字符串匹配的Boyer-Moore算法 詳解 加 C# 實現


上一篇文章,我介紹了KMP算法

  但是,它並不是效率最高的算法,實際采用並不多。各種文本編輯器的"查找"功能(Ctrl+F),大多采用Boyer-Moore算法

  Boyer-Moore算法不僅效率高,而且構思巧妙,容易理解。1977年,德克薩斯大學的Robert S. Boyer教授和J Strother Moore教授發明了這種算法。

  下面,我根據Moore教授自己的例子來解釋這種算法。

  1.

  假定字符串為"HERE IS A SIMPLE EXAMPLE",搜索詞為"EXAMPLE"。

  2.

  首先,"字符串"與"搜索詞"頭部對齊,從尾部開始比較。

  這是一個很聰明的想法,因為如果尾部字符不匹配,那么只要一次比較,就可以知道前7個字符(整體上)肯定不是要找的結果。

  我們看到,"S"與"E"不匹配。這時,"S"就被稱為"壞字符"(bad character),即不匹配的字符。我們還發現,"S"不包含在搜索詞"EXAMPLE"之中,這意味着可以把搜索詞直接移到"S"的后一位。

  3.

  依然從尾部開始比較,發現"P"與"E"不匹配,所以"P"是"壞字符"。但是,"P"包含在搜索詞"EXAMPLE"之中。所以,將搜索詞后移兩位,兩個"P"對齊。

  4.

  我們由此總結出"壞字符規則"

  后移位數 = 壞字符的位置 - 搜索詞中的上一次出現位置

  如果"壞字符"不包含在搜索詞之中,則上一次出現位置為 -1。

  以"P"為例,它作為"壞字符",出現在搜索詞的第6位(從0開始編號),在搜索詞中的上一次出現位置為4,所以后移 6 - 4 = 2位。再以前面第二步的"S"為例,它出現在第6位,上一次出現位置是 -1(即未出現),則整個搜索詞后移 6 - (-1) = 7位。

  5.

  依然從尾部開始比較,"E"與"E"匹配。

  6.

  比較前面一位,"LE"與"LE"匹配。

  7.

  比較前面一位,"PLE"與"PLE"匹配。

  8.

  比較前面一位,"MPLE"與"MPLE"匹配。我們把這種情況稱為"好后綴"(good suffix),即所有尾部匹配的字符串。注意,"MPLE"、"PLE"、"LE"、"E"都是好后綴。

  9.

  比較前一位,發現"I"與"A"不匹配。所以,"I"是"壞字符"。

  10.

  根據"壞字符規則",此時搜索詞應該后移 2 - (-1)= 3 位。問題是,此時有沒有更好的移法?

  11.

  我們知道,此時存在"好后綴"。所以,可以采用"好后綴規則"

  后移位數 = 好后綴的位置 - 搜索詞中的上一次出現位置

  舉例來說,如果字符串"ABCDAB"的后一個"AB"是"好后綴"。那么它的位置是5(從0開始計算,取最后的"B"的值),在"搜索詞中的上一次出現位置"是1(第一個"B"的位置),所以后移 5 - 1 = 4位,前一個"AB"移到后一個"AB"的位置。

  再舉一個例子,如果字符串"ABCDEF"的"EF"是好后綴,則"EF"的位置是5 ,上一次出現的位置是 -1(即未出現),所以后移 5 - (-1) = 6位,即整個字符串移到"F"的后一位。

  這個規則有三個注意點:

  (1)"好后綴"的位置以最后一個字符為准。假定"ABCDEF"的"EF"是好后綴,則它的位置以"F"為准,即5(從0開始計算)。

  (2)如果"好后綴"在搜索詞中只出現一次,則它的上一次出現位置為 -1。比如,"EF"在"ABCDEF"之中只出現一次,則它的上一次出現位置為-1(即未出現)。

  (3)如果"好后綴"有多個,則除了最長的那個"好后綴",其他"好后綴"的上一次出現位置必須在頭部。比如,假定"BABCDAB"的"好后綴"是"DAB"、"AB"、"B",請問這時"好后綴"的上一次出現位置是什么?回答是,此時采用的好后綴是"B",它的上一次出現位置是頭部,即第0位。這個規則也可以這樣表達:如果最長的那個"好后綴"只出現一次,則可以把搜索詞改寫成如下形式進行位置計算"(DA)BABCDAB",即虛擬加入最前面的"DA"。

  回到上文的這個例子。此時,所有的"好后綴"(MPLE、PLE、LE、E)之中,只有"E"在"EXAMPLE"還出現在頭部,所以后移 6 - 0 = 6位。

  12.

  可以看到,"壞字符規則"只能移3位,"好后綴規則"可以移6位。所以,Boyer-Moore算法的基本思想是,每次后移這兩個規則之中的較大值。

  更巧妙的是,這兩個規則的移動位數,只與搜索詞有關,與原字符串無關。因此,可以預先計算生成《壞字符規則表》和《好后綴規則表》。使用時,只要查表比較一下就可以了。

  13.

  繼續從尾部開始比較,"P"與"E"不匹配,因此"P"是"壞字符"。根據"壞字符規則",后移 6 - 4 = 2位。

  14.

  從尾部開始逐位比較,發現全部匹配,於是搜索結束。如果還要繼續查找(即找出全部匹配),則根據"好后綴規則",后移 6 - 0 = 6位,即頭部的"E"移到尾部的"E"的位置。

 

     聲明:BM算法的詳解文章來阮一峰的博客,我這里沒有侵權的意思,只是用來學習,望作者諒解!
     原文地址:
     http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/05/boyer-moore_string_search_algorithm.html

     下面是我用C#實現的上述算法:

 1         public static int Arithmetic_BM(string operateStr, string findStr)
 2         {
 3             //i:匹配開始的索引,j:operateStr字符串的索引迭代,k:findStr字符串索引迭代
 4             int i = 0, j = findStr.Length - 1, k = j;
 5             int n, m = 0; //n:壞字符規則計算出的移動位數,m:好后綴計算出的移動位數
 6 
 7             while (k >= 0 && j < operateStr.Length)
 8             {
 9                 if (k == 0) //全部匹配,return
10                 {
11                     return i;
12                     break;
13                 }
14                 if (operateStr[j] == findStr[k]) //匹配,next
15                 {
16                     j--;
17                     k--;
18                 }
19                 else
20                 {
21                     //當k<要匹配的字符串長度時,說明已經有匹配的字符了,即有“好后綴”
22                     if (k < findStr.Length - 1)
23                     {
24                         //采用"好后綴規則",先找出“全好后綴”有沒有在前面存在
25                         var goodSuffix = findStr.Substring(k + 1); //分割出全好后綴
26                         var tempStr = findStr.Substring(0, k + 1); //去掉好綴后的字符串
27                         //最全好后綴在剩下的字符串中出現
28                         if (tempStr.Contains(goodSuffix))
29                         {
30                             var lastGoodSuffix = char.Parse(goodSuffix.Substring(goodSuffix.Length - 1)); //好后綴的最后一個字符
31                             //找出 該字符的出現位置
32                             IList<int> indexs = new List<int>();
33                             for (int x = 0; x < tempStr.Length; x++)
34                             {
35                                 if (lastGoodSuffix == tempStr[x])
36                                 {
37                                     indexs.Add(x);
38                                 }
39                             }
40                             //找出 好后綴在搜索詞中的上一次出現位置
41                             var result = -1;
42                             for (int x = indexs.Count - 1; x >= 0; x--)
43                             {
44                                 if (indexs[x] >= goodSuffix.Length &&
45                                     tempStr.Substring(indexs[x] - goodSuffix.Length + 1, goodSuffix.Length) == goodSuffix)
46                                 {
47                                     result = indexs[x];
48                                     break;
49                                 }
50                             }
51                             //好后綴規則結果
52                             m = findStr.Length - 1 - result;
53                         }
54                         //最長好后綴沒有沒出現,但是好后綴最后一個字符,出現在頭部
55                         //后移位數 = 好后綴的位置 - (0)搜索詞中的上一次出現位置
56                         else if (findStr.Substring(0, 1) == findStr.Substring(findStr.Length - 1))
57                         {
58                             m = findStr.Length - 1;
59                         }
60                         else //好后綴只出現一次  (后移位數 = 好后綴的位置 - (-1)搜索詞中的上一次出現位置)
61                         {
62                             m = findStr.Length;
63                         }
64                     }
65                     //壞字符規則:后移位數 = 壞字符的位置 - 搜索詞中的上一次出現位置
66                     n = (j - i) - findStr.LastIndexOf(operateStr[j]);
67                     //比較壞字符規則和好后綴規則移動的位數,得出最終移動位數
68                     if (n > m)
69                     {
70                         i += n;
71                         j = i + findStr.Length - 1;
72                     }
73                     else
74                     {
75                         i += m;
76                         j = i + findStr.Length - 1;
77                     }
78                     k = findStr.Length - 1;
79                     m = 0; //清零
80                 }
81             }
82             return -1;
83         }


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