Manacher 算法详解：O(n) 复杂度求最长回文子串

Posted 2022-03-23 synapse7

先预处理下：在每个字符的两边都插入一个特殊的符号，比如abba变成#a#b#b#a#，aba变成 #a#b#a#（因为Manacher算法只能处理奇数长度的字符串）。同时，为了避免数组越界，在字符串开头添加另一特殊符号，比如$#a#b#a#。

以字符串3212343219为例，处理后变成S[] = "$#3#2#1#2#3#4#3#2#1#9#"。
然后用一个数组Len[i]来记录以处理后的字符S[i]为中心的最长回文子串的半长度（包括S[i]）：

 

S   # 3 # 2 # 1 # 2 # 3 # 4 # 3 # 2 # 1 # 9 #
Len 1 2 1 2 1 6 1 2 1 2 1 8 1 2 1 2 1 2 1 2 1

 

（最终的回文子串的长度即为maxLen-1）

 

Manacher算法的核心就在于减少Len[i]的计算量，使得原来O(n^2)的算法优化为O(n)。

下面两幅图的红框中的字符串为当前的右边界下标最大的回文子串，mid为其中心，right为其最右端+1，i'=2*mid-i为i关于mid的对称点。

现要计算Len[i]，若以i'为中心的回文串（黄框）包含在最长回文子串中，则由回文串的对称性，以i为中心的回文串亦在最长回文子串中，即有Len[i]=Len[2*mid-i]

若以i'为中心的回文串（黄框）不包含在最长回文子串中，则以i为中心的回文串的半长度Len[i]=right-i+(之后继续判断的长度)

那么，为什么复杂度是O(n)的呢？

首先，主要影响复杂度的是s[i + len[i]] == s[i - len[i]]这一判断。

由下面的代码可知，当i<right时，我们就用常数的时间计算Len[i]（此时不会执行while中的语句）；当i>=right时，我们就继续判断：while (s[i + len[i]] == s[i - len[i]]) ++len[i]; 结束后，right < i + len[i]为真，更新right值。这样，我们至多进行n次s[i + len[i]] == s[i - len[i]]判断，故复杂度为O(n)。

 

完整代码：

 

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
const int mx = 10000;

char ss[mx + 5], s[(mx << 1) + 5]; /// ss为源串，s为处理后的字符串
int len[(mx << 1) + 5];

void debug()

	int i;
	for (i = 1; s[i]; ++i) printf("%c ", s[i]);
	puts("");
	for (i = 1; s[i]; ++i) printf("%d ", len[i]);
	puts("");


int main()

	int right, mid, i, maxlen;
	while (gets(ss))
	
		memset(s, 0, sizeof(s));
		s[0] = '$';
		for (i = 0; ss[i]; ++i) s[(i << 1) + 1] = '#', s[(i << 1) + 2] = ss[i];
		s[(i << 1) + 1] = '#';
		memset(len, 0, sizeof(len));
		maxlen = right = mid = 0;
		for (i = 1; s[i]; ++i)
		
			len[i] = (i < right ? min(len[(mid << 1) - i], right - i) : 1);
			/* 取min的原因：记点i关于mid的对称点为i'，
			若以i'为中心的回文串范围超过了以mid为中心的回文串的范围
			(此时有i + len[(mid << 1) - i] >= right，注意len是包括中心的半长度)
			则len[i]应取right - i(总不能超过边界吧) */
			while (s[i + len[i]] == s[i - len[i]]) ++len[i];
			maxlen = max(maxlen, len[i]);
			if (right < i + len[i]) mid = i, right = i + len[i];
		
		printf("%d\\n", maxlen - 1);
		debug();
	
	return 0;

 

补充：使用 Manacher 算法后我们得到了一个 len 数组，利用它我们可以在 O(1) 的时间内判断该字符串的任意子串是不是回文串，方法如下：

 

 

inline bool Query(int l, int r) /// 判断源串中的某一子串 ss[l...r] 是否为回文串

    return len[l + r + 2] - 1 >= r - l + 1;

 

 

例题：

HDU 3068 最长回文

POJ 3974 Palindrome

 

与 Manacher 算法思想类似的题：CF 359D Pair of Numbers

 

代码：

 

/* 124 ms, 2324 KB */
#include<cstdio>

int a[300005], w[300005];

int main()

	int n, i, l, r, cnt = 0, maxd = 0;
	scanf("%d", &n);
	for (i = 0; i < n; i++) scanf("%d", &a[i]);
	for (i = 0; i < n;)
	
		l = r = i;
		while (l && a[l - 1] % a[i] == 0) l--; // 向左找
		while (r < n - 1 && a[r + 1] % a[i] == 0) r++; // 向右找
		i = r + 1; // 关键，这样做是因为在[l,r]内的数的「边界」不会超过[l,r]（可用反证法思考），同时，每个数被找到的次数不会超过log(a[i])
		r -= l;
		if (r > maxd) cnt = 0, maxd = r;
		if (r == maxd) w[cnt++] = l + 1;
	
	printf("%d %d\\n", cnt, maxd);
	for (i = 0; i < cnt; ++i) printf("%d ", w[i]);
	return 0;