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KMP字符串匹配算法

时间:2016-05-08 06:47:17      阅读:282      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

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1、字符串匹配是计算机的基本任务之一。

2、举例来说,有一个字符串”BBC ABCDAB ABCDABCDABDE”,我想知道,里面是否包含另一个字符串”ABCDABD”?许多算法可以完成这个任务,Knuth-Morris-Pratt 算法(简称 KMP)是最常用的之一。

3、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同时发现,因此人们称它为克努特——莫里斯——普拉特操作(简称KMP算法)。

4、KMP算法的关键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。

5、具体实现就是实现一个next()函数,函数本身包含了模式串的局部匹配信息。

下面来举一个比较流行易懂的例子;
1.
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首先,字符串”BBC ABCDAB ABCDABCDABDE”的第一个字符与搜索词”ABCDABD”的第一个字符,进行比较。因为B与A不匹配,所以搜索词后移一位。

2.
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因为B与A不匹配,搜索词再往后移。

3.
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就这样,直到字符串有一个字符,与搜索词的第一个字符相同为止。

4.
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接着比较字符串和搜索词的下一个字符,还是相同。

5.
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直到字符串有一个字符,与搜索词对应的字符不相同为止。

6.
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这时,最自然的反应是,将搜索词整个后移一位,再从头逐个比较。这样做虽然可行,但是效率很差,因为你要把”搜索位置”移到已经比较过的位置,重比一遍。

7.
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一个基本事实是,当空格与D不匹配时,你其实知道前面六个字符是”ABCDAB”。KMP算法的想法是,设法利用这个已知信息,不要把”搜索位置”移回已经比较过的位置,继续把它向后移,这样就提高了效率。

8.
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怎么做到这一点呢?可以针对搜索词,算出一张《部分匹配表》(Partial Match Table)。这张表是如何产生的,后面再介绍,这里只要会用就可以了。

9.
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已知空格与D不匹配时,前面六个字符”ABCDAB”是匹配的。查表可知,最后一个匹配字符B对应的”部分匹配值”为2,因此按照下面的公式算出向后移动的位数:
  移动位数 = 已匹配的字符数 - 对应的部分匹配值
因为 6 - 2 等于4,所以将搜索词向后移动4位。

10.
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因为空格与C不匹配,搜索词还要继续往后移。这时,已匹配的字符数为2(”AB”),对应的”部分匹配值”为0。所以,移动位数 = 2 - 0,结果为 2,于是将搜索词向后移2位。

11.
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因为空格与A不匹配,继续后移一位。

12.
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逐位比较,直到发现C与D不匹配。于是,移动位数 = 6 - 2,继续将搜索词向后移动4位。

13.
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逐位比较,直到搜索词的最后一位,发现完全匹配,于是搜索完成。如果还要继续搜索(即找出全部匹配),移动位数 = 7 - 0,再将搜索词向后移动7位,这里就不再重复了。

14.
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下面介绍《部分匹配表》是如何产生的。
首先,要了解两个概念:”前缀”和”后缀”。 “前缀”指除了最后一个字符以外,一个字符串的全部头部组合;”后缀”指除了第一个字符以外,一个字符串的全部尾部组合。

15.
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“部分匹配值”就是”前缀”和”后缀”的最长的共有元素的长度。以”ABCDABD”为例,
- “A”的前缀和后缀都为空集,共有元素的长度为0;
- “AB”的前缀为[A],后缀为[B],共有元素的长度为0;
- “ABC”的前缀为[A, AB],后缀为[BC, C],共有元素的长度0;
- “ABCD”的前缀为[A, AB, ABC],后缀为[BCD, CD, D],共有元素的长度为0;
- “ABCDA”的前缀为[A, AB, ABC, ABCD],后缀为[BCDA, CDA, DA, A],共有元素为”A”,长度为1;
- “ABCDAB”的前缀为[A, AB, ABC, ABCD, ABCDA],后缀[BCDAB, CDAB, DAB, AB, B],共有元素为”AB”,长度为2;
- “ABCDABD”的前缀为[A, AB, ABC, ABCD, ABCDA, ABCDAB],后缀为[BCDABD, CDABD, DABD, ABD, BD, D],共有元素的长度为0。

16.

“部分匹配”的实质是,有时候,字符串头部和尾部会有重复。比如,”ABCDAB”之中有两个”AB”,那么它的”部分匹配值”就是2(”AB”的长度)。搜索词移动的时候,第一个”AB”向后移动4位(字符串长度-部分匹配值),就可以来到第二个”AB”的位置。

【java代码实现】

package mathstudy;

public class KMP {
    private static int[] nextArray = null;
    private static String originString = null;
    private static String moduleString = null;


    public static void main(String[] args) {
        originString = "BBCABCDABABCDABCDABDE";
        moduleString = "ABCDABD";

        nextArray = matchStr();

        if (nextArray != null) {
            System.out.println("部分匹配表的值:");
            for (int index : nextArray) {
                System.out.print(index + "   ");
            }
        }

        int index =getIndexOfStr();
        System.out.println();
        System.out.println("匹配的下标:");
        System.out.println(index+"");
    }


    /**
     * 计算每个元素对应的"部分匹配值"
     */
    private static int[] matchStr() {
        if (moduleString == null || moduleString.length() == 0) {
            return null;
        }

        int[] matchArray = new int[moduleString.length()];

        for (int i = 0; i < moduleString.length(); i++) {
                boolean hasEqual = false;
                for (int j = 0; j <= i - 1; j++) {
                    String prefixStr = moduleString.substring(0, j + 1);
                    String suffixStr = moduleString.substring(i - j, i + 1);
                    if (prefixStr.endsWith(suffixStr)) {
                        hasEqual = true;
                        matchArray[i] = prefixStr.length();
                        break;
                    } 
                }
                if (hasEqual == false) {
                    matchArray[i] = 0;
                }
            }

        return matchArray;
    } 

     /*KMP匹配字符串 
     * @return 若匹配成功,返回下标,否则返回-1 
     * */
    public static int getIndexOfStr() {

        if (moduleString == null || moduleString.length() <= 0) {
            return -1;
        }
        if (originString == null || originString.length() <= 0) {
            return -1;
        }
        if (originString.length() < moduleString.length()) {
            return -1;
        }
        int indexOfStr = -1;
        int totalLength = originString.length();
        boolean flag_end = false;

        int origin_index = 0;
        int module_index = 0;
        while (flag_end == false) {

            char char_origin = originString.charAt(origin_index);
            char char_module = moduleString.charAt(module_index);

            if (char_origin == char_module) {
                if (module_index == moduleString.length() - 1) {
                    indexOfStr = origin_index - module_index;
                    break;
                } else {

                    origin_index++;
                    module_index++;
                }

            } else {
                if (module_index == 0) {
                    origin_index++;
                    module_index = 0;
                    if (origin_index >= totalLength) {
                        break;
                    }
                } else {
                    if (module_index <= 0) {
                        module_index++;
                        origin_index++;
                    } else {
                        module_index = nextArray[module_index - 1];
                    }
                }
                continue;

            }
            if (origin_index >= totalLength) {
                break;
            }

        }
        return indexOfStr;
    }

}

输出结果:

部分匹配表的值:
0   0   0   0   1   2   0   
匹配的下标:
13

KMP字符串匹配算法

标签:

原文地址:http://blog.csdn.net/u010878994/article/details/51341029

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