KMP讲解

# 题目重述 请详细讲解 KMP(Knuth-Morris-Pratt)算法的实现原理与工作流程,包括 `next` 数组的作用和匹配过程。 --- # 详解 KMP 算法是一种高效的字符串匹配算法,能够在 $O(n + m)$ 时间内完成模式串在主串中的查找,避免了 BF 算法中主串指针回退带来的重复比较。 ### 🔍 核心思想 当模式串与主串发生字符不匹配时,**不回退主串的指针**,而是根据模式串自身的结构信息(最长相等前后缀),将模式串“滑动”到下一个可能匹配的位置。 这依赖于一个预处理数组——`next` 数组。 --- ### 📌 next 数组的定义 对于模式串 $P$,`next[j]` 表示: > 在模式串前 $j+1$ 个字符中,最长的**相等真前缀**与**真后缀**的长度。 例如: | 模式串 | j | 字符串前 j+1 位 | next[j] | |--------|---|------------------|---------| | ABAB | 0 | A | 0 | | | 1 | AB | 0 | | | 2 | ABA | 1 | | | 3 | ABAB | 2 | 解释: - `ABA` 的前缀 `{A, AB}`,后缀 `{A, BA}`,公共且最长的是 `A` → 长度为 1。 - `ABAB` 前缀 `{A, AB, ABA}`,后缀 `{B, AB, BAB}`,最长公共是 `AB` → 长度为 2。 所以 `next = [0, 0, 1, 2]` --- ### ⚙️ 构建 next 数组(buildNext) 使用双指针法构造: ```cpp void buildNext(const string& pattern, int next[]) { int m = pattern.length(); next[0] = 0; int len = 0; // 当前最长公共前后缀长度 int i = 1; while (i < m) { if (pattern[i] == pattern[len]) { len++; next[i] = len; i++; } else { if (len > 0) { len = next[len - 1]; // 回退 len } else { next[i] = 0; i++; } } } } ``` > 这个过程本质是“模式串自己匹配自己”。 --- ### 🔁 KMP 匹配过程 设主串为 $S$,模式串为 $P$,长度分别为 $n$ 和 $m$。 初始化: - 主串指针 $i = 0$ - 模式串指针 $j = 0$ 循环直到 $i < n$: 1. 若 $S[i] == P[j]$,则两指针都前进: $$ i++,\quad j++ $$ 2. 若 $j == m$,说明已完全匹配,返回起始位置: $$ \text{match\_pos} = i - j $$ 3. 若 $S[i] \neq P[j]$: - 如果 $j > 0$,令 $j = next[j - 1]$,继续尝试; - 如果 $j = 0$,说明无法再回退,只能移动主串指针 $i++$。 > 主串指针 $i$ **从不回退**,这是 KMP 高效的关键! --- ### ✅ 示例演示 主串:`ABABABC` 模式串:`ABAB` next 数组:`[0, 0, 1, 2]` 匹配过程: ``` i: 0 1 2 3 4 5 6 S: A B A B A B C P: A B A B ↑ ↑ ↑ ↑ → 全部匹配 → 返回 i-j = 4-4 = 0 ``` 成功匹配,返回 0。 --- ### 💡 为什么 KMP 更快? 传统 BF 算法在失配后要回退主串指针,造成大量重复比较。而 KMP 利用模式串内部重复性,通过 `next` 数组跳过不可能成功的匹配位置,提升效率。 --- # 知识点(列出解答该问题需要的知识点) 1. **字符串匹配中的最优子结构** 模式串的前后缀重复性可用于优化搜索,避免无效比较。 2. **next数组的构造原理** 利用动态规划思想,基于已计算的next值递推当前值,实现O(m)构建。 3. **双指针匹配与主串不回退机制** 主串指针只进不退,模式串指针根据next回退,整体时间复杂度降至O(n+m)。
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