对于一个有限自动机M,它是一个5元组(S,s₀,A,Σ,δ),S是有限状态集,s₀是初始状态(x₀∈X),A是可接受状态集(A⊆X),∑是有限输入表,δ是状态转移函数(从S×Σ到S的映射)。假定有一个模式串p="abaabcb"(长度m),待匹配字符串s="abaabaabcb"(长度n),当第5个字符'c'匹配失败时,寻常的做法是将p的索引回退到0,s的索引回退到1,再重新进行匹配。观察s与p得知:p0...4==s0...4,p0...1==p3...4=="ab",当s5与p5无法匹配时,可以尝试判断s5==p2是否成立,若成立,由前面的推论可知p0...1,2==s3...4,5,所以第5个字符匹配失败时,可以将p的索引回退到2继续进行比较,这样就无需变动s的索引,节约了计算时间,所以只要能够为状态机设计出合理的状态转移函数,就能够加速字符串的匹配。
更一般化情况下,对于模式串p0...m-1,待匹配字符串s0...n-1,对任意i∈0,m-1,j∈0,n-1,有:i,j=δ(i,pj) ( i 为状态机当前状态索引,j 为 s 的索引)。对于δ函数,当循环输入一个字符 pj 时有两种结果,即匹配成功和匹配失败。若匹配成功,i 向后移一位,继续与pj+1进行比较;若匹配失败,则需要将 i 进行跳转,原因后面会解释,这里令 i 的跳转表为 next0...m-1,每次跳转后需重新比较pi与sj,直到它们相等或者i==0时终止跳转,最后再进行一次比较,若相等则 i 可以向后移一位继续与 sj+1比较,伪代码如下:
delta(p,s,next,i,j)
while i>0 and p[i]!=s[j]
i=next[i]
if p[i]==s[j]
i=i+1
return i
kmp_search(p,s,next)
m=p.length
n=s.length
i,j=0
while i<m and j<n
i=delta(p,s,next,i,j)
j=j+1
if i==m
return j-m
return -1
前面的模式串p="abaabcb"在第5个字符匹配失败时,因为有p0...4==s0...4,p0...1==p3...4==ab,所以 i 可以回退到2继续进行匹配,这里的 "ab" 我称为p0...4和pk...5的最长公共前缀,其长度记为 π,满足:
π[i] = max{ k : p[0...k-1]==p[i-k...i-1] ∧ k < i }
由上式可推 πi+1=max{k:p0...k-1==p(i+1)-k...(i+1)-1∧k<(i+1)},π0=0,令 πi=x:
1)当pi==px时,总有 p0...x-1px==pi-x...i-1pi,即p0...(x+1)-1==p(i+1)-(x+1)...(i+1)-1,可得πi+1==x+1= =πi+1,因此,对任意pi==p[πi],满足递推式:πi+1==πi+1。
2)当pi !=px时,p0...x-1px==pi-x...i-1pi 显然不成立,那么有没有更短的长度为y(y<x)的公共前缀使 p0...y-1py ==pi-y...i-1 成立呢?这里我同样可以对 px 进行状态转移,令y=πx,由于y是x位置的最长公共前缀的长度,所以有 p0...y-1 ==px-y...x-1,又p0...y-1是p0...x-1的最长前缀,所以p0...y-1也是pi-x...i-1的最长前缀,因此满足:πi+1=πx。
从上面的结论来看,π数组跟next数组是有紧密联系的,它们都完成匹配过程中的状态转移,但是却有些细微的区别,不少网络平台上分享的KMP算法在我看来都是有瑕疵的。考虑这样一种情况,在 π 数组已经计算好的前提下,当pi!=sj,需要将 i 移至 πi,令 k=πi,若 pk==pi,那么再比较pk与sj是没有意义的,因此将这样的情况迭代优化后,就能得到 next 数组,满足:
伪代码如下:
compute_next(p,next)
next[0]=0
k=0
m=p.length
for i = 1 to
if p[i]==p[k]
next[i]=next[k]
k=k+1
else
next[i]=k
while k>0
k=next[k]
if(p[i]==p[k])
k=k+1
goto out
<out>
分析伪代码不难得知该算法的时间复杂度是O(m+n),以下是C语言实现的KMP算法:
#include <string.h>
void compute_next(const char* p, int m, int next[]) {
next[0] = 0;
int k = 0;
for (int i = 1; i < m; ++i) {
if (p[i] == p[k]) {
next[i] = next[k];
++k;
} else {
next[i] = k;
while (k > 0) {
k = next[k];
if (p[i] == p[k]) {
++k;
break;
}
}
}
}
}
int delta(const char* p, const char* s, int next[], int i, int j) {
while (i > 0 && p[i] != s[j]) {
i = next[i];
}
if (p[i] == s[j]) {
++i;
}
return i;
}
int kmp_search(const char* p, const char* s, int m, int n, int next[]) {
int i = 0, j = 0;
for (; i < m && j < n; ++j) {
i = delta(p, s, next, i, j);
}
return i == m ? j - m : -1;
}
delta函数可以合并到kmp_search函数进行简化,如下:
void compute_next(const char* p, int m, int next[]) {
...}
int kmp_search(const char* p, const char* s, int m, int n, int next[]) {
int i = 0, j = 0;
for (; i < m && j < n; ++j) {
while (i > 0 && p[i] != s[j]) {
i = next[i];
}
if (p[i] == s[j]) {
++i;
}
}
return i == m ? j - m : -1;
}
测试用例:
int main(int argc, char** argv) {
const char* testStrings[][2] = {
{
"tencent", "encentencentabcskf"}, //true
{
"alibaba", "ajsdkalibalibabisk"}, //false
{
"baidu", "baibai.www.baidu.com"}, //true
{
"bytedance", "ajbytedadanceaaa"}, //false
{
"google","googoelglegooglegooo"}, //true
{
"microsoft","microsofmicrosofp"} //false
};
int count = sizeof(testStrings) / sizeof(testStrings[0]);
const char *p, *s;
int m, n;
for (int i = 0; i < count; ++i) {
p = testStrings[i][0];
s = testStrings[i][1];
m = strlen(p);
n = strlen(s);
int next[m];
compute_next(p, m, next);
int ret = kmp_search(p, s, m, n, next);
if (ret != -1)
printf("模式串'%s'移 %d 位匹配'%s'成功\n", p, ret, s);
else
printf("模式串'%s'与'%s'匹配失败\n", p, s);
}
return 0;
}