题目:

7-1 串的模式匹配 (30 分)

给定一个主串S(长度<=10^6)和一个模式T(长度<=10^5),要求在主串S中找出与模式T相匹配的子串,返回相匹配的子串中的第一个字符在主串S中出现的位置。

输入格式:

输入有两行: 第一行是主串S; 第二行是模式T.

输出格式:

输出相匹配的子串中的第一个字符在主串S中出现的位置。若匹配失败,输出0.

输入样例:

在这里给出一组输入。例如:

aaaaaba
ba

输出样例:

在这里给出相应的输出。例如:

6

分析:

这里就是在主串里面找是否存在和模式串相等的子串啦,
如果存在就输出该子串在主串中第一个字符的位置,否则输出0。 主要有两种方法: 1.BF算法(在数据量大的时候可能会导致运行超时) 2.KMP算法 这里将采用KMP算法

代码:
#include<iostream>
#include<string.h>
using namespace std; /*在本题中有如例题般屈指可数的字符串,也有10^6如此庞大的数据,
为了避免不必要的空间浪费,笔者决定在输入字符串string s后
化为字符数组 char *s[s.length()] 为此,我还特地查找了string的最大容量:
堆开得足够大,数组的最大长度是可以不断增大的(推测最长的长度为 2^32,也就是4G。)
但编码时有需要注意的地方,采用明文的方式,如果超过65534个字节,可能报编译错误。
*/ char* trans(string str)
{
int size = str.length();
char *s;
s= new char[size];
strcpy(s, str.c_str());
return s;
} void calc_next(string pstring, int *next)
{
next[] = -;//-1表示模式串开头
int j = , k = -;
int p_len = pstring.length();//模式串长度
char *p = trans(pstring);//模式串字符数组 while(j<p_len){//当j尚未指向模式串尾端时
if(k == - || p[j] == p[k]) {
k++;//k指前缀开始下标
j++;//j指后缀开始下标
next[j] = k;//next[]存放已匹配子串中最长前后缀长度
//其中,next[j]表示 p[0]-p[j-1]子串中最长前后缀长度
}else{
k = next[k]; //k回溯到模式串开头
}
}
} int kmp(string sstring, string pstring)
{
int *next = new int[pstring.length()];
calc_next(pstring, next);//得到 next[]数组
char *s = trans(sstring), *p = trans(pstring); //转字符串为字符数组
int i=, j=;
int pos = ; while( i<=sstring.length() || j<=pstring.length()){
if( j == - || s[i] == p[j]){
i++;
j++;
}else{
j = next[j];
/*
①有最长前后缀时:
当主串和模式串在主串s[j]位置(即模式串最长后缀后一位)
不匹配时, s[j]将和 模式串最长前缀后一位比较
②冇最长前后缀时:
j = next[0] == -1;
整个模式串向后移一位
*/
} if(j == pstring.length()){//匹配成功
pos = i-j+;
break;
}
} return pos; } int main()
{
string sstring, pstring;//定义字符串
getline(cin, sstring);//输入字符串
getline(cin, pstring); cout<<kmp(sstring, pstring);
return ; }

2019.04.07  22:08更新

继续查阅资料的时候发现了一个可以优化原始KMP算法的判断条件:

以上图为例

我们的模式串 p[j] 是与主串中 s[i] 不匹配时才开始第一次移位,但是我们发现有一种情况:

模式串中的 p[k] == p[j] ,p[j] != s[i] ;由此我们可以知道 p[k] != s[i] ,那么这时我们需要进行第二次移位。

针对上述情况,不妨在第一次移位前增加一个判断条件,即当  p[j] == p[k] 时令 next[j] = next[k] ,如此便可一步到位,优化算法。

部分代码更改如下:

    while(j<p_len){//当j尚未指向模式串尾端时
if(k == - || p[j] == p[k]) {
k++;//k指前缀开始下标
j++;//j指后缀开始下标
if(p[j] == p[k]){
next[j] = next[k];
}else{
next[j] = k;//next[]存放已匹配子串中最长前后缀长度
//其中,next[j]表示 p[0]-p[j-1]子串中最长前后缀长度
} }else{
k = next[k]; //k回溯到模式串开头
}
}

编程中遇到的困难:

1.KMP算法相对于BF算法或者时其他算法来说更为抽象,没有办法很好地从利用该算法的目的、优势、所需操作方法等内容正向理解。
需要从KMP核心原理入手才能够感悟到数据结构之美。 2.值得注意的一点是(部分博客没有说清楚)我们所求的最长前后缀是在已经匹配的模式串子串中,而非整个模式串,更非主串。

总结:

  在实际的应用上,BF算法相对于KMP算法来说使用可能更为方便、简洁,实操性更强。但是KMP算法的意义在于,这是人类第一次发现
串的模式匹配问题能够以线性模式来简化。在KMP的学习上,与其说是学会了一种数据结构,不妨说是与自己来了一场头脑风暴。当然,
生命不息,进步不止,在查阅KMP资料的时候,后人对于一开始的版本也进行了更多的优化,不断完善。 时间复杂度 空间复杂度
BF算法 O(n*m) O(1)
KMP算法 O(n+m) O(m)
注:n为主串长度,m为模式串长度。KMP算法牺牲了一定的空间换取时间上的简化。
解析:KMP算法的时间复杂度由匹配的时间复杂度O(n)+求next数组的时间复杂度O(m)求得
空间复杂度为辅助数组next[m]求得

参考资料:

1.百度百科 https://baike.baidu.com/item/kmp%E7%AE%97%E6%B3%95/10951804?fr=aladdin

2.https://blog.csdn.net/x__1998/article/details/79951598

3.《数据结构(c语言版)》李云清等编著


以上仅为自己的一些拙见,如有不正确的地方欢迎指出。

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