KMP
核心
玄学 failfail 数组
failfail 数组的含义即是某段字符串的最长公共前后缀。
具体来讲,设 T[1…j−1]=T[i−j…i−1](j⩽i)T[1…j−1]=T[i−j…i−1](j⩽i) ,那么 fail[i]fail[i] 为 jj 的最大值。
那么这个 有什么用呢?见下图。
匹配时,设当前匹配到 SS 的第 位, TT 的第 位,即 S[i−j+1…i−1]S[i−j+1…i−1] 与 T[1…j−1]T[1…j−1] 已成功匹配。当 jj 指针这一位发生失配,意味着 ,这时根据 failfail 数组的定义,由于 T[1…fail[j]−1]=T[j−fail[j]…j−1]T[1…fail[j]−1]=T[j−fail[j]…j−1] ,因此若将 jj 指针指向 ,我们可以直接跳过对 T[1…fail[j]−1]T[1…fail[j]−1] 的匹配。
复杂度证明
设 nn 为串 的长度, mm 为串 的长度。
ii 指针全程只增,这里的复杂度为 ;
jj 指针全程只有两种跳法: 或 j→fail[j]j→fail[j] 。
对于 j→j+1j→j+1 全程最多跳 nn 次。
对于 :
在 ii 保持不变的情况下, 跳至下界的极限次数一定不超过 jj (根据 的定义)。因此设 f[j]f[j] 表示 jj 这个位置发生失配跳至下界的上限次数, 为跳完 f[j]f[j] 次之后 jj 的位置。而 每跳一次, g[j]g[j] 一定减小至少 11 , 随之减小至少 11 ,从而最终跳的次数上界为 。由 ff 的定义我们知道, ,故最终 jj 跳的次数一定不超过 。
又由于要单独对串 TT 单独求一次 ,复杂度证明同上,为 O(m)O(m) 。
综上,由于 ii 全程迭代 次, jj 全程迭代不超过 次,故时间复杂度为 O(n+m)O(n+m) 。
扩展KMP
“扩展”
引入 extext 数组, ext[i]ext[i] 表示 S[i…n]S[i…n] 与 T[1…m]T[1…m] 的最长公共前缀( nn 为串 的长度, mm 为串 的长度)。
考虑如何求 extext 。
引入辅助工具
设当前需要计算 ext[i]ext[i] 的值, pp 为 最大时 jj 的值 ,
就有 S[p…p+ext[p]−1]=T[1…ext[p]]S[p…p+ext[p]−1]=T[1…ext[p]],
于是 S[i…p]=T[ext[p]−p+i…ext[p]]S[i…p]=T[ext[p]−p+i…ext[p]] 。
这时求 extext 就有两种情况:
1、 i+fail[i]<p+ext[p]i+fail[i]<p+ext[p]
由于 S[i…p]=T[ext[p]−p+i…ext[p]]S[i…p]=T[ext[p]−p+i…ext[p]] ,
又由 failfail 的定义知 S[i…i+fail[i−p+1]−1]=T[1…fail[i−p+1]]S[i…i+fail[i−p+1]−1]=T[1…fail[i−p+1]] , fail[i−p+1]fail[i−p+1] 为最大匹配长度,故 ext[i]=fail[i−p+1]ext[i]=fail[i−p+1] 。
2、 i+fail[i]≥p+ext[p]i+fail[i]≥p+ext[p]
此处求法与 failfail 求法几乎一样,可参考 failfail 的求值。
复杂度证明:对于情况1,单次复杂度为 O(1)O(1) ;对于情况2,总复杂度与KMP算法中一致,为 O(n+m)O(n+m) 。
代码实现
#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<cstring>
using namespace std;
const int LENGTH=1000000;
char S[LENGTH+2],T[LENGTH+2];
namespace KMP{
int fail[LENGTH+2];
int cnt[LENGTH+2],ext[LENGTH+2];
void get_fail(char *t){
int len=strlen(t+1);
for(int i=2,j=0;i<=len;++i){
while(j&&t[i]!=t[j+1])j=fail[j];
if(t[i]==t[j+1])fail[i]=++j;
}
}
void KMP(char *s,char *t){
get_fail(t);
int s_len=strlen(s+1),t_len=strlen(t+1);
for(int i=1,j=0;i<=s_len;++i){
while(j&&s[i]!=t[j+1])j=fail[j];
if(s[i]==t[j+1]){
cnt[i]=++j;
if(j==t_len)j=fail[j];
}
}
}
void ex_KMP(char *s,char *t){
get_fail(t);
int s_len=strlen(s+1),t_len=strlen(t+1);
int p=1;
while(ext[1]<t_len&&s[ext[1]+1]==t[ext[1]+1])++ext[1];
for(int i=2;i<=s_len;++i){
if(i+fail[i-p+1]<p+ext[p])ext[i]=fail[i-p+1];
else{
int j=ext[p]+p-i;
if(j<0)j=0;
while(i+j<=s_len&&j<t_len&&s[i+j]==t[j+1])++j;
ext[i]=j;
p=i;
}
}
}
}
int main(){
scanf("%s%s",S+1,T+1);
KMP::KMP(S,T);
KMP::ex_KMP(S,T);
int s_len=strlen(S+1),t_len=strlen(T+1);
printf("Array of fail:\n\t");
for(int i=1;i<=t_len;++i)printf("%d ",KMP::fail[i]);
printf("\nMatching position:\n\t");
for(int i=1;i<=s_len;++i)if(KMP::cnt[i]==t_len)printf("%d ",i-t_len+1);
printf("\nArray of extend:\n\t");
for(int i=1;i<=s_len;++i)printf("%d ",KMP::ext[i]);
}