数据结构—串KMP模式匹配算法
Posted 之墨_
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了数据结构—串KMP模式匹配算法相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
串
串(string)是由零个或多个字符组成的有限序列。含零个字符的串称为空串,用Ø表示。串中所含字符的个数称为该串的长度(或串长)。通常将一个串表示成"a1a2a3a4…“的形式,其中最外边的双引号(或单引号)不是串的内容,它们是串的标志,用于将串与标识符(如变量名等)加以区别。每个 a(1≤i≤n)代表一个字符,不同的机器和编程语言对合法字符(即允许使用的字符)有不同的规定。但在一般情况下,英文字母、数字(0,1,9)和常用的标点符号以及空格符等都是合法的字符。
两个串相等当且仅当这两个串的长度相等并且各对应位置上的字符都相同。一个串中任意个连续字符组成的序列称为该串的子串(substring),例如串”abcde"的子串有"a”、“ab”、"abc"和"abcd"等。为了表述清楚,在串
中空格字符用“□”符号表示,例如"a□□b"是一个长度为 4 的串,其中含有两
个空格字符。空串是不包含任何字符的串,其长度为 0,空串是任何串的
子串
顺序串代码实现
#include <iostream>
#include <stdio.h>
#define MaxSize 100
using namespace std;
typedef struct
{///顺序串的定义
char data[MaxSize];
int length;
}SqString;
void StrAssign(SqString &s,char cstr[])
{///字符串常量赋值给串a
int i;
for(i = 0;cstr[i] != '\\0';i++)
s.data[i] = cstr[i];
s.length = i;
}
void StrCopy(SqString &s,SqString t)
{///串的复制
for(int i= 0;i<t.length;i++)
s.data[i] = t.data[i];
s.length = t.length;
}
bool StrEqual(SqString s,SqString t)
{///判断串是否相等
bool same = true;
if(s.length != t.length)
same = false;
else
for(int i = 0;i<s.length;i++)
if(s.data[i] != t.data[i])
{
same = false;
break;
}
return same;
}
int StrLength(SqString s)
{///求串的长度
return s.length;
}
SqString Concat(SqString s,SqString t)
{///连接两个串
SqString str;
int i;
str.length = s.length +t.length;
for(i = 0;i<s.length;i++)
str.data[i] = s.data[i];
for( i =0;i<t.length;i++)
str.data[s.length + i] =t.data[i];
return str;
}
SqString SubStr(SqString s,int i,int j)
{///求子串
SqString str;
int k;
str.length = 0;
if(i<=0||i>s.length||j<0||i+j-1>s.length)
return str;
for(k = i-1;k<i+j-1;k++)
str.data[k-i+1] = s.data[k];
str.length = j;
return str;
}
SqString InsStr(SqString s1,int i,SqString s2)
{///插入子串
int j;
SqString str;
str.length = 0;
if(i<=0 || i>s1.length+1)
return str;
for(j=0;j<i-1;j++)
str.data[j] = s1.data[j];
for(j = 0;j<s2.length;j++)
str.data[i+j-1] = s2.data[j];
for(j = i-1;j<s1.length;j++)
str.data[s2.length+j] = s1.data[j];
str.length = s1.length+s2.length;
return str;
}
SqString DelStr(SqString s,int i,int j)
{///删除子串
int k;
SqString str;
str.length = 0;
if(i<=0||i>s.length||i+j>s.length+1)
return str;
for(k = 0;k<i-1;k++)
str.data[k] = s.data[k];
for( k =i+j-1;k<s.length;k++)
str.data[k-j] = s.data[k];
str.length = s.length -j;
return str;
}
SqString RepStr(SqString s,int i,int j,SqString t)
{///替换子串
int k;
SqString str;
str.length = 0;
if(i<=0||i>s.length||i+j-1>s.length)
return str;
for(k = 0;k<i-1;k++)
str.data[k] = s.data[k];
for(k = 0;k<t.length;k++)
str.data[i+k-1] = t.data[k];
for(k = i+j-1;k<s.length;k++)
str.data[t.length+k-j] = s.data[k];
str.length = s.length-j+t.length;
return str;
}
void DispStr(SqString s)
{///输出串
if(s.length >0)
{
for(int i = 0;i<s.length;i++)
printf("%c",s.data[i]);
printf("\\n");
}
}
int main()
{
SqString s,s1,s2,s3,s4;
printf("顺序串的基本运算如下:\\n");
printf("1-建立串s和串s1\\n");
StrAssign(s,"abcdefghijklmn");
StrAssign(s1,"123");
printf("2-输出串s：");DispStr(s);
printf("3-串s的长度：%d\\n",StrLength(s));
printf("4-在串s的第9个字符位置插入串s1而产生串s2\\n");
s2 = InsStr(s,9,s1);
printf("5-输出串s2：");DispStr(s2);
printf("6-删除串s的第2个字符开始的5个字符产生串s2\\n");
s2 =DelStr(s,2,3);
printf("7-输出串s2：");DispStr(s2);
printf("8-将串s第2个字符开始的5个字符替换成串s1而产生串s2\\n");
s2 = RepStr(s,2,5,s1);
printf("9-输出串s2");DispStr(s2);
printf("10-提取串s的第2个字符开始的10个字符而产生串s3");
s3 = SubStr(s,2,10);
printf("11-输出串s3：");DispStr(s3);
printf("12-将串s1和s2连接起来而产生串s4\\n");
s4 = Concat(s1,s2);
printf("13-输出串s4：");DispStr(s4);
return 1;
}
串的模式匹配
BF 算法
Brute-Force(暴力)简称为 BF 算法,也称简单匹配算法,采用穷举方法,其基本思路是从目标串s="s0 …sn-1"的第一个字符开始和模式串t=”t0…tm-1"中的第一个字符比较，若相等,则继续逐个比较后续字符；否则从目标串s的第二个字符开始重新与模式串t的第一个字符进行比较。依此类推,若从模式串s的第i个字符开始,每个字符依次和目标串 t中的对应字符相等,则匹配成功,该算法返回位置 i(表示此时 i的第一个字符在5中出现的下标);否则,匹配失败,即t不是s的子串,算法返回-1(这里为了简便,均使用物理下标)。
代码实现
int BF(SqString s,SqString t)
{///简单匹配算法
int i = 0,j = 0;
while(i<s.length&&j<t.length)
{
if(s.data[i] == t.data[j])
{
i++;
j++;
}
else
{
i = i-j+1;
j = 0;
}
}
if(j>=t.length)
return (i-t.length);
else
return -1;
}
KMP算法
Knuth-Morris-Pratt 字符串查找算法，简称为 “KMP算法”，常用于在一个文本串S内查找一个模式串P 的出现位置，这个算法由Donald Knuth、Vaughan Pratt、James H. Morris三人于1977年联合发表，故取这3人的姓氏命名此算法。
KMP算法并不是很好理解，所以找了一篇解释KMP算法写的比较好的文章
数据结构KMP算法详解
代码实现
求next数组的代码
typedef struct
{
char data[MaxSize];
int length; //串长
} SqString;
//SqString 是串的数据结构
//typedef重命名结构体变量，可以用SqString t定义一个结构体。
void GetNext(SqString t,int next[]) //由模式串t求出next值
{
int j,k;
j=0;k=-1;
next[0]=-1;//第一个字符前无字符串，给值-1
while (j<t.length-1)
//因为next数组中j最大为t.length-1,而每一步next数组赋值都是在j++之后
//所以最后一次经过while循环时j为t.length-2
{
if (k==-1 || t.data[j]==t.data[k]) //k为-1或比较的字符相等时
{
j++;k++;
next[j]=k;
//对应字符匹配情况下，s与t指向同步后移
//通过字符串"aaaaab"求next数组过程想一下这一步的意义
//printf("(1) j=%d,k=%d,next[%d]=%d\\n",j,k,j,k);
}
else
{
k=next[k];
**//我们现在知道next[k]的值代表的是下标为k的字符前面的字符串最长相等前后缀的长度
//也表示该处字符不匹配时应该回溯到的字符的下标
//这个值给k后又进行while循环判断，此时t.data[k]即指最长相等前缀后一个字符**
//为什么要回退此处进行比较，我们往下接着看。其实原理和上面介绍的KMP原理差不多
//printf("(2) k=%d\\n",k);
}
}
}
KMP算法代码
int KMPIndex(SqString s,SqString t) //KMP算法
{
int next[MaxSize],i=0,j=0;
GetNext(t,next);
while (i<s.length && j<t.length)
{
if (j==-1 || s.data[i]==t.data[j])
{
i++;j++; //i,j各增1
}
else j=next[j]; //i不变,j后退，现在知道为什么这样让子串回退了吧
}
if (j>=t.length)
return(i-t.length); //返回匹配模式串的首字符下标
else
return(-1); //返回不匹配标志
}
改进代码
求nextVal
void GetNextval(SqString t,int nextval[])
//由模式串t求出nextval值
{
int j=0,k=-1;
nextval[0]=-1;
while (j<t.length)
{
if (k==-1 || t.data[j]==t.data[k])
{
j++;k++;
if (t.data[j]!=t.data[k])
//这里的t.data[k]是t.data[j]处字符不匹配而会回溯到的字符
//为什么？因为没有这处if判断的话，此处代码是next[j]=k;
//next[j]不就是t.data[j]不匹配时应该回溯到的字符位置嘛
nextval[j]=k;
else
nextval[j]=nextval[k];
//这一个代码含义是不是呼之欲出了？
//此时nextval[j]的值就是就是t.data[j]不匹配时应该回溯到的字符的nextval值
//用较为粗鄙语言表诉：即字符不匹配时回溯两层后对应的字符下标
}
else k=nextval[k];
}
}
修正的KMP算法
int KMPIndex1(SqString s,SqString t)
//修正的KMP算法
//只是next换成了nextval
{
int nextval[MaxSize],i=0,j=0;
GetNextval(t,nextval);
while (i<s.length && j<t.length)
{
if (j==-1 || s.data[i]==t.data[j])
{
i++;j++;
}
else j=nextval[j];
}
if (j>=t.length)
return(i-t.length);
else
return(-1);
}
以上是关于数据结构—串KMP模式匹配算法的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章