动态规划（一）——最长公共子序列和最长公共子串

注：

• 最长公共子序列采用动态规划解决，由于子问题重叠，故采用数组缓存结果，保存最佳取值方向。输出结果时，则自顶向下建立二叉树，自底向上输出，则这过程中没有分叉路，结果唯一。
• 最长公共子串采用参考串方式，逐步比对，若相同则对应参考值自增，同时记录当前时刻最大参考值，及其位置。最后输出多组结果。

源码：lcs.cpp

#include "stdafx.h"
#include <stdio.h>
#include <vector>

/************************************************************************/
/* 最长公共子序列 / 最长公共子串                                        */
/*     lcseq      /     lcstr                                           */
/************************************************************************/

//注意！需要输出多组结果！

int length(char *pstr)
{
    int i;
    i = 0;
    while (*pstr++) i++;
    return i;
}

void print_matrix(int **mat, char *x, char *y, int m0, int n0, int m, int n)
{
    int i, j;
    printf("    ");
    for (j = 0; j < n; j++)
    {
        printf("%-3c", y[j]);
    }
    printf("\n");
    for (i = m0; i < m; i++)
    {
        printf("%-4c", x[i - m0]);
        for (j = n0; j < n; j++)
        {
            printf("%-3d", mat[i][j]);
        }
        printf("\n");
    }
}

/*
 * > 子串是串的一个连续的部分
 * > 子序列则是不改变序列的顺序，而从序列中去掉任意的元素而获得新的序列
 * > 【也就是说，子串中字符的位置必须是连续的，子序列则可以不必连续。】
 */

struct node
{
    int parent;
    char c;
};

//************************************
// Method:    构建二叉树
// FullName:  build_btree
// Access:    public
// Returns:   void
// Qualifier:
// Parameter: char * x 原始字符串X
// Parameter: int * * mat 跟踪矩阵
// Parameter: int m 串X长度
// Parameter: int n 串Y长度
// Parameter: int parent 父结点ID
// Parameter: std::stack<node> & tree 树
//************************************
void build_btree(char *x, int **mat, int m, int n, int parent, std::vector<node>& tree)
{
    if (m == -1 || n == -1)//跟踪到叶子结点，可以打印
    {
        int i;
        for (i = parent; i != -1; i = tree[i].parent)
        {
            char c;
            c = tree[i].c;
            if (c)
            {
                printf("%c", c);
            }
        }
        printf("\n");
        return;
    }
    if (m == 0 && n == 0)//处理左上角结点的情况Z(0,0)
    {
        build_btree(x, mat, -1, -1, parent, tree);
        return;
    }
    int p = mat[m][n];
    if (mat[m][n] == 0)//防止访问重复结点
        return;
    mat[m][n] = 0;
    node newnode;
    newnode.c = '\0';
    newnode.parent = parent;
    tree.push_back(newnode);
    parent = tree.size() - 1;
    switch (p)
    {
    case 1://左上，相同
        tree.back().c = x[m];
        build_btree(x, mat, m, n - 1, parent, tree);
        break;
    case 2://上
        build_btree(x, mat, m - 1, n, parent, tree);
        break;
    case 3://左
        build_btree(x, mat, m, n - 1, parent, tree);
        break;
    case 4://左和上
        build_btree(x, mat, m, n - 1, parent, tree);
        build_btree(x, mat, m - 1, n, parent, tree);
        break;
    default:
        break;
    }
}

//************************************
// Method:    最长公共子序列（DP动态规划）
// FullName:  lcseq
// Access:    public
// Returns:   void
// Qualifier:
// Parameter: char * x
// Parameter: char * y
//************************************
void lcseq(char *x, char *y)
{
    //串x：X[ 0 .. m-1 ] x.length=m
    //串y：Y[ 0 .. n-1 ] y.length=n
    //串z：Z[ 0 .. k-1 ] z.length=k, z = lcseq(x,y)

    //【z是x与y的最长公共子序列】
    //
    //================ 递推方法 ================
    //从最后一位看起：
    //
    // >>> 第一种情况：
    // *     若X[last]==Y[last]，则z[last]=X[last]=Y[last]
    // *     则lcseq(x,y) = lcseq(x-1,y-1) + (x[last] or y[last])
    //
    // >>> 第二种情况：
    // *     若X[last]<>Y[last]，考虑：
    // *     1) 若Z[last]==X[last]，则lcseq(x,y) = lcseq(x,y-1)
    // *     2) 若Z[last]==Y[last]，则lcseq(x,y) = lcseq(x-1,y)
    // *     3) 否则，lcseq(x,y) = max_length{lcseq(x,y-1), lcseq(x-1,y)}
    // *     综合得lcseq(x,y) = max_length{lcseq(x,y-1), lcseq(x-1,y)}
    //
    //图表展示：
    //     ┏━━━━━━━┳━━━━━━━┓
    //     ┃  Z(i-1,j-1)  ┃   Z(i-1,j)   ┃
    //     ┣━━━━━━━╋━━━━━━━┫
    //     ┃  Z(i,j-1)    ┃   Z(i,j)     ┃
    //     ┗━━━━━━━┻━━━━━━━┛
    //
    //================ 总结递推公式 ================
    //     【已知Z(i-1,j-1)、Z(i-1,j)、Z(i,j-1)，求Z(i,j)】
    //     初始：
    //     1) Z(0,0)=0
    //     2) Z(0,~)=0
    //     3) Z(~,0)=0
    //     递推：
    //     1) X[i] == Y[j] ==> Z(i,j) = Z(i-1,j-1) + 1
    //     2) X[i] <> Y[j] ==> Z(i,j) = max{Z(x,y-1), Z(x-1,y)}
    //
    //================ 跟踪输出所有LCS ================
    //由Z(m,n)可以向左上方遍历，所过所有路径即形成二叉树
    //故考虑建立二叉树，实行自叶子向根部的遍历

    int m, n, i, j;
    int **zmat, *zmat0;
    int **pmat, *pmat0;
    std::vector<node> tree;//保存二叉树的数组（栈式存储）
    //计算长度
    m = length(x);
    n = length(y);
    //建立保存Z(i,j)函数值的二维数组，定义域为{(i,j)|i in [0..m] and j in [0..n]}
    zmat = new int*[m + 1];//指针数组
    zmat0 = new int[(m + 1) * (n + 1)];//m+1行n+1列，一维数组建立
    for (i = 0; i <= m; i++) zmat[i] = &zmat0[i * (n+1)];
    for (i = 0; i <= m; i++) zmat[i][0] = 0;//i行0列置0
    for (j = 1; j <= n; j++) zmat[0][j] = 0;//0行j列置0
    //建立跟踪数组，跟踪Z(i,j)的取值方向（第一种情况为左上角取值，第二种情况为上边或左边取值）
    pmat = new int*[m];//指针数组
    pmat0 = new int[m * n];//m行n列，一维数组建立
    for (i = 0; i < m; i++) pmat[i] = &pmat0[i * n];
    //填充剩余的Z数组
    for (i = 1; i <= m; i++)
    {
        for (j = 1; j <= n; j++)//注意i,j范围
        {
            if (x[i - 1] == y[j - 1])//X[i] == Y[j] ==> Z(i,j) = Z(i-1,j-1) + 1
            {
                zmat[i][j] = zmat[i - 1][j - 1] + 1;
                pmat[i - 1][j - 1] = 1;//左上角取值路线
            }
            else//X[i] <> Y[j] ==> Z(i,j) = max{Z(x,y-1), Z(x-1,y)}
            {
                int sub;
                sub = zmat[i - 1][j] - zmat[i][j - 1];
                if (sub >= 0)
                {
                    zmat[i][j] = zmat[i - 1][j];
                    pmat[i - 1][j - 1] = sub == 0 ? 4 : 2;//左或上取值路线
                }
                else
                {
                    zmat[i][j] = zmat[i][j - 1];
                    pmat[i - 1][j - 1] = 3;//左边取值路线
                }
            }
        }
    }
    printf("Z matrix\n");
    print_matrix(zmat, x, y, 1, 1, m + 1, n + 1);
    printf("Trace matrix\n");
    print_matrix(pmat, x, y, 0, 0, m, n);

    //跟踪开始
    node root;
    root.parent = -1;
    root.c = '\0';
    tree.push_back(root);
    printf("------------- Result -------------\n");
    build_btree(x, pmat, m - 1, n - 1, 0, tree);
    //清理工作
    delete[] zmat;
    delete[] zmat0;
    delete[] pmat;
    delete[] pmat0;
}

//************************************
// Method:    最长公共子串（DP动态规划）
// FullName:  lcstr
// Access:    public
// Returns:   void
// Qualifier:
// Parameter: char * x
// Parameter: char * y
//************************************
void lcstr(char *x, char *y)
{
    //以Y作参考串，建立参考数组Z，然后遍历X
    //即：对所有i，存在j，使X[i]==Y[j]，则Z'[j]=Z[j]+1
    //跟踪Z中最大值
    int i, j, m, n, *z, max;
    std::vector<int> str_indexes;//记录符合要求的lcstr起始位置（可能有多个）
    m = length(x);
    n = length(y);//Y作参考串
    z = new int[n + 1];
    for (j = 0; j <= n; j++) z[j] = 0;//初始化
    max = 0;
    printf("    ");
    for (j = 0; j < n; j++)
    {
        printf("%-3c", y[j]);
    }
    printf("\n");
    for (i = 0; i < m; i++)
    {
        char c;
        c = x[i];
        printf("%-4c", c);
        for (j = n - 1; j >= 0; j--)
        {
            if (c == y[j])
            {
                z[j + 1] = z[j] + 1;
                int zj = z[j + 1];
                if (zj > max)
                {
                    max = zj;
                    str_indexes.clear();
                }
                if (zj == max)
                {
                    str_indexes.push_back(j - zj);
                }
            }
            else
            {
                z[j + 1] = 0;
            }
        }
        for (j = 1; j <= n; j++)
        {
            printf("%-3d", z[j]);
        }
        printf("\n");
    }
    printf("------------- Result -------------\n");
    for (auto& v : str_indexes)
    {
        for (j = v; j < max + v; j++)
        {
            printf("%c", y[j]);
        }
        printf("\n");
    }
    delete[] z;
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    char *str1 = "BADCDCBA";
    char *str2 = "ABCDCDAB";
    printf("a: %s\n", str1);
    printf("b: %s\n", str2);
    printf("========= lcseq ==========\n");
    lcseq(str1, str2);
    printf("\n");
    printf("========= lcstr ==========\n");
    lcstr(str1, str2);
    printf("\n");
    return 0;
}