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KMP算法学习(详解)

kmp算法又称“看毛片”算法,是一个效率非常高的字符串匹配算法。不过由于其难以理解,所以在很长的一段时间内一直没有搞懂。虽然网上有很多资料,但是鲜见好的博客能简单明了地将其讲清楚。在此,综合网上比较好的几个博客(参见最后),尽自己的努力争取将kmp算法思想和实现讲清楚。

kmp算法完成的任务是:给定两个字符串O和f,长度分别为n和m,判断f是否在O中出现,如果出现则返回出现的位置。常规方法是遍历a的每一个位置,然后从该位置开始和b进行匹配,但是这种方法的复杂度是O(nm)。kmp算法通过一个O(m)的预处理,使匹配的复杂度降为O(n+m)。

kmp算法思想

我们首先用一个图来描述kmp算法的思想。在字符串O中寻找f,当匹配到位置i时两个字符串不相等,这时我们需要将字符串f向前移动。常规方法是每次向前移动一位,但是它没有考虑前i-1位已经比较过这个事实,所以效率不高。事实上,如果我们提前计算某些信息,就有可能一次前移多位。假设我们根据已经获得的信息知道可以前移k位,我们分析移位前后的f有什么特点。我们可以得到如下的结论:

  • A段字符串是f的一个前缀。
  • B段字符串是f的一个后缀。
  • A段字符串和B段字符串相等。

所以前移k位之后,可以继续比较位置i的前提是f的前i-1个位置满足:长度为i-k-1的前缀A和后缀B相同。只有这样,我们才可以前移k位后从新的位置继续比较。

所以kmp算法的核心即是计算字符串f每一个位置之前的字符串的前缀和后缀公共部分的最大长度(不包括字符串本身,否则最大长度始终是字符串本身)。获得f每一个位置的最大公共长度之后,就可以利用该最大公共长度快速和字符串O比较。当每次比较到两个字符串的字符不同时,我们就可以根据最大公共长度将字符串f向前移动(已匹配长度-最大公共长度)位,接着继续比较下一个位置。事实上,字符串f的前移只是概念上的前移,只要我们在比较的时候从最大公共长度之后比较f和O即可达到字符串f前移的目的。

next数组计算

理解了kmp算法的基本原理,下一步就是要获得字符串f每一个位置的最大公共长度。这个最大公共长度在算法导论里面被记为next数组。在这里要注意一点,next数组表示的是长度,下标从1开始;但是在遍历原字符串时,下标还是从0开始。假设我们现在已经求得next[1]、next[2]、……next[i],分别表示长度为1到i的字符串的前缀和后缀最大公共长度,现在要求next[i+1]。由上图我们可以看到,如果位置i和位置next[i]处的两个字符相同(下标从零开始),则next[i+1]等于next[i]加1。如果两个位置的字符不相同,我们可以将长度为next[i]的字符串继续分割,获得其最大公共长度next[next[i]],然后再和位置i的字符比较。这是因为长度为next[i]前缀和后缀都可以分割成上部的构造,如果位置next[next[i]]和位置i的字符相同,则next[i+1]就等于next[next[i]]加1。如果不相等,就可以继续分割长度为next[next[i]]的字符串,直到字符串长度为0为止。由此我们可以写出求next数组的代码(Java版):

 1 public int[] getNext(String b)
 2 {
 3     int len=b.length();
 4     int j=0;
 5         
 6     int next[]=new int[len+1];//next表示长度为i的字符串前缀和后缀的最长公共部分,从1开始
 7     next[0]=next[1]=0;
 8         
 9     for(int i=1;i<len;i++)//i表示字符串的下标,从0开始
10     {//j在每次循环开始都表示next[i]的值,同时也表示需要比较的下一个位置
11         while(j>0&&b.charAt(i)!=b.charAt(j))j=next[j];
12         if(b.charAt(i)==b.charAt(j))j++;
13         next[i+1]=j;
14     }
15         
16     return next;
17 }

上述代码需要注意的问题是,我们求取的next数组表示长度为1到m的字符串f前缀的最大公共长度,所以需要多分配一个空间。而在遍历字符串f的时候,还是从下标0开始(位置0和1的next值为0,所以放在循环外面),到m-1为止。代码的结构和上面的讲解一致,都是利用前面的next值去求下一个next值。

字符串匹配

计算完成next数组之后,我们就可以利用next数组在字符串O中寻找字符串f的出现位置。匹配的代码和求next数组的代码非常相似,因为匹配的过程和求next数组的过程其实是一样的。假设现在字符串f的前i个位置都和从某个位置开始的字符串O匹配,现在比较第i+1个位置。如果第i+1个位置相同,接着比较第i+2个位置;如果第i+1个位置不同,则出现不匹配,我们依旧要将长度为i的字符串分割,获得其最大公共长度next[i],然后从next[i]继续比较两个字符串。这个过程和求next数组一致,所以可以匹配代码如下(java版):

 1 public void search(String original, String find, int next[]) {
 2     int j = 0;
 3     for (int i = 0; i < original.length(); i++) {
 4         while (j > 0 && original.charAt(i) != find.charAt(j))
 5             j = next[j];
 6         if (original.charAt(i) == find.charAt(j))
 7             j++;
 8         if (j == find.length()) {
 9             System.out.println("find at position " + (i - j));
10             System.out.println(original.subSequence(i - j + 1, i + 1));
11             j = next[j];
12         }
13     }
14 }

上述代码需要注意的一点是,每次我们得到一个匹配之后都要对j重新赋值。

复杂度

kmp算法的复杂度是O(n+m),可以采用均摊分析来解答,具体可参考算法导论。

参考资料

1.     kmp算法小结

2.     kmp算法详解

3.     kmp算法

4.     kmp算法的理解与实现

开源实现

如果大家想实际用该算法,给大家提供一个实例:java记事本

PS:

最后再给大家补几个图,希望有助于大家理解。

科赫曲线

自身结构重复展开

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