浅谈KMP算法

2024年5月25日 156次阅读

KMP算法主要用来处理字符串匹配的问题。简单说，就是给你两串字符串A,B，问你B是否为A的子串（子串知道啥意思吧）。例如，A=“12345”，B=“34”，显然B就是A的子串啦。对于这问题，我们可以用很暴力的方法解决，时间为O(nm)。其中n为串A的长度，m为串B的长度。（记住啦，下面会用到）。下面贴出O(nm)代码：

for(i=1; i<=n; i++)
{
    if(A[i] == B[1])
    {
        for(j=1; i+j<=n&&j<m; j++)
        {
            if(A[i+j] != B[1+j])
                break;
        }
        if(j == m)
            return true;
    }
}
return false;

其中，字符串A、B下标都是从1开始，长度分别为n，m。

暴力这东西总是很没效率，所以暴力的人是解决不了大问题滴。现在就来介绍一种更高效的算法——KMP，时间复杂度为O(n)。

假如，A=”abababaababacb”，B=”ababacb”，我们来看看KMP是怎么工作的。我们用两个指针i和j分别表示，A[i-j+ 1..i]与B[1..j]完全相等。也就是说，i是不断增加的，随着i的增加j相应地变化，且j满足以A[i]结尾的长度为j的字符串正好匹配B串的前 j个字符（j当然越大越好），现在需要检验A[i+1]和B[j+1]的关系。当A[i+1]==B[j+1]时，i和j各加一；什么时候j=m了，我们就说B是A的子串（B串已经整完了），并且可以根据这时的i值算出匹配的位置。当A[i+1]!=B[j+1]，KMP的策略是调整j的位置（减小j值）使得A[i-j+1..i]与B[1..j]保持匹配且新的B[j+1]恰好与A[i+1]匹配（从而使得i和j能继续增加）。我们看一看当 i=j=5时的情况。

i = 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ……
A = a b a b a b a a b a b …
B = a b a b a c b
j = 1 2 3 4 5 6 7

此时，A[6]!=B[6]。这表明，此时j不能等于5了，我们要把j改成比它小的值j’。j’可能是多少呢？仔细想一下，我们发现，j’必须要使得B[1..j]中的头j’个字母和末j’个字母完全相等（这样j变成了j’后才能继续保持i和j的性质）。这个j’当然要越大越好。在这里，B [1..5]=”ababa”，头3个字母和末3个字母都是”aba”。而当新的j为3时，A[6]恰好和B[4]相等。于是，i变成了6，而j则变成了 4：

i = 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ……
A = a b a b a b a a b a b …
B = a b a b a c b
j = 1 2 3 4 5 6 7

从上面的这个例子，我们可以看到，新的j可以取多少与i无关，只与B串有关。我们完全可以预处理出这样一个数组P[j]，表示当匹配到B数组的第j个字母而第j+1个字母不能匹配了时，新的j最大是多少。P[j]应该是所有满足B[1..P[j]]=B[j-P[j]+1..j]的最大值。
再后来，A[7]=B[5]，i和j又各增加1。这时，又出现了A[i+1]!=B[j+1]的情况：

i = 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ……
A = a b a b a b a a b a b …
B = a b a b a c b
j = 1 2 3 4 5 6 7

由于P[5]=3，因此新的j=3：

i = 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ……
A = a b a b a b a a b a b …
B = a b a b a c b
j = 1 2 3 4 5 6 7

这时，新的j=3仍然不能满足A[i+1]=B[j+1]，此时我们再次减小j值，将j再次更新为P[3]：

i = 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ……
A = a b a b a b a a b a b …
B = a b a b a c b
j = 1 2 3 4 5 6 7

现在，i还是7，j已经变成1了。而此时A[8]居然仍然不等于B[j+1]。这样，j必须减小到P[1]，即0：

i = 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ……
A = a b a b a b a a b a b …
B = a b a b a c b
j = 0 1 2 3 4 5 6 7

终于，A[8]=B[1]，i变为8，j为1。事实上，有可能j到了0仍然不能满足A[i+1]=B[j+1]（比如A[8]=”d”时）。因此，准确的说法是，当j=0了时，我们增加i值但忽略j直到出现A[i]=B[1]为止。
这个过程的代码很短（真的很短），我们在这里给出：

j = 0;
for(i=1; i<=n; i++)
{
    while(j>0 && B[j+1]!=A[i])
       j = P[j];
    if(B[j+1] == A[i])
       j = j+1;
    if(j == m)
    {
        printf("Pattern occurs with shift %d\n",i-m);
        j=P[j];
    }
}

最后的j=P[j]是为了让程序继续做下去，因为我们有可能找到多处匹配。
这个程序或许比想像中的要简单，因为对于i值的不断增加，代码用的是for循环。因此，这个代码可以这样形象地理解：扫描字符串A，并更新可以匹配到B的什么位置。

现在，我们还遗留了两个重要的问题：一，为什么这个程序是线性的；二，如何快速预处理P数组。
为什么这个程序是O(n)的？其实，主要的争议在于，while循环使得执行次数出现了不确定因素。我们将用到时间复杂度的摊还分析中的主要策略，简单地说就是通过观察某一个变量或函数值的变化来对零散的、杂乱的、不规则的执行次数进行累计。KMP的时间复杂度分析可谓摊还分析的典型。我们从上述程序的j 值入手。每一次执行while循环都会使j减小（但不能减成负的），而另外的改变j值的地方只有第五行。每次执行了这一行，j都只能加1；因此，整个过程中j最多加了n个1。于是，j最多只有n次减小的机会（j值减小的次数当然不能超过n，因为j永远是非负整数）。这告诉我们，while循环总共最多执行了n次。按照摊还分析的说法，平摊到每次for循环中后，一次for循环的复杂度为O(1)。整个过程显然是O(n)的。这样的分析对于后面P数组预处理的过程同样有效，同样可以得到预处理过程的复杂度为O(m)。
预处理不需要按照P的定义写成O(m^2)甚至O(m^3)的。我们可以通过P[1],P[2],…,P[j-1]的值来获得P[j]的值。对于刚才的B=”ababacb”，假如我们已经求出了P[1],P[2],P[3]和P[4]，看看我们应该怎么求出P[5]和P[6]。P[4]=2，那么P [5]显然等于P[4]+1，因为由P[4]可以知道，B[1,2]已经和B[3,4]相等了，现在又有B[3]=B[5]，所以P[5]可以由P[4] 后面加一个字符得到。P[6]也等于P[5]+1吗？显然不是，因为B[ P[5]+1 ]!=B[6]。那么，我们要考虑“退一步”了。我们考虑P[6]是否有可能由P[5]的情况所包含的子串得到，即是否P[6]=P[ P[5] ]+1。这里想不通的话可以仔细看一下：

1 2 3 4 5 6 7
B = a b a b a c b
P = 0 0 1 2 3 ?

P[5]=3是因为B[1..3]和B[3..5]都是”aba”；而P[3]=1则告诉我们，B[1]、B[3]和B[5]都是”a”。既然P[6]不能由P[5]得到，或许可以由P[3]得到（如果B[2]恰好和B[6]相等的话，P[6]就等于P[3]+1了）。显然，P[6]也不能通过P[3]得到，因为B[2]!=B[6]。事实上，这样一直推到P[1]也不行，最后，我们得到，P[6]=0。
怎么这个预处理过程跟前面的KMP主程序这么像呢？其实，KMP的预处理本身就是一个B串“自我匹配”的过程。它的代码和上面的代码神似：

P[1] = 0;
j = 0;
for(i=2; i<=m; i++)
{
    while(j>0 && B[i]!=B[j+1])
         j = p[j];
    if(B[i] == B[j+1])
         j += 1;
    p[i] = j;
}

 

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