【演算法】KMP初識

HelloZEX發表於2018-08-06
演算法KMP

參考：1 2

1. 引言

    本KMP原文最初寫於2年多前的2011年12月，因當時初次接觸KMP，思路混亂導致寫也寫得混亂。所以一直想找機會重新寫下KMP，但苦於一直以來對KMP的理解始終不夠，故才遲遲沒有修改本文。

    然近期因開了個演算法班，班上專門講解資料結構、面試、演算法，才再次仔細回顧了這個KMP，在綜合了一些網友的理解、以及演算法班的兩位講師朋友曹博、鄒博的理解之後，寫了9張PPT，發在微博上。隨後，一不做二不休，索性將PPT上的內容整理到了本文之中（後來文章越寫越完整，所含內容早已不再是九張PPT 那樣簡單了）。

    KMP本身不復雜，但網上絕大部分的文章（包括本文的2011年版本）把它講混亂了。下面，我們們從暴力匹配演算法講起，隨後闡述KMP的流程 步驟、next 陣列的簡單求解 遞推原理 程式碼求解，接著基於next 陣列匹配，談到有限狀態自動機，next 陣列的優化，KMP的時間複雜度分析，最後簡要介紹兩個KMP的擴充套件演算法。

    全文力圖給你一個最為完整最為清晰的KMP，希望更多的人不再被KMP折磨或糾纏，不再被一些混亂的文章所混亂。有何疑問，歡迎隨時留言評論，thanks。

 

2. 暴力匹配演算法

    假設現在我們面臨這樣一個問題：有一個文字串S，和一個模式串P，現在要查詢P在S中的位置，怎麼查詢呢？

    如果用暴力匹配的思路，並假設現在文字串S匹配到 i 位置，模式串P匹配到 j 位置，則有：

  • 如果當前字元匹配成功（即S[i] == P[j]），則i++，j++，繼續匹配下一個字元；
  • 如果失配（即S[i]! = P[j]），令i = i - (j - 1)，j = 0。相當於每次匹配失敗時，i 回溯，j 被置為0。

    理清楚了暴力匹配演算法的流程及內在的邏輯，我們們可以寫出暴力匹配的程式碼，如下：

int ViolentMatch(char* s, char* p)
{
	int sLen = strlen(s);
	int pLen = strlen(p);
 
	int i = 0;
	int j = 0;
	while (i < sLen && j < pLen)
	{
		if (s[i] == p[j])
		{
			//①如果當前字元匹配成功（即S[i] == P[j]），則i++，j++    
			i++;
			j++;
		}
		else
		{
			//②如果失配（即S[i]! = P[j]），令i = i - (j - 1)，j = 0    
			i = i - j + 1;
			j = 0;
		}
	}
	//匹配成功，返回模式串p在文字串s中的位置，否則返回-1
	if (j == pLen)
		return i - j;
	else
		return -1;
}

 舉個例子，如果給定文字串S“BBC ABCDAB ABCDABCDABDE”，和模式串P“ABCDABD”，現在要拿模式串P去跟文字串S匹配，整個過程如下所示：

    1. S[0]為B，P[0]為A，不匹配，執行第②條指令：“如果失配（即S[i]! = P[j]），令i = i - (j - 1)，j = 0”，S[1]跟P[0]匹配，相當於模式串要往右移動一位（i=1，j=0）

    2. S[1]跟P[0]還是不匹配，繼續執行第②條指令：“如果失配（即S[i]! = P[j]），令i = i - (j - 1)，j = 0”，S[2]跟P[0]匹配（i=2，j=0），從而模式串不斷的向右移動一位（不斷的執行“令i = i - (j - 1)，j = 0”，i從2變到4，j一直為0）

    3. 直到S[4]跟P[0]匹配成功（i=4，j=0），此時按照上面的暴力匹配演算法的思路，轉而執行第①條指令：“如果當前字元匹配成功（即S[i] == P[j]），則i++，j++”，可得S[i]為S[5]，P[j]為P[1]，即接下來S[5]跟P[1]匹配（i=5，j=1）

     

    4. S[5]跟P[1]匹配成功，繼續執行第①條指令：“如果當前字元匹配成功（即S[i] == P[j]），則i++，j++”，得到S[6]跟P[2]匹配（i=6，j=2），如此進行下去

    

    5. 直到S[10]為空格字元，P[6]為字元D（i=10，j=6），因為不匹配，重新執行第②條指令：“如果失配（即S[i]! = P[j]），令i = i - (j - 1)，j = 0”，相當於S[5]跟P[0]匹配（i=5，j=0）

     

    6. 至此，我們可以看到，如果按照暴力匹配演算法的思路，儘管之前文字串和模式串已經分別匹配到了S[9]、P[5]，但因為S[10]跟P[6]不匹配，所以文字串回溯到S[5]，模式串回溯到P[0]，從而讓S[5]跟P[0]匹配。

    而S[5]肯定跟P[0]失配。為什麼呢？因為在之前第4步匹配中，我們已經得知S[5] = P[1] = B，而P[0] = A，即P[1] != P[0]，故S[5]必定不等於P[0]，所以回溯過去必然會導致失配。那有沒有一種演算法，讓i 不往回退，只需要移動j 即可呢？

    答案是肯定的。這種演算法就是本文的主旨KMP演算法，它利用之前已經部分匹配這個有效資訊，保持i 不回溯，通過修改j 的位置，讓模式串儘量地移動到有效的位置。

 

3. KMP演算法

3.1 定義

    Knuth-Morris-Pratt 字串查詢演算法，簡稱為 “KMP演算法”，常用於在一個文字串S內查詢一個模式串P 的出現位置，這個演算法由Donald Knuth、Vaughan Pratt、James H. Morris三人於1977年聯合發表，故取這3人的姓氏命名此演算法。

    下面先直接給出KMP的演算法流程（如果感到一點點不適，沒關係，堅持下，稍後會有具體步驟及解釋，越往後看越會柳暗花明☺）：

  • 假設現在文字串S匹配到 i 位置，模式串P匹配到 j 位置
    • 如果j = -1，或者當前字元匹配成功（即S[i] == P[j]），都令i++，j++，繼續匹配下一個字元；
    • 如果j != -1，且當前字元匹配失敗（即S[i] != P[j]），則令 i 不變，j = next[j]。此舉意味著失配時，模式串P相對於文字串S向右移動了j - next [j] 位。
      • 換言之，當匹配失敗時，模式串向右移動的位數為：失配字元所在位置 - 失配字元對應的next 值（next 陣列的求解會在下文的3.3.3節中詳細闡述），即移動的實際位數為：j - next[j]，且此值大於等於1。

    很快，你也會意識到next 陣列各值的含義：代表當前字元之前的字串中，有多大長度的相同字首字尾。例如如果next [j] = k，代表j 之前的字串中有最大長度為k 的相同字首字尾。

    此也意味著在某個字元失配時，該字元對應的next 值會告訴你下一步匹配中，模式串應該跳到哪個位置（跳到next [j] 的位置）。如果next [j] 等於0或-1，則跳到模式串的開頭字元，若next [j] = k 且 k > 0，代表下次匹配跳到j 之前的某個字元，而不是跳到開頭，且具體跳過了k 個字元。

    轉換成程式碼表示，則是：

int KmpSearch(char* s, char* p)
{
	int i = 0;
	int j = 0;
	int sLen = strlen(s);
	int pLen = strlen(p);
	while (i < sLen && j < pLen)
	{
		//①如果j = -1，或者當前字元匹配成功（即S[i] == P[j]），都令i++，j++    
		if (j == -1 || s[i] == p[j])
		{
			i++;
			j++;
		}
		else
		{
			//②如果j != -1，且當前字元匹配失敗（即S[i] != P[j]），則令 i 不變，j = next[j]    
			//next[j]即為j所對應的next值      
			j = next[j];
		}
	}
	if (j == pLen)
		return i - j;
	else
		return -1;
}

繼續拿之前的例子來說，當S[10]跟P[6]匹配失敗時，KMP不是跟暴力匹配那樣簡單的把模式串右移一位，而是執行第②條指令：“如果j != -1，且當前字元匹配失敗（即S[i] != P[j]），則令 i 不變，j = next[j]”，即j 從6變到2（後面我們將求得P[6]，即字元D對應的next 值為2），所以相當於模式串向右移動的位數為j - next[j]（j - next[j] = 6-2 = 4）。

    向右移動4位後，S[10]跟P[2]繼續匹配。為什麼要向右移動4位呢，因為移動4位後，模式串中又有個“AB”可以繼續跟S[8]S[9]對應著，從而不用讓i 回溯。相當於在除去字元D的模式串子串中尋找相同的字首和字尾，然後根據字首字尾求出next 陣列，最後基於next 陣列進行匹配（不關心next 陣列是怎麼求來的，只想看匹配過程是咋樣的，可直接跳到下文3.3.4節）。

3.2 步驟

  • ①尋找字首字尾最長公共元素長度
    • 對於P = p0 p1 ...pj-1 pj，尋找模式串P中長度最大且相等的字首和字尾。如果存在p0 p1 ...pk-1 pk = pj- k pj-k+1...pj-1 pj，那麼在包含pj的模式串中有最大長度為k+1的相同字首字尾。舉個例子，如果給定的模式串為“abab”，那麼它的各個子串的字首字尾的公共元素的最大長度如下表格所示：

比如對於字串aba來說，它有長度為1的相同字首字尾a；而對於字串abab來說，它有長度為2的相同字首字尾ab（相同字首字尾的長度為k + 1，k + 1 = 2）。

  • ②求next陣列
    • next 陣列考慮的是除當前字元外的最長相同字首字尾，所以通過第①步驟求得各個字首字尾的公共元素的最大長度後，只要稍作變形即可：將第①步驟中求得的值整體右移一位，然後初值賦為-1，如下表格所示：

比如對於aba來說，第3個字元a之前的字串ab中有長度為0的相同字首字尾，所以第3個字元a對應的next值為0；而對於abab來說，第4個字元b之前的字串aba中有長度為1的相同字首字尾a，所以第4個字元b對應的next值為1（相同字首字尾的長度為k，k = 1）。

  • ③根據next陣列進行匹配
    • 匹配失配，j = next [j]，模式串向右移動的位數為：j - next[j]。換言之，當模式串的字尾pj-k pj-k+1, ..., pj-1 跟文字串si-k si-k+1, ..., si-1匹配成功，但pj 跟si匹配失敗時，因為next[j] = k，相當於在不包含pj的模式串中有最大長度為k 的相同字首字尾，即p0 p1 ...pk-1 = pj-k pj-k+1...pj-1，故令j = next[j]，從而讓模式串右移j - next[j] 位，使得模式串的字首p0 p1, ..., pk-1對應著文字串 si-k si-k+1, ..., si-1，而後讓pk 跟si 繼續匹配。如下圖所示：

 

    綜上，KMP的next 陣列相當於告訴我們：當模式串中的某個字元跟文字串中的某個字元匹配失配時，模式串下一步應該跳到哪個位置。如模式串中在j 處的字元跟文字串在i 處的字元匹配失配時，下一步用next [j] 處的字元繼續跟文字串i 處的字元匹配，相當於模式串向右移動 j - next[j] 位。

    接下來，分別具體解釋上述3個步驟。

 

3.3 解釋

3.3.1 尋找最長字首字尾

    如果給定的模式串是：“ABCDABD”，從左至右遍歷整個模式串，其各個子串的字首字尾分別如下表格所示：

    也就是說，原模式串子串對應的各個字首字尾的公共元素的最大長度表為（下簡稱《最大長度表》）：

 

3.3.2 基於《最大長度表》匹配

    因為模式串中首尾可能會有重複的字元，故可得出下述結論：

失配時，模式串向右移動的位數為：已匹配字元數 - 失配字元的上一位字元所對應的最大長度值

    下面，我們們就結合之前的《最大長度表》和上述結論，進行字串的匹配。如果給定文字串“BBC ABCDAB ABCDABCDABDE”，和模式串“ABCDABD”，現在要拿模式串去跟文字串匹配，如下圖所示：

        

  • 1. 因為模式串中的字元A跟文字串中的字元B、B、C、空格一開始就不匹配，所以不必考慮結論，直接將模式串不斷的右移一位即可，直到模式串中的字元A跟文字串的第5個字元A匹配成功：

  • 2. 繼續往後匹配，當模式串最後一個字元D跟文字串匹配時失配，顯而易見，模式串需要向右移動。但向右移動多少位呢？因為此時已經匹配的字元數為6個（ABCDAB），然後根據《最大長度表》可得失配字元D的上一位字元B對應的長度值為2，所以根據之前的結論，可知需要向右移動6 - 2 = 4 位。

  • 3. 模式串向右移動4位後，發現C處再度失配，因為此時已經匹配了2個字元（AB），且上一位字元B對應的最大長度值為0，所以向右移動：2 - 0 =2 位。

           

  • 4. A與空格失配，向右移動1 位。

  • 5. 繼續比較，發現D與C 失配，故向右移動的位數為：已匹配的字元數6減去上一位字元B對應的最大長度2，即向右移動6 - 2 = 4 位。

           

  • 6. 經歷第5步後，發現匹配成功，過程結束。

          

    通過上述匹配過程可以看出，問題的關鍵就是尋找模式串中最大長度的相同字首和字尾，找到了模式串中每個字元之前的字首和字尾公共部分的最大長度後，便可基於此匹配。而這個最大長度便正是next 陣列要表達的含義。

3.3.3 根據《最大長度表》求next 陣列

    由上文，我們已經知道，字串“ABCDABD”各個字首字尾的最大公共元素長度分別為：

 

 

    而且，根據這個表可以得出下述結論

 

  • 失配時，模式串向右移動的位數為：已匹配字元數 - 失配字元的上一位字元所對應的最大長度值

    上文利用這個表和結論進行匹配時，我們發現，當匹配到一個字元失配時，其實沒必要考慮當前失配的字元，更何況我們每次失配時，都是看的失配字元的上一位字元對應的最大長度值。如此，便引出了next 陣列。

    給定字串“ABCDABD”，可求得它的next 陣列如下：

 

 

 

    把next 陣列跟之前求得的最大長度表對比後，不難發現，next 陣列相當於“最大長度值” 整體向右移動一位，然後初始值賦為-1。意識到了這一點，你會驚呼原來next 陣列的求解竟然如此簡單：就是找最大對稱長度的字首字尾，然後整體右移一位，初值賦為-1（當然，你也可以直接計算某個字元對應的next值，就是看這個字元之前的字串中有多大長度的相同字首字尾）。

    換言之，對於給定的模式串：ABCDABD，它的最大長度表及next 陣列分別如下：

    根據最大長度表求出了next 陣列後，從而有

 

失配時，模式串向右移動的位數為：失配字元所在位置 - 失配字元對應的next 值

    而後，你會發現，無論是基於《最大長度表》的匹配，還是基於next 陣列的匹配，兩者得出來的向右移動的位數是一樣的。為什麼呢？因為：

  • 根據《最大長度表》，失配時，模式串向右移動的位數 = 已經匹配的字元數 - 失配字元的上一位字元的最大長度值
  • 而根據《next 陣列》，失配時，模式串向右移動的位數 = 失配字元的位置 - 失配字元對應的next 值
    • 其中，從0開始計數時，失配字元的位置 = 已經匹配的字元數（失配字元不計數），而失配字元對應的next 值 = 失配字元的上一位字元的最大長度值，兩相比較，結果必然完全一致。

    所以，你可以把《最大長度表》看做是next 陣列的雛形，甚至就把它當做next 陣列也是可以的，區別不過是怎麼用的問題。

3.3.4 通過程式碼遞推計算next 陣列

    接下來，我們們來寫程式碼求下next 陣列。

    基於之前的理解，可知計算next 陣列的方法可以採用遞推：

  • 1. 如果對於值k，已有p0 p1, ..., pk-1 = pj-k pj-k+1, ..., pj-1，相當於next[j] = k。
    • 此意味著什麼呢？究其本質，next[j] = k 代表p[j] 之前的模式串子串中，有長度為k 的相同字首和字尾。有了這個next 陣列，在KMP匹配中，當模式串中j 處的字元失配時，下一步用next[j]處的字元繼續跟文字串匹配，相當於模式串向右移動j - next[j] 位。

舉個例子，如下圖，根據模式串“ABCDABD”的next 陣列可知失配位置的字元D對應的next 值為2，代表字元D前有長度為2的相同字首和字尾（這個相同的字首字尾即為“AB”），失配後，模式串需要向右移動j - next [j] = 6 - 2 =4位。

向右移動4位後，模式串中的字元C繼續跟文字串匹配。

  • 2. 下面的問題是：已知next [0, ..., j]，如何求出next [j + 1]呢？

    對於P的前j+1個序列字元：

  • 若p[k] == p[j]，則next[j + 1 ] = next [j] + 1 = k + 1；
  • 若p[k ] ≠ p[j]，如果此時p[ next[k] ] == p[j ]，則next[ j + 1 ] =  next[k] + 1，否則繼續遞迴字首索引k = next[k]，而後重複此過程。 相當於在字元p[j+1]之前不存在長度為k+1的字首"p0 p1, …, pk-1 pk"跟字尾“pj-k pj-k+1, …, pj-1 pj"相等，那麼是否可能存在另一個值t+1 < k+1，使得長度更小的字首 “p0 p1, …, pt-1 pt” 等於長度更小的字尾 “pj-t pj-t+1, …, pj-1 pj” 呢？如果存在，那麼這個t+1 便是next[ j+1]的值，此相當於利用已經求得的next 陣列（next [0, ..., k, ..., j]）進行P串字首跟P串字尾的匹配。

   一般的文章或教材可能就此一筆帶過，但大部分的初學者可能還是不能很好的理解上述求解next 陣列的原理，故接下來，我再來著重說明下。

    如下圖所示，假定給定模式串ABCDABCE，且已知next [j] = k（相當於“p0 pk-1” = “pj-k pj-1” = AB，可以看出k為2），現要求next [j + 1]等於多少？因為pk = pj = C，所以next[j + 1] = next[j] + 1 = k + 1（可以看出next[j + 1] = 3）。代表字元E前的模式串中，有長度k+1 的相同字首字尾。

    但如果pk != pj 呢？說明“p0 pk-1 pk”  ≠ “pj-k pj-1 pj”。換言之，當pk != pj後，字元E前有多大長度的相同字首字尾呢？很明顯，因為C不同於D，所以ABC 跟 ABD不相同，即字元E前的模式串沒有長度為k+1的相同字首字尾，也就不能再簡單的令：next[j + 1] = next[j] + 1 。所以，我們們只能去尋找長度更短一點的相同字首字尾。

    結合上圖來講，若能在字首“ p0 pk-1 pk ” 中不斷的遞迴字首索引k = next [k]，找到一個字元pk’ 也為D，代表pk’ = pj，且滿足p0 pk'-1 pk' = pj-k' pj-1 pj，則最大相同的字首字尾長度為k' + 1，從而next [j + 1] = k’ + 1 = next [k' ] + 1。否則字首中沒有D，則代表沒有相同的字首字尾，next [j + 1] = 0。

    那為何遞迴字首索引k = next[k]，就能找到長度更短的相同字首字尾呢？這又歸根到next陣列的含義。我們拿字首 p0 pk-1 pk 去跟字尾pj-k pj-1 pj匹配，如果pk 跟pj 失配，下一步就是用p[next[k]] 去跟pj 繼續匹配，如果p[ next[k] ]跟pj還是不匹配，則需要尋找長度更短的相同字首字尾，即下一步用p[ next[ next[k] ] ]去跟pj匹配。此過程相當於模式串的自我匹配，所以不斷的遞迴k = next[k]，直到要麼找到長度更短的相同字首字尾，要麼沒有長度更短的相同字首字尾。如下圖所示：

    

    所以，因最終在字首ABC中沒有找到D，故E的next 值為0：

 

模式串的字尾：ABDE
模式串的字首：ABC
字首右移兩位：     ABC
 

    讀到此，有的讀者可能又有疑問了，那能否舉一個能在字首中找到字元D的例子呢？OK，我們們便來看一個能在字首中找到字元D的例子，如下圖所示：

    給定模式串DABCDABDE，我們很順利的求得字元D之前的“DABCDAB”的各個子串的最長相同字首字尾的長度分別為0 0 0 0 1 2 3，但當遍歷到字元D，要求包括D在內的“DABCDABD”最長相同字首字尾時，我們發現pj處的字元D跟pk處的字元C不一樣，換言之，字首DABC的最後一個字元C 跟字尾DABD的最後一個字元D不相同，所以不存在長度為4的相同字首字尾。

    怎麼辦呢？既然沒有長度為4的相同字首字尾，我們們可以尋找長度短點的相同字首字尾，最終，因在p0處發現也有個字元D，p0 = pj，所以p[j]對應的長度值為1，相當於E對應的next 值為1（即字元E之前的字串“DABCDABD”中有長度為1的相同字首和字尾）。

    綜上，可以通過遞推求得next 陣列，程式碼如下所示：

void GetNext(char* p,int next[])
{
	int pLen = strlen(p);
	next[0] = -1;
	int k = -1;
	int j = 0;
	while (j < pLen - 1)
	{
		//p[k]表示字首，p[j]表示字尾
		if (k == -1 || p[j] == p[k]) 
		{
			++k;
			++j;
			next[j] = k;
		}
		else 
		{
			k = next[k];
		}
	}
}

用程式碼重新計算下“ABCDABD”的next 陣列，以驗證之前通過“最長相同字首字尾長度值右移一位，然後初值賦為-1”得到的next 陣列是否正確，計算結果如下表格所示：

    從上述表格可以看出，無論是之前通過“最長相同字首字尾長度值右移一位，然後初值賦為-1”得到的next 陣列，還是之後通過程式碼遞推計算求得的next 陣列，結果是完全一致的。

3.3.5 基於《next 陣列》匹配

    下面，我們來基於next 陣列進行匹配。

 

    還是給定文字串“BBC ABCDAB ABCDABCDABDE”，和模式串“ABCDABD”，現在要拿模式串去跟文字串匹配，如下圖所示：

    在正式匹配之前，讓我們來再次回顧下上文2.1節所述的KMP演算法的匹配流程：

  • “假設現在文字串S匹配到 i 位置，模式串P匹配到 j 位置
    • 如果j = -1，或者當前字元匹配成功（即S[i] == P[j]），都令i++，j++，繼續匹配下一個字元；
    • 如果j != -1，且當前字元匹配失敗（即S[i] != P[j]），則令 i 不變，j = next[j]。此舉意味著失配時，模式串P相對於文字串S向右移動了j - next [j] 位。
      • 換言之，當匹配失敗時，模式串向右移動的位數為：失配字元所在位置 - 失配字元對應的next 值，即移動的實際位數為：j - next[j]，且此值大於等於1。”
  • 1. 最開始匹配時
    • P[0]跟S[0]匹配失敗
      • 所以執行“如果j != -1，且當前字元匹配失敗（即S[i] != P[j]），則令 i 不變，j = next[j]”，所以j = -1，故轉而執行“如果j = -1，或者當前字元匹配成功（即S[i] == P[j]），都令i++，j++”，得到i = 1，j = 0，即P[0]繼續跟S[1]匹配。
    • P[0]跟S[1]又失配，j再次等於-1，i、j繼續自增，從而P[0]跟S[2]匹配。
    • P[0]跟S[2]失配後，P[0]又跟S[3]匹配。
    • P[0]跟S[3]再失配，直到P[0]跟S[4]匹配成功，開始執行此條指令的後半段：“如果j = -1，或者當前字元匹配成功（即S[i] == P[j]），都令i++，j++”。
  • 2. P[1]跟S[5]匹配成功，P[2]跟S[6]也匹配成功, ...，直到當匹配到P[6]處的字元D時失配（即S[10] != P[6]），由於P[6]處的D對應的next 值為2，所以下一步用P[2]處的字元C繼續跟S[10]匹配，相當於向右移動：j - next[j] = 6 - 2 =4 位。

  • 3. 向右移動4位後，P[2]處的C再次失配，由於C對應的next值為0，所以下一步用P[0]處的字元繼續跟S[10]匹配，相當於向右移動：j - next[j] = 2 - 0 = 2 位。

  • 4. 移動兩位之後，A 跟空格不匹配，模式串後移1 位。

  • 5. P[6]處的D再次失配，因為P[6]對應的next值為2，故下一步用P[2]繼續跟文字串匹配，相當於模式串向右移動 j - next[j] = 6 - 2 = 4 位。
  • 6. 匹配成功，過程結束。

    匹配過程一模一樣。也從側面佐證了，next 陣列確實是只要將各個最大字首字尾的公共元素的長度值右移一位，且把初值賦為-1 即可。

3.3.6 基於《最大長度表》與基於《next 陣列》等價

    我們已經知道，利用next 陣列進行匹配失配時，模式串向右移動 j - next [ j ] 位，等價於已匹配字元數 - 失配字元的上一位字元所對應的最大長度值。原因是：

  1. j 從0開始計數，那麼當數到失配字元時，j 的數值就是已匹配的字元數；
  2. 由於next 陣列是由最大長度值表整體向右移動一位（且初值賦為-1）得到的，那麼失配字元的上一位字元所對應的最大長度值，即為當前失配字元的next 值。

    但為何本文不直接利用next 陣列進行匹配呢？因為next 陣列不好求，而一個字串的字首字尾的公共元素的最大長度值很容易求。例如若給定模式串“ababa”，要你快速口算出其next 陣列，乍一看，每次求對應字元的next值時，還得把該字元排除之外，然後看該字元之前的字串中有最大長度為多大的相同字首字尾，此過程不夠直接。而如果讓你求其字首字尾公共元素的最大長度，則很容易直接得出結果：0 0 1 2 3，如下表格所示：

    然後這5個數字 全部整體右移一位，且初值賦為-1，即得到其next 陣列：-1 0 0 1 2。

3.3.7 Next 陣列與有限狀態自動機

    next 負責把模式串向前移動，且當第j位不匹配的時候，用第next[j]位和主串匹配，就像打了張“表”。此外，next 也可以看作有限狀態自動機的狀態，在已經讀了多少字元的情況下，失配後，前面讀的若干個字元是有用的。

3.3.8 Next 陣列的優化

   行文至此，我們們全面瞭解了暴力匹配的思路、KMP演算法的原理、流程、流程之間的內在邏輯聯絡，以及next 陣列的簡單求解（《最大長度表》整體右移一位，然後初值賦為-1）和程式碼求解，最後基於《next 陣列》的匹配，看似洋洋灑灑，清晰透徹，但以上忽略了一個小問題。

    比如，如果用之前的next 陣列方法求模式串“abab”的next 陣列，可得其next 陣列為-1 0 0 1（0 0 1 2整體右移一位，初值賦為-1），當它跟下圖中的文字串去匹配的時候，發現b跟c失配，於是模式串右移j - next[j] = 3 - 1 =2位。

    右移2位後，b又跟c失配。事實上，因為在上一步的匹配中，已經得知p[3] = b，與s[3] = c失配，而右移兩位之後，讓p[ next[3] ] = p[1] = b 再跟s[3]匹配時，必然失配。問題出在哪呢？

   

    問題出在不該出現p[j] = p[ next[j] ]。為什麼呢？理由是：當p[j] != s[i] 時，下次匹配必然是p[ next [j]] 跟s[i]匹配，如果p[j] = p[ next[j] ]，必然導致後一步匹配失敗（因為p[j]已經跟s[i]失配，然後你還用跟p[j]等同的值p[next[j]]去跟s[i]匹配，很顯然，必然失配），所以不能允許p[j] = p[ next[j ]]。如果出現了p[j] = p[ next[j] ]咋辦呢？如果出現了，則需要再次遞迴，即令next[j] = next[ next[j] ]。

    所以，我們們得修改下求next 陣列的程式碼。

//優化過後的next 陣列求法
void GetNextval(char* p, int next[])
{
	int pLen = strlen(p);
	next[0] = -1;
	int k = -1;
	int j = 0;
	while (j < pLen - 1)
	{
		//p[k]表示字首，p[j]表示字尾  
		if (k == -1 || p[j] == p[k])
		{
			++j;
			++k;
			//較之前next陣列求法，改動在下面4行
			if (p[j] != p[k])
				next[j] = k;   //之前只有這一行
			else
				//因為不能出現p[j] = p[ next[j ]]，所以當出現時需要繼續遞迴，k = next[k] = next[next[k]]
				next[j] = next[k];
		}
		else
		{
			k = next[k];
		}
	}
}

利用優化過後的next 陣列求法，可知模式串“abab”的新next陣列為：-1 0 -1 0。可能有些讀者會問：原始next 陣列是字首字尾最長公共元素長度值右移一位， 然後初值賦為-1而得，那麼優化後的next 陣列如何快速心算出呢？實際上，只要求出了原始next 陣列，便可以根據原始next 陣列快速求出優化後的next 陣列。還是以abab為例，如下表格所示：

    

 

只要出現了p[next[j]] = p[j]的情況，則把next[j]的值再次遞迴。例如在求模式串“abab”的第2個a的next值時，如果是未優化的next值的話，第2個a對應的next值為0，相當於第2個a失配時，下一步匹配模式串會用p[0]處的a再次跟文字串匹配，必然失配。所以求第2個a的next值時，需要再次遞迴：next[2] = next[ next[2] ] = next[0] = -1（此後，根據優化後的新next值可知，第2個a失配時，執行“如果j = -1，或者當前字元匹配成功（即S[i] == P[j]），都令i++，j++，繼續匹配下一個字元”），同理，第2個b對應的next值為0。

對於優化後的next陣列可以發現一點：如果模式串的字尾跟字首相同，那麼它們的next值也是相同的，例如模式串abcabc，它的字首字尾都是abc，其優化後的next陣列為：-1 0 0 -1 0 0，字首字尾abc的next值都為-1 0 0。

 

    然後引用下之前3.1節的KMP程式碼：

int KmpSearch(char* s, char* p)
{
	int i = 0;
	int j = 0;
	int sLen = strlen(s);
	int pLen = strlen(p);
	while (i < sLen && j < pLen)
	{
		//①如果j = -1，或者當前字元匹配成功（即S[i] == P[j]），都令i++，j++    
		if (j == -1 || s[i] == p[j])
		{
			i++;
			j++;
		}
		else
		{
			//②如果j != -1，且當前字元匹配失敗（即S[i] != P[j]），則令 i 不變，j = next[j]    
			//next[j]即為j所對應的next值      
			j = next[j];
		}
	}
	if (j == pLen)
		return i - j;
	else
		return -1;
}

  接下來，我們們繼續拿之前的例子說明，整個匹配過程如下：

    1. S[3]與P[3]匹配失敗。

    2. S[3]保持不變，P的下一個匹配位置是P[next[3]]，而next[3]=0，所以P[next[3]]=P[0]與S[3]匹配。

    3.  由於上一步驟中P[0]與S[3]還是不匹配。此時i=3，j=next [0]=-1，由於滿足條件j==-1，所以執行“++i, ++j”，即主串指標下移一個位置，P[0]與S[4]開始匹配。最後j==pLen，跳出迴圈，輸出結果i - j = 4（即模式串第一次在文字串中出現的位置），匹配成功，演算法結束。

   

3.4 KMP的時間複雜度分析

    相信大部分讀者讀完上文之後，已經發覺其實理解KMP非常容易，無非是循序漸進把握好下面幾點：

  1. 如果模式串中存在相同字首和字尾，即pj-k pj-k+1, ..., pj-1 = p0 p1, ..., pk-1，那麼在pj跟si失配後，讓模式串的字首p0 p1...pk-1對應著文字串si-k si-k+1...si-1，而後讓pk跟si繼續匹配。
  2. 之前本應是pj跟si匹配，結果失配了，失配後，令pk跟si匹配，相當於j 變成了k，模式串向右移動j - k位。
  3. 因為k 的值是可變的，所以我們用next[j]表示j處字元失配後，下一次匹配模式串應該跳到的位置。換言之，失配前是j，pj跟si失配時，用p[ next[j] ]繼續跟si匹配，相當於j變成了next[j]，所以，j = next[j]，等價於把模式串向右移動j - next [j] 位。
  4. 而next[j]應該等於多少呢？next[j]的值由j 之前的模式串子串中有多大長度的相同字首字尾所決定，如果j 之前的模式串子串中（不含j）有最大長度為k的相同字首字尾，那麼next [j] = k。

    如之前的圖所示：

    接下來，我們們來分析下KMP的時間複雜度。分析之前，先來回顧下KMP匹配演算法的流程：

 

“KMP的演算法流程：

  • 假設現在文字串S匹配到 i 位置，模式串P匹配到 j 位置
    • 如果j = -1，或者當前字元匹配成功（即S[i] == P[j]），都令i++，j++，繼續匹配下一個字元；
    • 如果j != -1，且當前字元匹配失敗（即S[i] != P[j]），則令 i 不變，j = next[j]。此舉意味著失配時，模式串P相對於文字串S向右移動了j - next [j] 位。”

    我們發現如果某個字元匹配成功，模式串首字元的位置保持不動，僅僅是i++、j++；如果匹配失配，i 不變（即 i 不回溯），模式串會跳過匹配過的next [j]個字元。整個演算法最壞的情況是，當模式串首字元位於i - j的位置時才匹配成功，演算法結束。
    所以，如果文字串的長度為n，模式串的長度為m，那麼匹配過程的時間複雜度為O(n)，算上計算next的O(m)時間，KMP的整體時間複雜度為O(m + n)。

 

4. 擴充套件1：BM演算法

    KMP的匹配是從模式串的開頭開始匹配的，而1977年，德克薩斯大學的Robert S. Boyer教授和J Strother Moore教授發明了一種新的字串匹配演算法：Boyer-Moore演算法，簡稱BM演算法。該演算法從模式串的尾部開始匹配，且擁有在最壞情況下O(N)的時間複雜度。在實踐中，比KMP演算法的實際效能高。

    BM演算法定義了兩個規則：

  • 壞字元規則：當文字串中的某個字元跟模式串的某個字元不匹配時，我們稱文字串中的這個失配字元為壞字元，此時模式串需要向右移動，移動的位數 = 壞字元在模式串中的位置 - 壞字元在模式串中最右出現的位置。此外，如果"壞字元"不包含在模式串之中，則最右出現位置為-1。
  • 好字尾規則：當字元失配時，後移位數 = 好字尾在模式串中的位置 - 好字尾在模式串上一次出現的位置，且如果好字尾在模式串中沒有再次出現，則為-1。

    下面舉例說明BM演算法。例如，給定文字串“HERE IS A SIMPLE EXAMPLE”，和模式串“EXAMPLE”，現要查詢模式串是否在文字串中，如果存在，返回模式串在文字串中的位置。

    1. 首先，"文字串"與"模式串"頭部對齊，從尾部開始比較。"S"與"E"不匹配。這時，"S"就被稱為"壞字元"（bad character），即不匹配的字元，它對應著模式串的第6位。且"S"不包含在模式串"EXAMPLE"之中（相當於最右出現位置是-1），這意味著可以把模式串後移6-(-1)=7位，從而直接移到"S"的後一位。

    2. 依然從尾部開始比較，發現"P"與"E"不匹配，所以"P"是"壞字元"。但是，"P"包含在模式串"EXAMPLE"之中。因為“P”這個“壞字元”對應著模式串的第6位（從0開始編號），且在模式串中的最右出現位置為4，所以，將模式串後移6-4=2位，兩個"P"對齊。

    3. 依次比較，得到 “MPLE”匹配，稱為"好字尾"（good suffix），即所有尾部匹配的字串。注意，"MPLE"、"PLE"、"LE"、"E"都是好字尾。

 

    4. 發現“I”與“A”不匹配：“I”是壞字元。如果是根據壞字元規則，此時模式串應該後移2-(-1)=3位。問題是，有沒有更優的移法？

    5. 更優的移法是利用好字尾規則：當字元失配時，後移位數 = 好字尾在模式串中的位置 - 好字尾在模式串中上一次出現的位置，且如果好字尾在模式串中沒有再次出現，則為-1。
    所有的“好字尾”（MPLE、PLE、LE、E）之中，只有“E”在“EXAMPLE”的頭部出現，所以後移6-0=6位。
    可以看出，“壞字元規則”只能移3位，“好字尾規則”可以移6位。每次後移這兩個規則之中的較大值。這兩個規則的移動位數，只與模式串有關，與原文字串無關。

    6. 繼續從尾部開始比較，“P”與“E”不匹配，因此“P”是“壞字元”，根據“壞字元規則”，後移 6 - 4 = 2位。因為是最後一位就失配，尚未獲得好字尾。

 

    由上可知，BM演算法不僅效率高，而且構思巧妙，容易理解。

 

5. 擴充套件2：Sunday演算法

    上文中，我們已經介紹了KMP演算法和BM演算法，這兩個演算法在最壞情況下均具有線性的查詢時間。但實際上，KMP演算法並不比最簡單的c庫函式strstr()快多少，而BM演算法雖然通常比KMP演算法快，但BM演算法也還不是現有字串查詢演算法中最快的演算法，本文最後再介紹一種比BM演算法更快的查詢演算法即Sunday演算法。

    Sunday演算法由Daniel M.Sunday在1990年提出，它的思想跟BM演算法很相似：

 

  • 只不過Sunday演算法是從前往後匹配，在匹配失敗時關注的是文字串中參加匹配的最末位字元的下一位字元。
    • 如果該字元沒有在模式串中出現則直接跳過，即移動位數 = 匹配串長度 + 1；
    • 否則，其移動位數 = 模式串中最右端的該字元到末尾的距離+1。

    下面舉個例子說明下Sunday演算法。假定現在要在文字串"substring searching algorithm"中查詢模式串"search"。

    1. 剛開始時，把模式串與文字串左邊對齊：
substring searching algorithm
search
^
    2. 結果發現在第2個字元處發現不匹配，不匹配時關注文字串中參加匹配的最末位字元的下一位字元，即標粗的字元 i，因為模式串search中並不存在i，所以模式串直接跳過一大片，向右移動位數 = 匹配串長度 + 1 = 6 + 1 = 7，從 i 之後的那個字元（即字元n）開始下一步的匹配，如下圖：

substring searching algorithm
　　　 search
　　　　^
    3. 結果第一個字元就不匹配，再看文字串中參加匹配的最末位字元的下一位字元，是'r'，它出現在模式串中的倒數第3位，於是把模式串向右移動3位（r 到模式串末尾的距離 + 1 = 2 + 1 =3），使兩個'r'對齊，如下：
substring searching algorithm
　　　　  search
　　　　　　　^

    4. 匹配成功。

    回顧整個過程，我們只移動了兩次模式串就找到了匹配位置，緣於Sunday演算法每一步的移動量都比較大，效率很高。完。

6. 參考文獻

  1. 《演算法導論》的第十二章：字串匹配；
  2. 本文中模式串“ABCDABD”的部分圖來自於此文：http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/05/Knuth%E2%80%93Morris%E2%80%93Pratt_algorithm.html；
  3. 本文3.3.7節中有限狀態自動機的圖由微博網友@龔陸安 繪製：http://d.pr/i/NEiz；
  4. 北京7月暑假班鄒博半小時KMP視訊：http://www.julyedu.com/video/play/id/5；
  5. 北京7月暑假班鄒博第二次課的PPT：http://yun.baidu.com/s/1mgFmw7u；
  6. 理解KMP 的9張PPT：http://weibo.com/1580904460/BeCCYrKz3#_rnd1405957424876；
  7. 詳解KMP演算法（多圖）：http://www.cnblogs.com/yjiyjige/p/3263858.html；
  8. 本文第4部分的BM演算法參考自此文：http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/05/boyer-moore_string_search_algorithm.html；
  9. http://youlvconglin.blog.163.com/blog/static/5232042010530101020857；
  10. 《資料結構 第二版》，嚴蔚敏 & 吳偉民編著；
  11. http://blog.csdn.net/v_JULY_v/article/details/6545192；
  12. http://blog.csdn.net/v_JULY_v/article/details/6111565；
  13. Sunday演算法的原理與實現：http://blog.chinaunix.net/uid-22237530-id-1781825.html；
  14. 模式匹配之Sunday演算法：http://blog.csdn.net/sunnianzhong/article/details/8820123；
  15. 一篇KMP的英文介紹：http://www.inf.fh-flensburg.de/lang/algorithmen/pattern/kmpen.htm；
  16. 我2014年9月3日在西安電子科技大學的面試&演算法講座視訊（第36分鐘~第94分鐘講KMP）：http://www.julyedu.com/video/play/21。
  17. 一幅圖理解KMP next陣列的求法：http://v.atob.site/kmp-next.html

KMP演算法 Next陣列

開始正文

最近在看資料結構KMP演算法。本文針對求Next[ ] 陣列。 
KMP的解釋，以及程式碼實現到處都是，自行google、百度，就不再這裡貼了。 
相信很多人在求解next陣列時遇到了瓶頸，各種部落格論壇的解決方案也各不相同，有的甚至是錯誤的，那麼next陣列到底是怎麼求的呢？

1.在求next陣列之前，首先我們求“公有元素個數”，之後求next會用到。 
舉個例子： 
模式串：abaabcac

這裡寫圖片描述 
如何求的呢？ 
“公有元素個數”就是”字首”和”字尾”相同的元素的個數。 
“a”的字首和字尾都為空集，公有元素的個數為0； 
“ab”的字首為[a]，字尾為[b]，公有元素的個數為0； 
“aba”的字首為[a, ab]，字尾為[ba, a]，公有元素的個數1； 
“abaa”的字首為[a, ab, aba]，字尾為[baa, aa, a]，公有元素的個數為1； 
“abaab”的字首為[a, ab, aba, abaa]，字尾為[baab, aab, ab, b]，公有元素個數為2； 
“abaabc”的字首為[a, ab, aba, abaa, abaab]，字尾為[baabc, aabc, abc, bc, c]，公有元素個數0； 
同理“abaabca”的元素公有個數為1； 
“abaabcac”的元素公有個數為0; 
2.next函式的定義如下：

這裡寫圖片描述 
next[j]如下：

這裡寫圖片描述

分析：由next公式可知： 
當j=1時，next[j]=0; 
當j=2時，由1<k<j可得 1<k<2,因為k是整數，所以，屬於第三種情況(其他情況)，所以next[j]=1; 
當j>2時，next[j]=k, k-1=前一個的公有元素個數； 
所以，next[3] = 1+0 =1； 
next[4] = 1+1 =2； 
next[5] = 1+1 =2; 
next[6] = 1+2 = 3; 
next[7] = 1+0 = 1; 
next[8] = 1+1 = 2;

總結： 
其實我們來看next[1],next[2],是必等與0和1的。當j>2時，我們可以用 (k=next[j],next[j]=1+前一個的公有元素個數) 這個公式來求。 
牛客網上有人算得“aaab”這個字串是0120應該是用的阮一峰老師的部分匹配表那種方法，也是可以，不過要注意人家是要你求next[j]還是部分匹配表。 
其實字串匹配速度最快的是Boyer-Moore這種演算法，好像ctrl+F都是用的這個。

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