KMP 学习笔记

前言—— \(char\) 与 \(string\)

1. 有的时候 \(char\) 数组确实比 \(string\) 好用，且字符串长度很大时 \(string\) 会被卡掉，所以不要犯懒，老实用 \(char\) ，\(string\) 可以用但是慎用。

2. 同时很多情况下为了方便和减少出错，我们会想办法把字符串的坐标从 \(0\sim len-1\) 变成 \(1\sim len\) ，对于 \(char\) 和 \(string\) 都有办法，但不尽相同。

   • \(char:\)

     cin>>s+1;
     int len=strlen(s+1);
     

   • \(string:\)

     cin>>s;
     s=" "+s;
     int len=s.size()-1;
     

     或

     cin>>s;
     int len=s.size();
     s=" "+s;
     

定义与基本求法

• 定义：

  用于匹配两字符串时的大幅度优化、\(border\) 问题、模式串在主串出现的次数以及位置等一系列问题，应用广泛，下面会依次解释。

  • \(|s|:\) 字符串 \(s\) 的长度。

    \(sub(l,r):\) 区间 \((l,r)\) 子串的长度。

  • \(pre(s,i):\) \(s\) 长度为 \(r\) 的前缀。

    \(suf(s,i):\) \(s\) 长度为 \(r\) 的后缀。

  • \(border\)：（经常应用 \(border\) 的性质 ）

    若 \(0\leq r<|s|,pre(s,r)=suf(s,r)\) ，则称 \(pre(s,r)\) 为 \(border\) 。

    \(eg:\) \(abababab\) 中 \(ab,abab,ababab\) 均为其 \(border\) 。其中前后缀追均为严格意义上，长度小于总串长度的前后缀。

  • \(next\) 数组：（重中之重）

    1. 又名前缀表， \(next[i]\) 表示 \(pre(s,i)\) 的最长 \(border\) 长度。（基本定义）

    2. \(next[i]\) 表示两字符进行匹配，到该元素匹配失败时，重新匹配调到的位置，避免从 \(0\) 开始重新匹配。故此 \(next[i]\) 作为 \(i\) 的备选存在。

    3. \(pre(s,next[i])\) 一定是 \(pre(s,i)\) 的 \(border\) ；由此，\(pre(s,next[n])\) 一定是 \(s\) 的 \(border\) （ \(n\) 表示 \(s\) 的长度 ）。

       以上均可以根据其基本定义和 \(border\) 的性质得出。

• 基本求法：

  1. 和自己匹配——求 \(next[i]\)

     解决模式串匹配主串问题时，需要先处理出模式窜的 \(next\) 数组。

     顾名思义，就是和自己匹配.

     先定义一个 \(i,j\) ，先用 \(s_{j+1}\) 区匹配 \(s_i\) 。\(i\) 从 \(2\) 开始, \(j\) 从 \(0\) 开始。因为 \(next[1]\) 显然 \(=0\) 。

     若当前匹配失败且 \(j\neq 0\) ，根据 \(next[j]\) 的基本定义，作为 \(j\) 的备选，另 \(j\) 不断跳 \(next[j]\) ，直到 \(s_i=s_{j+1}\) ，那么此时匹配成功，\(j++,next[i]=j\) 。如果一直跳到 \(j=0\) 还不能满足，便是匹配不上了，当前 \(next[i]=0\) 。

     明确一个问题，在不断跳 \(j=next[j]\) 的过程中，跳到 \(s_{j+1}=s_i\) 时，此时得到的这个 \(pre(s,j)\) 必定是 \(pre(s,i-1)\) 的 \(border\) ，现在又满足 \(s_{j+1}=s[i]\) ,那么 \(pre(s,j+1)\) 就成了 \(pre(s,i)\) 的 \(border\) ，且一定是最长的 \(border\) ，即 \(next[i]\) 。

     通过上述方式从前往后枚举 \(i\)，枚举到 \(i+1\) 时， \(j\) 原先值保留，此时 \(j=next[i-1]\) ，从而方便继续向前跳和接下来的步骤，这里需详细理解一下上一段文字。

     打个比方，如 \(aabaaf\) ：

     1. \(a\) ，显然 \(next[1]=0\) 。
     2. \(aa\) ，\(s_{0+1}=s_2,j=1,next[2]=1\) 。
     3. \(aab\) ，\(s_{1+1}\neq s_3\)，不断往前跳 \(j=next[j]\) ，始终不存在 \(s_{j+1}=s_3\) ，故 \(next[3]=0\) 。
     4. \(aaba\) ，现在经历过上一步的跳 \(next\) 使 \(j=0\) ，\(s_{0+1}=s_4\) ，故 \(j=1,next[4]=1\) 。
     5. \(aabaa\) ，\(s_{1+1}=s_5,j=2,next[5]=2\) 。
     6. \(aabaaf\) ，\(s_{2+1}\neq s_6\) ，不断向前跳 \(j=next[j]\) ，和第三次操作一样，始终不满足 \(s_{j+1}=s_6\) ，故 \(j=0,next[6]=0\) 。

     也就得到了该串的 \(next\) 数组，即前缀表，同时表示 \(pre(s,i)\) 的最长 \(border\) 长度 ：

     

     • 代码如下：

       void kmp()
       {
           int j=0,l=strlen(s+1);
           for(int i=2;i<=l;i++)
           {
               while(j&&s[j+1]!=s[i]) j=nxt[j];
               if(s[i]==s[j+1]) j++;
               nxt[i]=j;
           }
       }
       

  2. 和主串匹配

     在此带入一道例题的情景，当然 \(kmp\) 的作用还有好多，下面的例题中还会有一定涉及。主串 \(s\) ，模式串 \(t\) 。

     

     现已经将模式串的 \(next\) 处理出来，那么匹配主串就是轻而易举的了。

     先来看一下暴力是怎么匹配的：

     

     可以看的出，每次匹配失败后，就从头开始重新匹配。

     但使用 \(kmp\) 遍不用这样。

     依旧是上述的 \(i,j\) ，当匹配 \(s_i\) 和 \(t_{j+1}\) 时，如果匹配失败， 遍不断往前跳 \(next\) 直至可以匹配，思路和打法几乎和求 \(next\) 是完全一样的。

     如上面的例子，采用 \(kpm\) 就可以：

     

     而不必从头开始。

     那么这道题要求出现的次数，那么每次 \(j\) 匹配到 \(m\) 时，也就表示模式串匹配完一遍了，记录答案 \(ans++\) ，另 \(j=nxt[m]\) 继续匹配即可。（ \(m\) 表示模式串的长度 ）。

     • 代码如下：

       int ask(string s,string t)
       {
           int j=0,n=s.size()-1,m=t.size()-1,ans=0;
           for(int i=1;i<=n;i++)
           {
               while(j&&t[j+1]!=s[i]) j=nxt[j];
               if(s[i]==t[j+1]) j++;
               if(j==m) ans++,j=nxt[j];
           }
           return ans;
       }
       

  3. 子串周期循环问题。

     该问题下面的例题中会有详细描述，需要注重理解好 \(next\) 和 \(border\) 的含义。

• 关于复杂度

  玄学玩意，虽然有个 \(while\) 但最多执行 \(n\) 次，最后还是 \(O(n)\)

  看一下课件吧：

  

例题

\(OKR-Periods of Words\)

• 题目链接

• 题面：

  对于一个串 \(s\) ，存在一个子串（长度小于主串）周期，例如 \(ab,abab,ababab\) 均为 \(abababab\) 的周期，其中 \(ababab\) 为最长周期，而 \(abc\) 没有周期，则最长周期长度为 \(0\) 。给定一个字符串 \(s\) ，求其所有前缀的最大周期长度之和。

• 解法：

  先来看一张图：

  

  也就完美的解释了这道题，这样的话就不断跳 \(next[i]\) ，使得到 \(>0\) 的最小的一个 \(next\) 设其为 \(j\) ，\(ans+=j\) 即可，当然如果他的 \(next\) 最大就是 \(0\) 了，\(ans+=0\) 。

• 代码如下：

  #include<bits/stdc++.h>
  #define int unsigned long long
  #define endl '\n'
  using namespace std;
  const int N=1e6+10,P=1e9+7;
  template<typename Tp> inline void read(Tp&x)
  {
      x=0;register bool z=1;
      register char c=getchar();
      for(;c<'0'||c>'9';c=getchar()) if(c=='-') z=0;
      for(;'0'<=c&&c<='9';c=getchar()) x=(x<<1)+(x<<3)+(c^48);
      x=(z?x:~x+1);
  }
  int n,ans,nxt[N];
  char s[N];
  void kmp()
  {
      int j=0,l=strlen(s+1);
      for(int i=2;i<=l;i++)
      {
          while(j&&s[j+1]!=s[i]) j=nxt[j];
          if(s[i]==s[j+1]) j++;
          nxt[i]=j;
      }
  }
  signed main()
  {
      #ifndef ONLINE_JUDGE
      freopen("in.txt","r",stdin);
      freopen("out.txt","w",stdout);
      #endif
      read(n);
      cin>>(s+1);
      kmp();
      for(int i=2;i<=n;i++)
      {
          int j=i;
          while(nxt[j]) j=nxt[j];
          if(nxt[i]) nxt[i]=j;
          ans+=i-j;
      }
      cout<<ans;
  }
  

• 扩展：如果求最小周期呢？

  根据上面的题不难相出，改成最大的 \(next\) 就可以了，其实就是直接的 \(next[i]\) 。然后 \(ans+=i-next[i]\) 即可，似乎更简单一点，但我们仍应该证明一下。

  

  其实也就是这道题：Radio Transmission

  • 代码如下：

    #include<bits/stdc++.h>
    #define int long long
    #define endl '\n'
    using namespace std;
    const int N=1e6+10,P=1e9+7;
    template<typename Tp> inline void read(Tp&x)
    {
        x=0;register bool z=1;
        register char c=getchar();
        for(;c<'0'||c>'9';c=getchar()) if(c=='-') z=0;
        for(;'0'<=c&&c<='9';c=getchar()) x=(x<<1)+(x<<3)+(c^48);
        x=(z?x:~x+1);
    }
    int n,nxt[N];
    string s;
    void kmp(string s)
    {
        int j=0;
        for(int i=2;i<=n;i++)
        {
            while(j&&s[j+1]!=s[i]) j=nxt[j];
            if(s[i]==s[j+1]) j++;
            nxt[i]=j;
        }
    }
    signed main()
    {
        #ifndef ONLINE_JUDGE
        freopen("in.txt","r",stdin);
        freopen("out.txt","w",stdout);
        #endif
        read(n);
        cin>>s;
        s=" "+s;
        kmp(s);
        cout<<n-nxt[n];
    }
    

动物园

• 题目链接

• 题面：

  给定一字符串 \(s\) ，求其每一个前缀的长度 \(<\dfrac{len}{2}\) 的 \(border\) 的个数。（ \(len\) 指该前缀的长度 ）

• 解法：

  在此处换一种想法，不一定非要求自身的个数，对于一个 \(s_i\) ，我们求其后面可能出现的 \(s_j\) 的 \(num\) ，此处 \(s_j\) 可以通过跳 \(next\) 跳到 \(s_i\) 的位置，且 \(i\) 为其跳 \(next\) 过程中第一个 \(<\dfrac{j}{2}\) 的位置。

  可能听起来不太好理解，就比方说，我现在是 \(s_i\) ，那么我的后面将有一个 \(s_j\) 需要我，那么我将要给 \(s_j\) 贡献多少的 \(num\) 。

  不同于题面，重新定义 \(num_i\) 表示 \(s_i\) 将为 \(s_j\) 贡献的值，继续上面的情景，既然我是他跳 \(next\) 跳过来的，那么我一定能和他的后缀构成 \(border\) ，那么到我这里，他将继续向前跳一直到 \(0\) ，那么此时他往前继续跳的 \(next\) 也一定是我的 \(next\) ，既然到我这里已经 \(<\dfrac{j}{2}\) 了，那么我前面的一定也满足，我不妨将我前面 \(next\) 的数量算上我自己一起给他，这样他就不用费劲的向前跳了。（就不会 \(TLE\) 了）

  看到这里好像发现了，就是对于每一个长度为 \(j\) 的前缀，他不断跳 \(next\) ，当他跳到 \(<\dfrac{j}{2}\) 时，再往前跳多少步跳到 \(0\) ，就是他的 \(ans\) 值，把这些 \(ans\) 加起来就是最后要求的值。

  那么思考上面的情景，每一个 \(s_i\) 他的 \(num_i\) 就是他不断往前跳 \(next\) 跳多少次到 \(0\) 。又发现 \(num_i=num_{next[i]}+1\) ，于是可以线性求，在处理 \(next\) 数组时可以顺便求出来。

• 代码如下：

  #include<bits/stdc++.h>
  #define int unsigned long long
  #define endl '\n'
  using namespace std;
  const int N=1e6+10,P=1e9+7;
  template<typename Tp> inline void read(Tp&x)
  {
      x=0;register bool z=1;
      register char c=getchar();
      for(;c<'0'||c>'9';c=getchar()) if(c=='-') z=0;
      for(;'0'<=c&&c<='9';c=getchar()) x=(x<<1)+(x<<3)+(c^48);
      x=(z?x:~x+1);
  }
  int n,nxt[N],num[N];
  char s[N];
  void kmp()
  {
      int j=0,l=strlen(s+1);
      num[1]=1;
      for(int i=2;i<=l;i++)
      {
          while(j&&s[j+1]!=s[i]) j=nxt[j];
          if(s[j+1]==s[i]) j++;
          nxt[i]=j;
          num[i]=num[j]+1;
      }
  }
  int ask()
  {
      int j=0,l=strlen(s+1),ans=1;
      for(int i=2;i<=l;i++)
      {
          while(j&&s[j+1]!=s[i]) j=nxt[j];
          if(s[j+1]==s[i]) j++;
          while(j>(i/2)) j=nxt[j];
          ans=ans*(num[j]+1)%P;
      }
      return ans;
  }
  signed main()
  {
      #ifndef ONLINE_JUDGE
      freopen("in.txt","r",stdin);
      freopen("out.txt","w",stdout);
      #endif
      read(n);
      while(n--)
      {
          memset(nxt,0,sizeof(nxt));
          cin>>s+1;
          kmp();
          cout<<ask()<<endl;
      }
  }
  

剪花布条

• 剪花布条

• 题面：

  和模式串与主串的匹配十分类似，不同的是每个匹配不可重叠：

  \(eg:\) \(aaaa\) 直接匹配 \(aa\) 应是 \(3\) 个，但此处顾名思义 “剪”，所以只能剪出来 \(2\) 个。

• 解法：

  与基本求法中的匹配十分相似，只需要在匹配完一遍后不让 \(j=next[j]\) ，而是让 \(j=0\) 即可。

• 代码如下：

  #include<bits/stdc++.h>
  #define int long long
  #define endl '\n'
  using namespace std;
  const int N=1e6+10,P=1e9+7;
  template<typename Tp> inline void read(Tp&x)
  {
      x=0;register bool z=1;
      register char c=getchar();
      for(;c<'0'||c>'9';c=getchar()) if(c=='-') z=0;
      for(;'0'<=c&&c<='9';c=getchar()) x=(x<<1)+(x<<3)+(c^48);
      x=(z?x:~x+1);
  }
  void wt(int x){if(x>9)wt(x/10);putchar((x%10)+'0');}
  void write(int x){if(x<0)putchar('-'),x=~x+1;wt(x);}
  string s,t;
  int n,m,nxt[N],ans,j;
  signed main()
  {
      #ifndef ONLINE_JUDGE
      freopen("in.txt","r",stdin);
      freopen("out.txt","w",stdout);
      #endif
      while(1)
      {
          //memset(nxt,0,sizeof(nxt));
          cin>>s;
          n=s.size();
          if(s=="#"&&n==1) return 0;
          cin>>t;
          m=t.size();
          s=" "+s,t=" "+t;
          j=0;
          for(int i=2;i<=m;i++)
          {
              while(j&&t[j+1]!=t[i]) j=nxt[j];
              if(t[i]==t[j+1]) j++;
              nxt[i]=j;
          }
          j=0,ans=0;
          for(int i=1;i<=n;i++)
          {
              while(j&&t[j+1]!=s[i]) j=nxt[j];
              if(t[j+1]==s[i]) j++;
              if(j==m) ans++,j=0;
          }
          write(ans);
          puts("");
      }
  }
  

• 教训：

  关于此题有一个深痛教训，对于 \(next\) 数组，即使多测，每一次也都会重新处理每个 \(next\) 的值，不必清空，而由于我多次 \(memset\) 导致常数过大多次超时。

  所以：\(kmp\) 题目中，不必对 \(next\) 数组 \(memset\) 。

  

总结

当时课件讲 \(kmp\) 时，那个直播的学长讲的实在难平，根本不知道在说什么，所以利用其他网站和各种途径去学。写完 \(oj\) 上少有的几道 \(kmp\) 后，这里面甚至有好几道是用哈希水过的，所以感觉掌握实在不扎实，就去 \(loj\) 上刷了一些，感觉差不多真正理解了，于是决定写一篇博客加深一下理解，防止只会搞板子，要知道板子是怎么来的。在写博客的过程中也是思考了一段时间，才搞明白到底为什么这么写，比如动物园这道题，打完一直感觉有几点是错的不知为何能过，写完博客后终于是说服了自己。\(next\) 数组的处理过程值最不容易理解的，在打这一部分的时候也是费解了好久的，发现课件讲得实在不明白后去自己理解，上网上找动图。同时上面的图除了那个动图其他基本都是自己画的，比如周期那两道，用图来理解非常的好。\(kmp\) 的做法还有很多，不能局限于匹配，在处理 \(next\) 过程中。可以处理处很多别的东西，同时在查询过程中也是可以修改 \(next\) 的，用于减少时间复杂度，仔细看周期那题的代码可以发现。最重要的，熟练掌握 \(next\) 和 \(border\) 的各种含义与应用。