[]值,可以覆蓋前兩種情況下的BmGs[]值:

 

for(i=0;i

 

BmGs[m-1-suff[i]] = m-1-i;

 

如下圖所示:

 

wps_clip_image-2697

 

Suff[]數組的計算方法。

 

常規的方法:如下,很裸很暴力。

 

Suff[m-1]=m;

 

for(i=m-2;i>=0;--i){

 

q=i;

 

while(q>=0&&P[q]==P[m-1-i+q])

 

--q;

 

Suff[i]=i-q;

 

}

 

有聰明人想出一種方法,對常規方法進行改進。基本的掃描都是從右向左。改進的地方就是利用了已經計算得到的suff[]值,計算現在正在計算的suff[]值。

 

如下圖所示:

 

i是當前正准備計算的suff[]值得那個位置。

 

f是上一個成功進行匹配的起始位置(不是每個位置都能進行成功匹配的,  實際上能夠進行成功匹配的位置並不多)。

 

q是上一次進行成功匹配的失配位置。

 

如果i在q和f之間,那么一定有P[i]=P[m-1-f+i];並且如果suff[m-1-f+i]=i-q, suff[i]和suff[m-1-f+i]就沒有直接關系了。

 

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 1 int BMMatch(byte* pSrc, int nSrcSize, byte* pSubSrc, int nSubSrcSize)  2 {  3 
 4     //1.壞字符數組
 5     int bcSkip[256];  6     for( int i = 0; i < 256; i++)  7  {  8         bcSkip[i] = nSubSrcSize;  9  } 10     for (int i = 0; i < nSubSrcSize - 1; i++) 11  { 12         bcSkip[pSubSrc[i]] = nSubSrcSize - i - 1; 13  } 14 
15     //2.好后綴數組
16     int* suffix = new int [nSubSrcSize]; 17     suffix[nSubSrcSize - 1] = nSubSrcSize; 18     for (int i = nSubSrcSize - 2; i >= 0; i--) 19  { 20         
21         int k = i; 22         while( k >= 0 && pSubSrc[k] == pSubSrc[nSubSrcSize-1-i+k] ) 23  { 24             k--; 25  } 26         suffix[i] = i - k; 27  } 28     
29     int* gsSkip = new int [nSubSrcSize]; 30     for (int i = 0; i < nSubSrcSize; i++) 31  { 32         gsSkip[i] = nSubSrcSize; 33  } 34     for (int i = nSubSrcSize - 1; i >= 0; i--) 35  { 36         if (suffix[i] == i + 1) 37  { 38             for (int j = 0; j < nSubSrcSize - 1 - i; ++j) 39  { 40                 if (gsSkip[j] == nSubSrcSize) 41                     gsSkip[j] = nSubSrcSize - 1 - i; 42  } 43  } 44  } 45     for (int i = 0; i <= nSubSrcSize - 2; ++i) 46  { 47         gsSkip[nSubSrcSize - 1 - suffix[i]] = nSubSrcSize - 1 - i; 48  } 49 
50     int nPos = 0; 51     while (nPos <= nSrcSize - nSubSrcSize) 52  { 53         int j = nSubSrcSize - 1; 54         while(j >= 0 && pSubSrc[j] == pSrc[j + nPos]) 55  { 56             j--; 57  } 58         if (j < 0) 59             break; 60         else      
61  { 62             nPos += max(gsSkip[j], bcSkip[pSrc[j + nPos]]-(nSubSrcSize - 1 - j) ); 63  } 64  } 65  delete[] gsSkip; 66     return (nPos > nSrcSize - nSubSrcSize)? -1 : nPos; 67 }
 1 int BMMatchEx(byte* pSrc, int nSrcSize, byte* pSubSrc, int nSubSrcSize)  2 {  3 
 4     //1.壞字符數組
 5     int bcSkip[256];  6     for( int i = 0; i < 256; i++)  7  {  8         bcSkip[i] = nSubSrcSize;  9  } 10     for (int i = 0; i < nSubSrcSize - 1; i++) 11  { 12         bcSkip[pSubSrc[i]] = nSubSrcSize - i - 1; 13  } 14 
15     //2.好后綴數組
16     int* suffix = new int [nSubSrcSize]; 17     suffix[nSubSrcSize - 1] = nSubSrcSize; 18     int g = nSubSrcSize - 1; 19     int f = 0; 20     for (int i = nSubSrcSize - 2; i >= 0; i--) 21  { 22         if(i > g && suffix[i + nSubSrcSize - 1 - f] < i - g) 23  { 24             suffix[i] = suffix[i + nSubSrcSize - 1 - f]; 25  } 26         else
27  { 28             if (i < g) 29  { 30                 g = i; 31  } 32             f = i; 33             while( g >= 0 && pSubSrc[g] == pSubSrc[nSubSrcSize-1-f+g] ) 34  { 35                 g--; 36  } 37             suffix[i] = f - g; 38  } 39  } 40 
41     int* gsSkip = new int [nSubSrcSize]; 42     for (int i = 0; i < nSubSrcSize; i++) 43  { 44         gsSkip[i] = nSubSrcSize; 45  } 46     for (int i = nSubSrcSize - 1; i >= 0; i--) 47  { 48         if (suffix[i] == i + 1) 49  { 50             for (int j = 0; j < nSubSrcSize - 1 - i; ++j) 51  { 52                 if (gsSkip[j] == nSubSrcSize) 53                     gsSkip[j] = nSubSrcSize - 1 - i; 54  } 55  } 56  } 57     for (int i = 0; i <= nSubSrcSize - 2; ++i) 58  { 59         gsSkip[nSubSrcSize - 1 - suffix[i]] = nSubSrcSize - 1 - i; 60  } 61 
62     int nPos = 0; 63     while (nPos <= nSrcSize - nSubSrcSize) 64  { 65         int j = nSubSrcSize - 1; 66         while(j >= 0 && pSubSrc[j] == pSrc[j + nPos]) 67  { 68             j--; 69  } 70         if (j < 0) 71             break; 72         else      
73  { 74             nPos += max(gsSkip[j], bcSkip[pSrc[j + nPos]]-(nSubSrcSize - 1 - j) ); 75  } 76  } 77  delete[] gsSkip; 78     return (nPos > nSrcSize - nSubSrcSize)? -1 : nPos; 79 }

 

 

 


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