关于KMP算法的一些个人理解

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KMP 算法其实理解起来也不难,只不过很多过于公式化的讲解以及太过晦涩的说法会让人一头雾水;
KMP 算法主要是判断一个字符串是否是另一个字符串的字串;对于这两个字符串,在算法描述中有固定的称谓:我们把最长的字符串称为 text,需要判定的子串称为模式 pattern;
对于这个问题,其实最容易想到的就是暴力枚举:即 text 字符串逐个字符判定,若当前第 i 字符和 pattern 首字符一样,进行 pattern 第二位的判定,如果中间有一个字符不同,则结束本轮判断,重新判断第 i + 1 个字符;该方法会达到 O(m*n) 级别;
而 KMP 算法就是处理该问题的更优算法,复杂度只有 O(m+n);
其实我们可以大致推断出暴力枚举的缺陷点,其根本的问题就是回溯。由于 pattern 字符串有可能会有某些规律,使得我们判断第 i 个字符失败的时候,不用从 i + 1 个开始重新判断,只需要判断 i + k 个,而 KMP 算法就是描述如何进行更优判断;
首先接触 KMP 算法,我们要理解 NEXT 数组,NEXT 数组针对的是 pattern 字符串,描述的是当前字符串的最长的相同前缀和后缀的长度;例如:ababa, 其最长的相同前缀后缀就是 aba,这个自己看一看就很清楚;
而 NEXT 数组保存的就是这些值。NEXT 数组索引是当前 0~i 子字符串的长度,其相应的数组值就是该长度下的相同前后缀的长度 k;
这里其实可以注意一下,由于给出的字符串坐标索引是从 0 开始,所以 k 也可以认为是最长前缀的最后一位的下标;对于这个数组,我们其实可以依次算出来,但是如果用程序化的语言描述,则应该使用递推来进行;具体代码如下:
void getNext(char s[],int len){
int j=-1;
next[0]=-1;
for(int i=1;i<len;i++){
while(j!=-1&&s[i]!=s[j+1]){
j=next[j];
}
if(s[i]==s[j+1]){
j++;
}
next[i]=j;
}
}
对于上述代码,可能有点不清晰,所以讲解一下:首先我们必定是从字符串开头算起,对于一个字符,我们无法计算他的前后缀,所以设置 -1,意为,没有前后缀;后续则从第二个字符进行判断;
首先理解 j,j 就是当前第 i 个字符需要比较的字符,为什么要比较,原因如下;假如出现如下情况:
我们当前 j 指向的是 b,需要比较的 i 指向的是 b,如果这两个相同,则前缀后缀都变成了 abb,其实 j 存在的意义就是判断能否继承之前的前后缀性质,既然 i -1,i- 2 和 j -1,j- 2 一样,都是 ab,那么如果下一位 i 和 j 都一样,那么就是 i,i-1,i- 2 和 j,j-1,j- 2 一样,都为 abb,则后缀前缀都变成 abb;
之前说过,NEXT 的内容代表的是相应长度下的最长前缀长度,因此,在相同的情况下,长度为 i 的串的前缀最大长度就应该是上述代码最后一行的 next[i]=j;
相等情况下很好理解,关键在于不想等情况的理解;自己参阅相关的文献。。。还想破头想了好久,发现不相等的情况其实就是两种情况的一种递归情况:借用该博客下的一张图:
其实说白了,当不相等就是一个向左递归找更小的序列,看能不能使得子序列里能够出现相同的前缀后缀;对于上述可能理解有点困难,可以举一个例子来看:假如有一个字符串 ccacbccace;i 指向 e,j+ 1 指向 b;此时进行判断,不相等;此时 NEXT[j] 就是 ccac 的最长前缀的最后一个索引,也就是 1,这个时候在进行 j + 1 和 i 的判断;为什么要这样,原因在于根本来说,因为出去 i 和 j,前缀和后缀相等,所以判断前缀 ccac 也就相当于判断后缀 ccac,所以前缀 ccac 的第一个需要判断的 c,该字符串的后缀也必定有;
当然,当时自己想到了另一种情况试图推翻,但是这种情况也无需考虑;例如:ccabd, 那么此时 d 前面不就和前缀不相同了?其实这种情况不可能出现,因为前面 j 指向第二个 c,所以比较的仍然是第一个元素;
所以总的来说,这就是一个递归向前的求更小前缀长度的操作。一旦向前得到的子序列有相同前缀和后缀,则第 i 个元素之前的后缀必定和该求得的前缀相同。否则,只能比较第一个元素,不可能得到更小的相同前缀后缀;
所以,next 数组求解就很简单;
接下来就是KMP算法,该算法就是利用 NEXT 函数求解;说到底 KMP 算法就是利用 pattern 的前后缀来进行操作的。
如上所示::如果 D 和空格不匹配,此时由于 ABCDAB 有相同的前后缀所以替换的时候就把前缀和后缀重合,从而移动了 j -next[j] 个距离,从而到达以下位置:

所以也不难,主要是要怎么理解 Next 数组;相应代码如下所示:
bool KMP(char text[],char pattern[]){
int n=strlen(text),m=strlen(pattern);
getNext(pattern,m);
int j=-1;
for(int i=0;i<n;i++){
while(j!=-1&&text[i]!=pattern[j+1]){
j=next[j];
}
if(text[i]==pattern[j+1]){
j++;
}
if(j==m-1){
return;
}
}
return false;
}
如果需要重复计数:
int KMP(char text[],char pattern[]){
int n=strlen(text),m=strlen(pattern);
getNext(pattern,m);
int j=-1;
int ans=0
for(int i=0;i<n;i++){
while(j!=-1&&text[i]!=pattern[j+1]){
j=next[j];
}
if(text[i]==pattern[j+1]){
j++;
}
if(j==m-1){
ans++;
j=next[j];
}
}
return ans;
}

正文完
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