Java數據結構之字符串模式匹配算法---KMP算法


本文主要的思路都是參考http://kb.cnblogs.com/page/176818/

如有冒犯請告知,多謝。

一、KMP算法

  KMP算法可以在O(n+m)的時間數量級上完成串的模式匹配操作,其基本思想是:每當匹配過程中出現字符串比較不等時,不需回溯指針,而是利用已經得到的“部分匹配”結果將模式向右“滑動”盡可能遠的一段距離,繼續進行比較。顯然我們首先需要獲取一個“部分匹配”的結果,該結果怎么計算呢?

二、算法分析

  在上一篇中講到了BF算法,當目標字符串與源字符串進行比較時,會逐個字符進行比較一旦發現不匹配就會重新回到頭部進行比較,比較浪費時間,

舉例來說,有一個字符串"BBC ABCDAB ABCDABCDABDE",我想知道,里面是否包含另一個字符串"ABCDABD"?

1.

首先,字符串"BBC ABCDAB ABCDABCDABDE"的第一個字符與搜索詞"ABCDABD"的第一個字符,進行比較。因為B與A不匹配,所以搜索詞后移一位。

2.

因為B與A不匹配,搜索詞再往后移。

  3.

  就這樣,直到字符串有一個字符,與搜索詞的第一個字符相同為止。

  4.

  接着比較字符串和搜索詞的下一個字符,還是相同。

  5.

  直到字符串有一個字符,與搜索詞對應的字符不相同為止。

  6.

  這時,最自然的反應是,將搜索詞整個后移一位,再從頭逐個比較。這樣做雖然可行,但是效率很差,因為你要把"搜索位置"移到已經比較過的位置,重比一遍。

  7.

  一個基本事實是,當空格與D不匹配時,你其實知道前面六個字符是"ABCDAB"。KMP算法的想法是,設法利用這個已知信息,不要把"搜索位置"移回已經比較過的位置,繼續把它向后移,這樣就提高了效率。

  8.

  怎么做到這一點呢?可以針對搜索詞,算出一張《部分匹配表》(Partial Match Table)。這張表是如何產生的,后面再介紹,這里只要會用就可以了。

  9.

  已知空格與D不匹配時,前面六個字符"ABCDAB"是匹配的。查表可知,最后一個匹配字符B對應的"部分匹配值"為2,因此按照下面的公式算出向后移動的位數:

  移動位數 = 已匹配的字符數 - 對應的部分匹配值

  因為 6 - 2 等於4,所以將搜索詞向后移動4位。

  10.

  因為空格與C不匹配,搜索詞還要繼續往后移。這時,已匹配的字符數為2("AB"),對應的"部分匹配值"為0。所以,移動位數 = 2 - 0,結果為 2,於是將搜索詞向后移2位。

  11.

  因為空格與A不匹配,繼續后移一位。

  12.

  逐位比較,直到發現C與D不匹配。於是,移動位數 = 6 - 2,繼續將搜索詞向后移動4位。

  13.

  逐位比較,直到搜索詞的最后一位,發現完全匹配,於是搜索完成。如果還要繼續搜索(即找出全部匹配),移動位數 = 7 - 0,再將搜索詞向后移動7位,這里就不再重復了。

  14.下面就是重點講一下這個部分匹配表了,感覺原文作者解析好棒,

三、部分匹配表的生成

  該部分內容思路,自己在網上找了幾種思路感覺下面的講的最合適:

     首先,要了解兩個概念:"前綴"和"后綴"。 "前綴"指除了最后一個字符以外,一個字符串的全部頭部組合;"后綴"指除了第一個字符以外,一個字符串的全部尾部組合。

"部分匹配值"就是"前綴"和"后綴"的最長的共有元素的長度。以"ABCDABD"為例,

  - "A"的前綴和后綴都為空集,共有元素的長度為0;

  - "AB"的前綴為[A],后綴為[B],共有元素的長度為0;

  - "ABC"的前綴為[A, AB],后綴為[BC, C],共有元素的長度0;

  - "ABCD"的前綴為[A, AB, ABC],后綴為[BCD, CD, D],共有元素的長度為0;

  - "ABCDA"的前綴為[A, AB, ABC, ABCD],后綴為[BCDA, CDA, DA, A],共有元素為"A",長度為1;

  - "ABCDAB"的前綴為[A, AB, ABC, ABCD, ABCDA],后綴為[BCDAB, CDAB, DAB, AB, B],共有元素為"AB",長度為2;

  - "ABCDABD"的前綴為[A, AB, ABC, ABCD, ABCDA, ABCDAB],后綴為[BCDABD, CDABD, DABD, ABD, BD, D],共有元素的長度為0。

 

16.

  "部分匹配"的實質是,有時候,字符串頭部和尾部會有重復。比如,"ABCDAB"之中有兩個"AB",那么它的"部分匹配值"就是2("AB"的長度)。搜索詞移動的時候,第一個"AB"向后移動4位(字符串長度-部分匹配值),就可以來到第二個"AB"的位置。

這里有如下規則進行定義:當j等0時有的地方規定為1,這里規定為-1,其實都一樣,感覺規定為1是最廣泛的。

 


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