KMP算法next数组的一种理解思路

这篇博客提供一种理解KMP算法中求解next数组的思路,若是从头开始学习KMP算法,请移步这篇博客阅,作者讲解的十分详细,我本人也是从他的博客开始回顾KMP算法,本篇博客也是基于这篇博客来写的。

请阅读到以下位置后,若是无法理解P[k] != P[j]这部分逻辑,希望可以尝试用本篇博客的思路来理解;若是理解了,这篇博客也可以帮你以另外一种思路理解,所以本篇博客作为这篇博客的补充更为合适。

 

首先明确next数组作用,设T为主串,P为模式串(即为关键字),next数组作用为,当T[i] != P[j]后,模式串指针 j 应该回退到next[j]位置。

如果阅读过我说的这篇博客,就已经知道为什么指针 j 不用回退到0而要回退到next[j],因为要充分利用已经匹配的字符和模式串的特征来减少指针回退,以降低时间复杂度。

求解next数组的代码如下:

 1 void getNext(int next[], string p)
 2 {
 3     int j = 0, k = -1;
 4     next[0] = -1;
 5     while (j < p.size() - 1) {
 6         if (k == -1 || p[j] == p[k]) {
 7             j++;
 8             k++;
 9             next[j] = k;
10         } else
11             k = next[k];
12     }
13 }

其实我们可以将KMP算法理解成两次字符串匹配的过程:

第一次发生在求next数组过程中,就是模式串P的最长前缀子串和最长后缀子串进行匹配的过程中,其中模式串是最长前缀子串,主串是最长后缀子串,模式串和主串都在同一个字符串中。

补充:前缀子串和后缀子串概念

前缀子串:从字符串头开始的子串。例如字符串:abcdef那么它的前缀子串为:a,ab,abc,abcd,最长的前缀子串便为 abcde;

后缀子串: 从字符串尾开始的子串。还是拿字符串abcdef举栗子它的后缀子串为:f,ef,def,最长的后缀子串便为 bcdef。

例如下图:

 假设它本身作为KMP算法的模式串,但是在求next数组中,又可以将它看为下面这样:

也就是在"BCABCD"中匹配"ABCABC"。

第二次当然是模式串P和主串T的匹配过程,比如下图,也就是在下图上面的主串中寻找下面的模式串。

在将KMP算法理解成两次匹配过程后,next[j]数组含义就是这篇博客提到的,模式串的前缀子串集和后缀子串集的最长相同元素,也就是目前在 j 位置之前最长前缀子串和最长后缀子串已经匹配字符的个数。如果肉眼去寻找这个结果是很简单的。

例如求模式串"ABACDABABC"的next的数组,此时的最长前缀子串为"ABACDABAB"作为模式串,最长后缀子串为"BACDABABC"作为主串(换一种说法,就是在最长后缀子串中寻找最长前缀子串)。

当P[k] == P[j]时,如下图:

已经匹配了"ABC",j + 1位置的之前最长前缀子串和最长后缀子串匹配个数就是 k + 1 = 2 + 1 = 3(k从0开始,所以需要加1),对应代码 7~9行:

j++;
k++;
next[j] = k;

当P[k] != P[j]时,如下图,作为模式串的最长前缀子串的k指针应该回退,回退到什么位置呢?

显然根据已经求出的next数据,就可以知道k应该回退到什么地方,k应该回退到next[k]位置,next[3] = 1,也就是k重新回到1位置,因为P[0 ~ next[k] - 1]已经和P[j - next[k] ~ j - 1]已经匹配,k指针只需要回退到next[k]位置再开始匹配即可,对应求next数组的第11行代码如下:

k = next[k];

最后处理两种特殊情况:

当next数组下标为0时,next[0] = -1, 放在第一次匹配过程中理解就是,当P[0] != P[j]时,k因该回退到-1,重新开始匹配过程;放在第二次匹配过程中理解就是,当P[0] != T[i]时,j 回退到-1,重新开始匹配过程。

当next数组下标为1时,next[1] = 0,放在第一次匹配过程中理解就是,当P[1] != P[j]时,k因该回退到0,从头开始开始匹配;放在第二次匹配过程中理解就是,当P[1] != T[i]时,j 回退到0,从头开始开始匹配。

改进求next数组方法:

上边求next数据的方法有缺陷,再这里设P为模式串,T为主串,当P[j] != T[i]时(无论是第一次还是第二次匹配过程都有,只不过第一次求next匹配过程的模式串和主串都在同一个字符串中)会存在模式串指针 j 不能一次性回退到位的情况,当出现如下图情况时

按照第一种求next数组方法j 应该回退到1,如下图哦所示,但是当回退到1时,还是会出现P[j] != T[i]的情况,因为A后面跟的都是B,所以应当让 j 直接回退到next[1] = 0,更为高效。

所以改变后代码如下,改变在9~12行,在求next数组匹配过程中,当P[k] == P[j]或者k == 1时,并且P[k + 1] == P[j + 1]时,next[j + 1] == next[k + 1]

 1 void getNext2(int next[], string p)
 2 {
 3     int j = 0, k = -1;
 4     next[0] = -1;
 5     while (j < p.size() - 1) {
 6         if (k == -1 || p[j] == p[k]) {
 7             j++;
 8             k++;
 9             if (p[j] == p[k])
10                 next[j] = next[k];
11             else
12                 next[j] = k;
13         } else
14             k = next[k];
15     }
16 }
种一棵树最好的时间是十年前,其次是现在。
原文地址:https://www.cnblogs.com/HyattXia/p/13401408.html