字符串模式匹配之KMP算法图解与 next 数组原理和实现方案

之前说到,朴素的匹配,每趟比较,都要回溯主串的指针,费事。则 KMP 就是对朴素匹配的一种改进。正好复习一下。

KMP 算法其改进思想在于:

每当一趟匹配过程中出现字符比较不相等时,不需要回溯主串的 i指针,而是利用已经得到的“部分匹配”的结果将模式子串向右“滑动”尽可能远的一段距离后,继续进行比较。如果 ok,那么主串的指示指针不回溯!算法的时间复杂度只和子串有关!很好。

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,很自然的,需要一个函数来存储匹配失败的信息。

先理解一个概念:前后缀字符串

比如"ababa" 

前缀:a,ab,aba,abab,除了最后一个字符

后缀:a,ba,aba,baba,除了第一个 字符

比如"abcd"

前缀:a,ab,abc

后缀:d,cd,bcd

图解kmp 算法对朴素匹配改进的过程;

同样如图1,发生不匹配,朴素的做法是 j 到开头1出,i 到上次开始比较的位置的下一位2处(i回溯)

字符串模式匹配之KMP算法图解与 next 数组原理和实现方案

 图1   

字符串模式匹配之KMP算法图解与 next 数组原理和实现方案

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但是发现一个问题,那就是在 图1的3处,不匹配的时候,前面的字符已知是匹配的,ab 是模式串里临时匹配的串,如果 i 回溯,那么等于是白白去比较,因为要把"搜索位置"移到已经比较过的位置,重比一遍。无用功,如果此时 i 不动,直接就可以减少无用的比较次数(所谓无用是说以最少的比较次数,找出完全的匹配串,尽量少做不匹配比较,通过之前的信息来计算和判断),如上图2,i 不动,j 回溯到1,匹配,ij继续走……一直都是匹配的,直到图4

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那么不匹配了,临时的匹配串是 abca,如果 j 还是回到1,i 回溯到4(朴素的),我们发现1和4比较后不匹配,那么 i 继续右移,j 还是1,直到 i 到了6,才和 j=1处的 a 匹配,是不是之前的比较都是无用功?为什么不可以直接就和6比较呢?怎么解决呢?

发现一个规律:如果临时匹配串里,前后缀有重复,那么其实模式串的j,没必要每次都回到1,仔细思考是这样的。有一定规律可寻。

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字符串模式匹配之KMP算法图解与 next 数组原理和实现方案

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整个过程结束,最后结果和朴素一样,但减少了比较次数,改进了时间复杂度,让 o(t) 只和模式串t有关,因为主串s是给定的,且 i 不回溯,一直往前走!

到这里,就要思考,如何找出 j 回溯的逻辑。

换一个角度思考;

之前我们的做法是都观察 i j 的回溯!如图,现在我们移动模式串来观察。

字符串模式匹配之KMP算法图解与 next 数组原理和实现方案

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字符串模式匹配之KMP算法图解与 next 数组原理和实现方案

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图7不匹配, i 到2,j 到1,其实这相当于 T 右移,看图8。T 继续右移直到发生匹配,顺次比较,直到图9,红色标出,发现了不匹配,那么,按照之前的朴素做法,i 到4,j 还是1,相当于 T还是 右移一位!如下下图10。

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比较之后,不匹配,T 继续友谊,直到T 1处移动到S6处,才发生匹配,之后继续顺次比较,ok!找出了匹配串。

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