KMP算法学习记录

题解:
https://leetcode-cn.com/problems/implement-strstr/solution/zhe-ke-neng-shi-quan-wang-zui-xi-de-kmp-8zl57/

  • 重点: KMP算法的重点在txt字符串的指针不停往后跳+1,而pattern指针可以回溯。我们希望而当出现坏字符的时候,txt指针不回溯,pattern指针往前回溯距离最短,耗时最低。


    image.png
  • 问题来了,如何使txt指针i稳定前进,pattern指针j跳跃回溯最少?j回溯最少即pattern往后移动最多几个格子不会出现遗漏case?涉及到了字符串的公共最长前后缀。使用该前后缀,即可快速知道pattern整体后移多少,j跳跃多少。如上图所示,pattern后移2格是下一步最优解。为何?因为此时bcb重合。若只移动一格则不匹配。而匹配这个条件就等价于匹配的子串是最长公共前后缀bcb。因此最多移动2格。有没有可能遗漏?比如移动一格就匹配了?移动一格若匹配则说明子串是公共前后缀,此时才是真正的最长公共前后缀,与假设的移动2格最长不符。那能不能移动更多?不能,那样会有遗漏case。因此移动2格是最优解。

    • 即j移动到bcb后面一格。而若该步发现还是txt[i] != pattern[j],那么需要pattern继续后移动,即j继续往前回溯。即需要找到当前子串的第二长的公共前后缀。而第二长的公共前后缀就是最长公共前后缀本身的最长公共前后缀,
    • 这里我们来证明这一定理:假设pattern的最长公共前后缀是x,那么pattern的第二长公共前后缀y一定是x的最长公共前后缀。根据这一推论可轻松推广到第N长的情况。这是kmp算法非常重要的一个定理,没有它KMP就失去了高效性。通过这个定理就可以非常快地回溯找到字符串的第N长公共前缀。证明如下图所示:
image.png

若j回溯到一个位置,坏字符匹配上了,那j++,i++继续循环。这是我们想看到的情况,即匹配的最优解,j只回溯了几次,i就继续开始动了,且j也无需回溯到头。且我们的证明也保证了无遗漏case。

若j回溯到头,还是没匹配上,那就i++,从j=0开始重新匹配了。尽管和暴力看似一样,但是实际这一步,i直接跳过了之前匹配上的子串长度,且j回溯的非常快。

伪代码

  • 一个for循环体内:
    • 若txt[i] == pattern[j] ,则i++,j++,若j==len(pattern)则说明找到了,否则进入下一个循环体。
    • 若txt[i] != pattern[j] pattern指针j跳跃到子串最长公共前后缀的前缀后一个位置。而txt指针i不变,再次进行比较,若不同,则j继续回溯到当前子串(当前子串=上一个子串的最长公共前后缀)的最长公共子串(=上一个子串的第二长最长公共后缀)的前缀位置+1……如此回溯直到找到txt[i]==pattern[j]或没找到。找到则i++,j++,否则j移动到0,只有i++。之后进入下一个循环体。

求pattern的最长公共前后缀

外层循环是O(N),那么我们希望里层的循环是常数时间复杂度,即需要事先对pattern构建一个next数组,next[i]代表了前i+1个字符串中最长公共前后缀的前缀末位的index。如下图所示,next[4]=2即代表bcbcb的最长公共前后缀的前缀末位index=2,即长度=3=bcb。

image.png

由于next数组的构建只与pattern有关,因此可以提前构建一次,从而应对各个txt。
我们希望构建的时间复杂度是O(M)。构建next的过程其实就是对next的每个前缀子串计算最长快乐前缀位置的过程。即leetcode另一题:https://leetcode-cn.com/problems/longest-happy-prefix/solution/ni-zhen-de-li-jie-kmpma-jiao-ni-xun-su-zhang-wo-bi/
而我们这里构建的next数组就是这一题的增强版。这一题哪怕暴力计算一个字符串的最长公共前后缀,时间复杂度也是线性的。但是计算next数组就不是了,因此不能暴力求解。

next[0]=-1表示无公共的。之后就是一个dp问题。即知道了next[i-1]及其之前的值,推算当前的,而非暴力遍历。

这里我们可以证明:next[i]字符串的最长公共前后缀-1位(下图中Y绿),是next[i-1]字符串的某个公共前后缀。
因为若新加了一位数,构成了最大公共前缀,那么其前缀-1=后缀-1=原子串的某公共前后缀的后缀。因为一定是原子串的某个公共前后缀。而通过之前的证明可得,一定是其最大公共前后缀的最大公共前后缀的…………某一个。


image.png

因此,求next[i]只需要不停回溯,比较pattern[i]与blue的公共前后缀的前缀后一位是否相等。否的话继续往前回溯。是的话就找到了填入前缀的index。

最后编辑于
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 158,425评论 4 361
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 67,058评论 1 291
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 108,186评论 0 243
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 43,848评论 0 204
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 52,249评论 3 286
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 40,554评论 1 216
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 31,830评论 2 312
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 30,536评论 0 197
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 34,239评论 1 241
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 30,505评论 2 244
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 32,004评论 1 258
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 28,346评论 2 253
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 32,999评论 3 235
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 26,060评论 0 8
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 26,821评论 0 194
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 35,574评论 2 271
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 35,480评论 2 267

推荐阅读更多精彩内容

  • 参考文章 知乎:如何更好的理解和掌握 KMP 算法?从头到尾彻底理解KMPKMP 算法(1):如何理解 KMP(原...
    Mjolnir1107阅读 935评论 0 0
  • 字符串的查找:朴素查找算法和KMP算法 暴力匹配算法与KMP算法(串的匹配) 字符串查找算法BF和KMP 字符串匹...
    passiontim阅读 1,611评论 0 2
  • 问题 目录KMP是什么,做什么用的KMP算法的高效体现在哪如何KMP算法的next数组KMP的代码KMP的时间复杂...
    一根薯条阅读 878评论 0 1
  • KMP算法的核心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。具体实现就是通过一个n...
    暱稱已被使用阅读 348评论 0 0
  • KMP算法是一种字符串匹配算法,对于指定字符串str1和子串str2,返回字串在str1出现的位置索引,str1中...
    spraysss阅读 322评论 0 1