Knuth–Morris–Pratt(KMP)是由三位数学家克努斯、莫里斯、普拉特同时发现,所有人们用三个人的名字来称呼这种算法,KMP是一种改进的字符串匹配算法,它的核心是利用匹配失败后的信息,尽量减少模式串与主串的匹配次数以达到快速匹配的目的。它的时间复杂度是 O(m+n)

字符匹配:给你两个字符串 haystack 和 needle ,请你在 haystack 字符串中找出 needle 字符串的第一个匹配项的下标(下标从 0 开始)。如果 needle 不是 haystack 的一部分,则返回  -1

在介绍KMP算法之前,我们先看一下另一种暴力算法(BF算法)去解字符匹配应该怎么做

 BF算法:时间复杂度O(m*n)

class Solution:
def strStr(self, haystack: str, needle: str) -> int:
#hi是haystack的当前索引
hi = 0
haystackLength = len(haystack)
needleLength = len(needle)
for i in range(haystackLength - needleLength+1):
#每次匹配等于和完整的needle的字符串逐一匹配
if haystack[i:i+needleLength] == needle:
return i
return -1

KMP算法:时间复杂度O(m+n)

KMP构造了一个next列表来对应改位置索引如果匹配失败应该追溯回到什么位置,这样我们讲减少了匹配次数

那么我们如何去构造维护我们的next(最长相同前后缀)

构造方法为:next[i] 对应的下标,为 P[0...i - 1] 的最长公共前缀后缀的长度,令 next[0] = -1。 具体解释如下:

例如对于字符串 abcba:
    前缀:它的前缀包括:a, ab, abc, abcb,不包括本身;
    后缀:它的后缀包括:bcba, cba, ba, a,不包括本身;
    最长公共前缀后缀:abcba 的前缀和后缀中只有 a 是公共部分,字符串 a 的长度为 1

我们通过动态规划来维护next,假设你知道next[0:i-1]位置上所有的回溯值,那么next[i-1]和next[i]相比仅仅多了一个位置,如果这个多的字符可以匹配上,那么next[i]一定等于next[i-1]+1(如下图所示)

那么如果匹配不上呢,匹配不上我们回溯到next[i-1]所需要回溯的位置,直到可以匹配上或到达无法追溯的位置next[0] = -1

    @staticmethod
def same_start_end_str(p):
"""
通过needle串来知道每个索引位置对应的最长前后缀
例如ababa的最长前后缀是aba,前后缀是不和needle等长的最长相同前后缀
"""
next = [-1] * (len(p)+1)
si = -1
ei = 0
pl = len(p)
while ei < pl :
if si == -1 or p[si] == p[ei]:
si += 1
ei += 1
next[ei] = si
else:
#无法匹配上,继续向前追溯
si = next[si] return next

那我们有了next就可以取实现我们KMP算法了,完整代码如下

class Solution:
def strStr(self, haystack: str, needle: str) -> int:
next = self.same_start_end_str(needle)
#hi是haystack当前索引,ni是needle当前索引
hi = ni = 0
hl = len(haystack)
nl = len(needle)
while hi < hl and ni < nl:
if ni == -1 or haystack[hi] == needle[ni]:
hi += 1
ni += 1
else:
ni = next[ni] if ni == nl:
return hi - ni
else:
return -1 @staticmethod
def same_start_end_str(p):
"""
通过needle串来知道每个索引位置对应的最长前后缀
例如ababa的最长前后缀是aba,前后缀是不和needle等长的最长相同前后缀
"""
next = [-1] * (len(p)+1)
si = -1
ei = 0
pl = len(p)
while ei < pl :
if si == -1 or p[si] == p[ei]:
si += 1
ei += 1
next[ei] = si
else:
#无法匹配上,继续向前追溯
si = next[si] return next

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