KMP 字符串匹配算法

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http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/05/Knuth%E2%80%93Morris%E2%80%93Pratt_algorithm.html

字符串匹配是计算机的基本任务之一。
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。它以三个发明者命名,起头的那个K就是著名科学家Donald Knuth。

这种算法不太容易理解,网上有很多解释,但读起来都很费劲。直到读到Jake Boxer的文章,我才真正理解这种算法。下面,我用自己的语言,试图写一篇比较好懂的KMP算法解释。
1.

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.
《KMP 字符串匹配算法》
因为B与A不匹配,搜索词再往后移。
3.
《KMP 字符串匹配算法》
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.
《KMP 字符串匹配算法》
接着比较字符串和搜索词的下一个字符,还是相同。
5.
《KMP 字符串匹配算法》
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.
《KMP 字符串匹配算法》
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.
《KMP 字符串匹配算法》
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.
《KMP 字符串匹配算法》
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.
《KMP 字符串匹配算法》
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.
《KMP 字符串匹配算法》
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.
《KMP 字符串匹配算法》
因为空格与A不匹配,继续后移一位。
12.
《KMP 字符串匹配算法》
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.
《KMP 字符串匹配算法》
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.
《KMP 字符串匹配算法》
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.
《KMP 字符串匹配算法》
“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],后缀为[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.
《KMP 字符串匹配算法》
“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。

附加上程序

func KMPStrMatch(source, sub string) bool {
    lengthS := len(source)
    lengthSs := len(sub)
    if 0 == lengthSs {
        fmt.Println(0)
        return true
    }
    if lengthS < lengthSs {
        return false
    }
    parttion := KMPPartionMatch(sub)
    fmt.Printf("partition:%v\n", parttion)
    maxIndex := lengthS - lengthSs //控制遍历长度
    j := 0
    for start := 0; start < maxIndex && j < lengthSs; {
        for i := start; j < lengthSs; {
            if source[i] == sub[j] {
                j++
                i++
            } else {
                if j-1 < 0 || 0 == j-parttion[j-1] { //此时, 父串中没有找到与子串匹配的第一个字符
                    start++
                    break
                } else {
                    start += j - parttion[j-1]  //父串指针向后移动到与子串第一个字符匹配的位置, 结束当前的匹配过程
                    j = 0
                    break
                }
            }
        }
        if j == lengthSs {
            fmt.Println(start)
            return true
        }
    }
    return false
}

// 获取 KMP 算法的 parttion match 表
func KMPPartionMatch(str string) (res []int) {
    length := len(str)
    if 1 == length { //匹配的字符串只有长度为1
        res = make([]int, 1, 1)
        res[0] = 0
        return
    }
    //初始化返回的部分匹配表
    res = make([]int, length)
    res[0] = 0
    var subLength, max int
    var subString, prefix, suffix string
    for i := 1; i < length; i++ {
        max = 0
        subLength = i + 1
        subString = str[:subLength] //获取子串的前缀
        for j := 1; j < subLength; j++ { //获取前缀的部分匹配值
            prefix = subString[:j]
            suffix = subString[(subLength - j):]
            if 0 == strCompare(prefix, suffix) {
                if max < len(prefix) {
                    max = len(prefix)
                }
            }
        }
        res[i] = max
    }
    return
}

//比较2个字符串大小
func strCompare(a, b string) int {
    i, j := 0, 0
    lengthA := len(a)
    lengthB := len(b)
    for ; i<lengthA && j <lengthB; {
        if a[i] < b[j] {
            return -1
        } else if a[i] > b[j] {
            return 1
        }
        i++
        j++
    }
    if lengthA == lengthB {
        return 0
    } else if lengthA < lengthB {
        return -1
    }
    return 1
}
    原文作者:KMP算法
    原文地址: https://blog.csdn.net/u014379770/article/details/79935760
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