【KMP算法】

BF算法

KMP算法

BF算法

F算法，即暴力(Brute Force)算法，是普通的模式匹配算法，BF算法的思想就是将目标串S的第一个字符与模式串T的第一个字符进行匹配，若相等，则继续比较S的第二个字符和 T的第二个字符；若不相等，则比较S的第二个字符和T的第一个字符，依次比较下去，直到得出最后的匹配结果。BF算法是一种蛮力算法。 ----这段话来自百度百科。
这段话晦涩难懂，需要例子支持。下面我们就通过例子来解释这个问题。
假定我们给出字符串 ”ababcabcdabcde”作为主串，然后给出子串： ”abcd”,现在我们需要查找子串是否在主串中出现，出现返回主串中的第一个匹配的下标，失败返回-1 ;

只要在匹配的过程当中，匹配失败，那么：i回退到刚刚位置的下一个,j回退到0下标重新开始。

对应C代码：

/**
Author：高博
Date：2021-08-02 21:54
str:主串
sub:子串
*/
int BF(char *str,char *sub)
{
assert(str != NULL && sub != NULL);
if(str == NULL || sub == NULL)
{
return -1;
}
int i = 0;
int j = 0;
int strLen = strlen(str);
int subLen = strlen(sub);
while(i < strLen && j < subLen)
{
if(str[i] == sub[j])
{
i++;
j++;
}
else
{
//回退
i = i-j+1;
j = 0;
}
}
if(j >= subLen)
{
return i-j;
}
return -1;
}
int main()
{
printf("%d\n",BF("ababcabcdabcde","abcd"));
printf("%d\n",BF("ababcabcdabcde","abcde"));
printf("%d\n",BF("ababcabcdabcde","abcdef"));
return 0;
}

对应java代码：

/**
* Created by GAOBO
* Description:
* User: GAOBO
* Date: 2021-08-02
* Time: 22:05
*/
public class Test {
public static int BF(String str,String sub) {
if(str == null || sub == null) return -1;
int strLen = str.length();
int subLen = sub.length();
int i = 0;
int j = 0;
while (i < strLen && j < subLen) {
if(str.charAt(i) == sub.charAt(j)) {
i++;
j++;
}else {
i = i-j+1;
j = 0;
}
}
if(j >= subLen) {
return i-j;
}
return -1;
}
public static void main(String[] args) {
System.out.println(BF("ababcabcdabcde","abcd"));
System.out.println(BF("ababcabcdabcde","abcde"));
System.out.println(BF("ababcabcdabcde","abcdef"));
}
}

时间复杂度分析：最坏为O(m*n); m是主串长度，n是子串长度

KMP算法

KMP算法是一种改进的字符串匹配算法，由D.E.Knuth，J.H.Morris和V.R.Pratt提出的，因此人们称它为克努特—莫里斯—普拉特操作（简称KMP算法）。KMP算法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。具体实现就是通过一个next()函数实现，函数本身包含了模式串的局部匹配信息。KMP算法的时间复杂度O(m+n) [1] 。来自-------百度百科。
区别：KMP 和 BF 唯一不一样的地方在，我主串的 i 并不会回退，并且 j 也不会移动到 0 号位置
1 .首先举例，为什么主串不回退？

2 .j的回退位置

引出next数组
KMP 的精髓就是 next 数组：也就是用 next[j] = k;来表示，不同的 j 来对应一个 K 值，这个 K 就是你将来要移动的 j要移动的位置。
而 K 的值是这样求的：

1、规则：找到匹配成功部分的两个相等的真子串（不包含本身），一个以下标 0 字符开始，另一个以 j-1 下标字符结尾。
2、不管什么数据 next[0] = -1;next[1] = 0;在这里，我们以下标来开始，而说到的第几个第几个是从 1 开始；

求next数组的练习：

练习 1：举例对于”ababcabcdabcde”，求其的 next 数组？
-1 0 0 1 2 0 1 2 0 0 1 2 0 0
练习 2：再对”abcabcabcabcdabcde

”,求其的 next 数组？ "
-1 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 0
到这里大家对如何求next数组应该问题不大了，接下来的问题就是，已知next[i] = k;怎么求next[i+1] = ?如果我们能够通过 next[i]的值,通过一系列转换得到 next[i+1]得值，那么我们就能够实现这部分。
那该怎么做呢？
首先假设： next[i] = k 成立，那么，就有这个式子成立： P0...Pk-1 = Px...Pi-1;得到： P0...Pk-1 = Pi-k..Pi-1;到这一步：我们再假设如果 Pk = Pi;我们可以得到 P0...Pk = Pi-k..Pi;那这个就是 next[i+1] = k+1;

那么： Pk != Pi 呢？
看如下实例：

c语言代码：

void GetNext(int *next,const char *sub)
{
int lensub = strlen(sub);
next[0] = -1;
next[1] = 0;
int i = 2;//下一项
int k = 0;//前一项的K
while(i < lensub)//next数组还没有遍历完
{
if((k == -1) || sub[k] == sub[i-1])//
{
next[i] = k+1;
i++;
k++;//k = k+1???//下一个K的值新的K值
}
else
{
k = next[k];
}
}
}
int KMP(const char *s,const char *sub,int pos)
{
int i = pos;
int j = 0;
int lens = strlen(s);
int lensub = strlen(sub);
int *next = (int *)malloc(lensub*sizeof(int));//和子串一样长assert(next != NULL);
GetNext(next,sub);
while(i < lens && j < lensub)
{
if((j == -1) || (s[i] == sub[j]))
{
i++;
j++;
}
else
{
j = next[j];
}
}
free(next);
if(j >= lensub)
{
return i-j;
}
else
{
return -1;
}
}
int main()
{
char *str = "ababcabcdabcde";
char *sub = "abcd";
printf("%d\n",KMP(str,sub,0));
return 0;
}

java算法代码：

public static void getNext(int[] next, String sub){
next[0] = -1;
next[1] = 0;
int i = 2;//下一项
int k = 0;//前一项的K
while(i < sub.length()){//next数组还没有遍历完
if((k == -1) || sub.charAt(k) == sub.charAt(i-1)) {
next[i] = k+1;
i++;
k++;
}else{
k = next[k];
}
}
}
public static int KMP(String s,String sub,int pos) {
int i = pos;
int j = 0;
int lens = s.length();
int lensub = sub.length();
int[] next= new int[sub.length()];
getNext(next,sub);
while(i < lens && j < lensub){
if((j == -1) || (s.charAt(i) == sub.charAt(j))){
i++;
j++;
}else{
j = next[j];
}
}
if(j >= lensub) {
return i-j;
}else {
return -1;
}
}
public static void main(String[] args) {
System.out.println(KMP("ababcabcdabcde","abcd",0));
System.out.println(KMP("ababcabcdabcde","abcde",0));
System.out.println(KMP("ababcabcdabcde","abcdef",0));
}

next数组的优化

next 数组的优化，即如何得到 nextval 数组：有如下串： aaaaaaaab,他的 next 数组是-1,0,1,2,3,4,5,6,7.而修正后的数组 nextval 是：
-1， -1， -1， -1， -1， -1， -1， -1， 7。为什么出现修正后的数组，假设在 5 号处失败了，那退一步还是a，还是相等，接着退还是 a。
练习：模式串 t=‘abcaabbcabcaabdab’ ，该模式串的 next 数组的值为（ D ）， nextval 数组的值为（F）。
A． 0 1 1 1 2 2 1 1 1 2 3 4 5 6 7 1 2 B． 0 1 1 1 2 1 2 1 1 2 3 4 5 6 1 1 2
C． 0 1 1 1 0 0 1 3 1 0 1 1 0 0 7 0 1 D． 0 1 1 1 2 2 3 1 1 2 3 4 5 6 7 1 2
E． 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 7 0 1 F． 0 1 1 0 2 1 3 1 0 1 1 0 2 1 7 0 1