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詳解Java中KMP算法的圖解與實現(xiàn)

 更新時間:2022年05月10日 15:45:20   作者:Carol淋  
KMP算法是一種神奇的字符串匹配算法,在對超長字符串進行模板匹配的時候比暴力匹配法的效率會高不少。本文將利用圖解為大家詳細講解KMP算法的實現(xiàn),需要的可以參考一下

圖解

kmp算法跟之前講的bm算法思想有一定的相似性。之前提到過,bm算法中有個好后綴的概念,而在kmp中有個好前綴的概念,什么是好前綴,我們先來看下面這個例子。

觀察上面這個例子,已經(jīng)匹配的abcde稱為好前綴,a與之后的bcde都不匹配,所以沒有必要再比一次,直接滑動到e之后即可。

那如果好前綴中有互相匹配的字符呢?

觀察上面這個例子,這個時候如果我們直接滑到好前綴之后,則會過度滑動,錯失匹配子串。那我們?nèi)绾胃鶕?jù)好前綴來進行合理滑動?

其實就是看當(dāng)前的好前綴的前綴和后綴是否有匹配的,找到最長匹配長度,直接滑動。鑒于不止一次找最長匹配長度,我們完全可以先初始化一個數(shù)組,保存在當(dāng)前好前綴情況下,最長匹配長度是多少,這時候我們的next數(shù)組就出來了。

我們定義一個next數(shù)組,表示在當(dāng)前好前綴下,好前綴的前綴和后綴的最長匹配子串長度,這個最長匹配長度表示這個子串之前已經(jīng)匹配過匹配了,不需要再次進行匹配,直接從子串的下一個字符開始匹配。

我們是否每次算next[i]時都需要每一個字符進行匹配,是否可以根據(jù)next[i - 1]進行推導(dǎo)以便減少不必要的比較。

帶著這個思路我們來看看下面的步驟:

假設(shè)next[i - 1] = k - 1;

如果modelStr[k] = modelStr[i] 則next[i]=k

如果modelStr[k] != modelStr[i],我們是否可以直接認(rèn)定next[i] = next[i - 1]?

通過上面這個例子,我們可以很清晰的看到,next[i]!=next[i-1],那當(dāng)modelStr[k]!=modelStr[i]時候,我們已知next[0],next[1]…next[i-1],如何推倒出next[i]呢?

假設(shè)modelStr[x…i]是前綴后綴能匹配的最長后綴子串,那么最長匹配前綴子串為modelStr[0…i-x]

我們在求這個最長匹配串的時候,他的前面的次長匹配串(不包含當(dāng)前i的),也就是modelStr[x…i-1]在之前應(yīng)該是已經(jīng)求解出來了的,因此我們只需要找到這個某一個已經(jīng)求解的匹配串,假設(shè)前綴子串為modelStr[0…i-x-1],后綴子串為modelStr[x…i-1],且modelStr[i-x] == modelStr[i],這個前綴后綴子串即為次前綴子串,加上當(dāng)前字符即為最長匹配前綴后綴子串。

代碼實現(xiàn)

首先在kmp算法中最主要的next數(shù)組,這個數(shù)組標(biāo)志著截止到當(dāng)前下標(biāo)的最長前綴后綴匹配子串字符個數(shù),kmp算法里面,如果某個前綴是好前綴,即與模式串前綴匹配,我們就可以利用一定的技巧不止向前滑動一個字符,具體看前面的講解。我們提前不知道哪些是好前綴,并且匹配過程不止一次,因此我們在最開始調(diào)用一個初始化方法,初始化next數(shù)組。

1.如果上一個字符的最長前綴子串的下一個字符==當(dāng)前字符,上一個字符的最長前綴子串直接加上當(dāng)前字符即可

2.如果不等于,需要找到之前存在的最長前綴子串的下一個字符等于當(dāng)前子串的,然后設(shè)置當(dāng)前字符子串的最長前綴后綴子串

int[] next ;
    /**
     * 初始化next數(shù)組
     * @param modelStr
     */
    public void init(char[] modelStr) {
        //首先計算next數(shù)組
        //遍歷modelStr,遍歷到的字符與之前字符組成一個串
        next = new int[modelStr.length];
        int start = 0;
        while (start < modelStr.length) {
            next[start] = this.recursion(start, modelStr);
            ++ start;
        }
    }

    /**
     *
     * @param i 當(dāng)前遍歷到的字符
     * @return
     */
    private int recursion(int i, char[] modelStr) {
        //next記錄的是個數(shù),不是下標(biāo)
        if (0 == i) {
            return 0;
        }
        int last = next[i -1];
        //沒有匹配的,直接判斷第一個是否匹配
        if (0 == last) {
            if (modelStr[last] == modelStr[i]) {
                return 1;
            }
            return 0;
        }
        //如果last不為0,有值,可以作為最長匹配的前綴
        if (modelStr[last] == modelStr[i]) {
            return next[i - 1] + 1;
        }
        //當(dāng)next[i-1]對應(yīng)的子串的下一個值與modelStr不匹配時,需要找到當(dāng)前要找的最長匹配子串的次長子串
        //依據(jù)就是次長子串對應(yīng)的子串的下一個字符==modelStr[i];
        int tempIndex = i;
        while (tempIndex > 0) {
            last = next[tempIndex - 1];
            //找到第一個下一個字符是當(dāng)前字符的匹配子串
            if (modelStr[last] == modelStr[i]) {
                return last + 1;
            }
            -- tempIndex;
        }
        return 0;
    }

然后開始利用next數(shù)組進行匹配,從第一個字符開始匹配進行匹配,找到第一個不匹配的字符,這時候之前的都是匹配的,接下來先判斷是否已經(jīng)是完全匹配,是直接返回,不是,判斷是否第一個就不匹配,是直接往后面匹配。如果有好前綴,這時候就利用到了next數(shù)組,通過next數(shù)組知道當(dāng)前可以從哪個開始匹配,之前的都不用進行匹配。

public int kmp(char[] mainStr, char[] modelStr) {
        //開始進行匹配
        int i = 0, j = 0;
        while (i + modelStr.length <= mainStr.length) {
            while (j < modelStr.length) {
                //找到第一個不匹配的位置
                if (modelStr[j] != mainStr[i]) {
                    break;
                }
                ++ i;
                ++ j;
            }
            if (j == modelStr.length) {
                //證明完全匹配
                return i - j;
            }
            //走到這里找到的是第一個不匹配的位置
            if (j == 0) {
                ++ i;
                continue;
            }
            //從好前綴后一個匹配
            j = next[j - 1];
        }
        return -1;
    }

到此這篇關(guān)于詳解Java中KMP算法的圖解與實現(xiàn)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java KMP算法內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!

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