【LeetCode】5. 最长回文子串动态规划、中心扩展、马拉车算法多解法详解

Sancean

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原创 2022-10-14 16:28:13 990 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

马拉车算法（C/C++）是一种用于在字符串中查找最长回文子串的线性时间复杂度算法。该算法由Udi Manacher在1980年代提出，因此得名。它的核心思想是利用已知的回文信息来减少不必要的比较，从而提高效率。阅读详情

【LeetCode】5. 最长回文子串

给你一个字符串 s，找到 s 中最长的回文子串。

示例 1：

输入：s = "babad"
输出："bab"
解释："aba" 同样是符合题意的答案。

示例 2：

输入：s = "cbbd"
输出："bb"

提示：

1 <= s.length <= 1000
s 仅由数字和英文字母组成

动态规划

确定dp含义：

dp[i] [j]表示：字符串s，以i下标开始，j下标结束，是不是回文

确定dp递推公式

因为以j下标结束，则j一定要大于等于i

如果i下标和j下标相邻，即j - i == 1，当对应下标字符相等时为回文，即dp[i] [j] = (arr[i] == arr[j])

如果i下标和j下标不相邻，则当两下标之间的最大子串是回文且下标i和下标j对应字符相等时为回文，即dp[i] [j] = dp[i+1] [j-1] && (arr[i] == arr[j])

dp初始化

单个字符的都是回文

for(int i = 0; i < n; i++) {
   dp[i][i]  = true;
}

确定遍历顺序

从递归公式中dp[i] [j]依赖于dp[i+1] [j-1]，所以i正序遍历，j逆序遍历。
推导dp数组

j小于i的位置无效，以"cbbd"举例：

在这里插入图片描述

实现代码：

class Solution {
    public String longestPalindrome(String s) {
        int n = s.length();
        if(n < 2) {
            return s;
        }
        char[] arr = s.toCharArray();
        boolean[][] dp = new boolean[n][n];
        for(int i = 0; i < n; i++) {
            dp[i][i]  = true;
        }
        int start = 0;
        int end = 0;
        for(int i = n - 2; i >= 0; i--) {
            for(int j = i + 1; j < n; j++) {
                if(j - i == 1) {
                    dp[i][j] = (arr[i] == arr[j]);
                }else {
                    dp[i][j] = (dp[i + 1][j - 1] && (arr[i] == arr[j]));
                }
                if(dp[i][j] && j - i > end - start) {
                    start = i;
                    end = j;
                }
            }
        }
        return s.substring(start, end + 1);
    }
}

中心扩展算法

遍历每一个回文中心，扩展计算每个回文中心的最大回文长度，取最大值，回文中心有两种情况，以一个字符为中心，以两个相同字符为中心。

如果i下标和j下标相邻，即j - i == 1，当对应下标字符相等时为回文
如果i下标和j下标不相邻，则当两下标之间的最大子串是回文且下标i和下标j对应字符相等时为回文

class Solution {
    public String longestPalindrome(String s) {
        int n = s.length();
        if(n < 2) {
            return s;
        }
        char[] arr = s.toCharArray();
        int start = 0;
        int end = 0;
        for(int i = 0; i < n; i++) {
            int len1 = expand(arr, i, i);
            int len2 = expand(arr, i, i + 1);
            int len = Math.max(len1, len2);
            if(end - start + 1 < len) {
                start = i - ((len - 1) / 2);
                end = i + len / 2;
            }
        }
        return s.substring(start, end + 1);
    }

    public int expand(char[] arr, int left, int right) {
        while(left >= 0 && right < arr.length && arr[left] == arr[right]) {
            left--;
            right++;
        }
        return right - left - 1;
    }
}

对start、end的解释：

以bcb和bccb举例

带入式子，无论长度是奇数还是偶数：

start = i - ((len - 1) / 2);
end = i + len / 2;

都能成立

right - left - 1的解释：

当跳出循环时，left、right所指向的已经是不相等的两个字符，right - left已经减掉了一侧的一个不相等的字符，则还需要再减去另一侧那个不相等的字符。

Manacher (马拉车)算法

参考1

参考2

Manacher算法帮助我们在给定的字符串中找到最长的回文子串。它的本质就是**对暴力算法的优化。**我们先只关注奇数长度回文的处理，至于偶数的回文后面会有方法将其转化成奇数长度的回文。

约定

设 c 为已经找到的右边界最大的回文字符串的中心，并设 l 和 r 是这个回文的左右边界，即分别为最左边的字符索引和最右边的字符索引。现在，让我们举个例子来理解 c、l 和 r。

例如：“abacabacabb”

在这里插入图片描述

当从左到右一个字符一个字符遍历时，i表示正在处理的字符的索引，当 i = 1时，最长的回文子串是“aba"，长度为3。

当 i = 5时，最长的回文子串是"bacabacab"，长度为9：

在这里插入图片描述

现在我们知道了c、l和r表示什么，为了下面算法的讲解更加自然，我们需要了解一个概念：镜像索引。

即将中心作为对称轴的对称点，对于任何以中心 c 为中心的回文，索引 j 的镜像是 j’ 有：

c - j = j' - c
#此时，j的镜像j':
j' = (2 * c) - j

则镜像索引的计算公式为：j’ = (2 * c) - j

对于回文“abacaba”，j 的镜像是 j’，j’ 的镜像是 j：

在这里插入图片描述

当我们将 i 从左向右移动时，我们试图在每个 i 处扩展回文。这意味着我将检查是否存在以 i 为中心的回文，如果存在，我会将回文长度的一半，把它称为回文半径或者扩展的长度存储在一个名为P的新数组中。

后面都以回文半径来称呼。

如果 i 索引为中心的最大回文扩展超出当前右边界 r，则最大右边界改变，则 c 被更新为 i 并且新的 l, r 被找到并更新。

让我们以前面讨论的以 i = 3 为中心的回文“abacaba”为例。

在这里插入图片描述

因此，P[] 数组存储了以每个索引为中心的回文的回文半径。但是我们不需要每次都手动去每个索引展开去检查回文半径。c 表示当前最长奇数回文的中心。而 l, r 表示回文的左右边界。

当 i 等于3时，通过向两侧延伸，不难计算出以 i 为中心的最长回文字符串是"abacaba"，回文半径为3，此时，我们令P[i]=3。

马拉车算法的核心作用就是：借助c、r、l提供的信息，在求P[i]的值时，不用傻傻的暴力向两侧延伸计算。

情况①：

以字符串 "abacaba"的P[]数组为例：

在这里插入图片描述

当 i = 4时，可以看出 i < r。此时，我们不用天真地在i处向两侧扩展。我们可以先计算出确定的以 i 为中心的回文字符串最短的回文半径，这样我们就可以在这个基础上通过继续向两侧扩展来计算P[i]，而不是从头开始做。

只要索引 i’ 为中心的回文半径不超出当前最长回文的左边界 l，我们可以说索引 i 为中心的回文的最小回文半径为 P[i’]。即我们检查镜像索引i’。只要值i’ - P[i’]没有小于l，我们就可以确定在索引i为中的最短回文字符串的长度是2P[i’] + 1，也就是说，至少可以从i向左右扩展P[i’]步，最小回文半径就是P[i’]。

注意，我们只是在谈论最小的回文半径，实际的回文半径可能会更大，仍需继续向外扩获取最大值。

在上图中，P[4]=P[2]=0。我们尝试借助已有的P数组，但就这个例子而言，很不幸，P[4]仍然是0，这里有些特殊的情况我们还需要进一步考虑。

如果索引 i’ 为中心的的回文半径超出当前最长回文数的左边界l，我们可以说索引 i 为中心的回文的最小回文半径为 r - i。

情况②：

为什么索引i为中心的最小回文半径不能大于r - i ?

例子： “acacacb”

在这里插入图片描述

若最小回文半径大于r - i，即下标为6的元素变为a时，那么右边界最大的就不是 "cacac "而是"acacaca "了，和前提条件不符！

上述两种情况，用数学公式进行总结：

if(i < r){
  P[i] = Math.min(r - i, P[mirror]);
}

接下来，就只需继续向外扩展，开始从下标 i - P[I’] - 1 和 i + P[I’] + 1继续检查字符，扩展过程不断更新P[i]，也不断更新最大回文半径和最大长度回文的回文中心。

如果此回文扩展长度超出 r，则将 c 更新为 i，将 r 更新为 (i + P[i])， l 更新为 (i - P[i])。

为了使这个算法成功，需要将偶数回文串转换为奇数回文串从而统一操作。只需在字符之间添加特殊字符隔开即可。

例子1: aba -> #a#b#a#。

例子2：Abba-> #a#b#b#a#。

代码实现：

class Solution {
    public String longestPalindrome(String s) {
        StringBuffer t = new StringBuffer("#");
        for (int i = 0; i < s.length(); ++i) {
            t.append(s.charAt(i));
            t.append('#');
        }
        int n = t.length();
        int[] P = new int[n];
        //记录最大回文半径
        int maxLen = 0;
        //记录最大长度回文的中心下标
        int index = 0;
        int c = 0;
        int r = 0;
        for(int i = 0; i < n; i++) {
            int mirror = (2 * c - i);
            if(i < r) {
                P[i] = Math.min(r - i, P[mirror]);
            }
            int tmpL = i - P[i] - 1;
            int tmpR = i + P[i] + 1;
            while (tmpL >= 0 && tmpR < n && t.charAt(tmpL) == t.charAt(tmpR)) {
                P[i]++;
                tmpL--;
                tmpR++;
            }
            if(i + P[i] > r) {
                c = i;
                r = i + P[i];
                if(P[i] > maxLen) {
                    maxLen = P[i];
                    index = i;
                }
            }
        }
        return s.substring((index - P[index]) / 2, (index + P[index]) / 2);
    }
}

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