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真正把kmp算法中的next数组含义和求法讲明白

首先kmp算法是什么我就不啰嗦了。

直接讲next数组。

next数组我是这样定义的:该位置前面字符串的最长相同的真前缀和真后缀长度。

 

直接看这个字符串, ABABDABABAE:

 

中间一行是字符串的位置下标

首先,来看next数组第一个应该填什么。

很明显,A这个位置前面压根没字符了,所以也不存在最长相同真前后缀。

按照定义,把next数组第一个填 0(实际一般填-1,这个是为什么后面再解释)。

 

 

 

那么看第二个,字符是B,那么它前面是字符串A。

这里注意一下,求最长相同前后缀,真前缀是不包括自身的,真后缀同理。

那么也很显然,A也没有真前后缀,更别说相同的真前后缀了。

所以next数组第二个也填0。

 

 

 

 

看第三个,字符是A,那么它前面是字符串AB。

这次有真前后缀了,真前缀只有一个A,真后缀只有一个B。

相同的真前后缀长度还是0。

 

 

 

看第四个,字符是B,那么它前面是字符串ABA。

ABA的 真前缀有A, AB。真后缀有A, BA。

好,这次不是0了,A和A相同。

因此最长的相同的真前后缀长度是1。

所以next数组第4个填1。

 

 

 

 

后面不用多说。按照这思路求出来的next数组应该是这个样子的:

 

 

这里我说个重要点:

next数组存的不是这个位置的 最长的相同的真前后缀长度,它存的是这个位置前面的字符串的 最长的相同的真前后缀长度。

所以看图中,最后E的位置,这时候字符串是ABABDABABAE其实根本没相同的真前后缀!

这个3指的是E前面的ABABDABABA最长的相同的真前后缀长度(即ABA)。

 

 

好,现在知道啥是next数组。但是这玩意怎么求呢?

我们是人,一眼看出相同前后缀。电脑不能看出来。

显然要设计一种算法,来求一个字符串的next数组。

有人说暴力跑一遍不就知道了?

别忘了,我们发明KMP算法就是简化字符串匹配的,你这里暴力匹配也谈不上 简化 二字了。

 

 

大家看数据结构书,看网上都会发现其实有一种简便方法让计算机快速求next数组。

这里先不贴代码。

先看一种情况:

对于上面举的例子,怎么求 next[8] 呢?

把原数组称为array。

 

 

仔细想想就会发现,这个next数组其实是一个个按顺序求值的。

虽然不知道 next[8](也就是字符B)对应的next数组值是多少,但是前面是已知的。

能不能根据前面已知的next数组值来推导?

注意到 next[7] = 2,这并不是指 array[7] 对应位置的字符串最长的相同的真前后缀长度。

前面已经说过这个 2 指的是 array[7] 对应位置前面字符的相同真前后缀,并不包括array[7]该位置本身。

实际上  arrary[7] 是A对 next[7] 有影响吗? 根本没有。把 arrary[7] 换成 K 这个位置 next[7] 也是2,这是由前面决定的。

显然,这个字符 A 决定是后面 next[8] 的值,因为 next[8] 求得是 array[0]到array[7]这个字符串

这也就是说:要知道 next[8] 的值只需要看 next[7] 和 arrary[7] 即可!

 

 

 

 

 

 

 

OK,我们再来看这个 2 ,它是指该位置前面的字符串 最长的相同的真前后缀长度 为2。

也就是ABABDAB 这个字符串,它们前面两个字符是AB,最后两个字符也是AB。

接下来我们知道,数组都是由0开始计数的。

那么其实 array[ next[7] ] = array[2] = 原数组的第三个。

回到例子,

 

 

我们知道next[7]=2, 也就是array[7]前面两个( array[5] 和 array[6] )和字符串开头( array[0] 和 array[1] )两个相同。

显然,如果array[7] = array[2] = A,

那么 array[8]前面三个( array[5]   array[6]  array[7])和字符串开头( array[0] 和 array[1]  array[2])三个相同。

 

 

 

得到结论一:

如果 array[ next[m] ] = = array[ m ],那么next[ m+1 ] = next[ m ] + 1;

比如说 next[m]=K ,意味着m位置前面字符串前K个和后K个相同(这里的后K个,也就是m位置前K个)

又由于数组从0计数,所以说 array[ next[m] ] = = array[ K ], 是指数组的第K+1个元素。也就是第一个不是前缀的位置!

现在m位置前字符串的前K个和后K个相同。而 array[  ] 数组的第K+1个元素 又等于 array[ m ]。

那么m+1个位置前字符串的前k+1个和后k+1个相同。

 

 

 

 

接下来讨论 array[ next[m] ] != array[ m ] 的情况。

 还是这个例子,

next[10]应该是多少?

 

 

 

 

 

(array[ 9 ]=4,因为array[ 9 ] 前面字符串是ABABDABAB 相同部分是 ABAB 长度为4)

 

 

 

如图, 

array[ next[9] ] = array[ 4 ] = D

而array[ 9 ] = A

array[ next[9] ] != array[ 9 ] ,

那么 next[ 10 ] 也不等于  next[ 9 ]+1了。

 

我们之所以能只比较两个位置的值等不等就能确定最长前后缀,是因为前面 已经求出来相同的地方了。

 

 

我们只要看 array[ 4 ] 和array[ 9 ]不同,是因为前面4个肯定相同,因为next[9]=4;

 

OK,取长度为5的前后缀不同,那么短一点的前后缀有可能会相同。

我们看看取4个的情况:

 

 

 

假如4长度的前后缀相同的话,就意味着array[0~3]=array[6~9]

也就意味着array[0~2]=array[6~8]

 

 

如图,只有绿圈里相同,我们才有必要比较 array[3] 是不是等于 array[9]。

问题是怎么知道绿圈里相不相同。

 

 

我们仔细想一下,蓝圈是已知 next[9]=4 而 相同的前后缀。

所以前后两个蓝色圈内字符串是完全相同的。

如果绿圈也相同,那不是代表绿圈是蓝色圈中字符串的相同前后缀?

而我们能不能知道蓝圈内的相同前后缀是什么?

当然可以:

 

 

 next[4]位置存储的就是前面4个的最长相同前后缀。

 

 

 我们看next[9]=4。就是粉色圈子里的部分,两个字符串相同。

 而next[4]=2。就是蓝色圈子里的部分,这四个部分都相同。

 那么现在看橙色部分,就只要比较array[9] = array[2], 因为arr[0~1]和arr[7~8]肯定相同了

比较发现确实array[9] = array[2],那么得出结论:arrar[10]=3;

 

分析一下, next[9]=4,就是前9个字符中前4个和后4个相同。

 那么,next[ next[9] ] =next [4]。

 也就是第一个不属于前缀的位置,而next[4]代表是该位置前面字符串,就是之前的前缀。

 next [4] = 2,也就是之前的前缀的相同前后缀的长度。

 

这也就是为什么上面第一种假设肯定不行了,因为next[ next[9] ] =next [4] = 2。

取 三个前缀后缀 肯定不等,等的话 next [4] 就等于3了。

因此 那一种情况中 array[9] 和 array[3] 都没有继续比较的必要了。

 

 

 

 

如果一直不等呢?

将arrat[9]改为E:

 

 

 

明显array[2]不等于array[9];

那么就按照之前思路继续取:next[next[ next[9] ] ]   =  next[ next[ 4 ] ] = next [ 2 ] = 0。

比较 array[9] 和 array[0],还是不等。

但是next[0]=0,继续嵌套不还是next [ 0 ]吗?

所以将next[0]=-1;

next[next[ next[9] ] ]   =  next[ next[ 4 ] ] = next [ 0 ] = -1;

OK,检测到-1就没必要继续嵌套了。

该位置不存在相同前后缀了。

 

 

 

 

 

再举个例子

 如图,将之前array[3] 和 arrar[8]改成E:

 

 

 

array[9] 等于 array[ next[9] ] 吗?( array[ next[9] ] = array[4] )

(等于的话next[10] =  next[9] +1 =5)

不等于,比较 array[9]  和 array[ next[next[9] ] ] (array[ next[next[9] ] ] = array[ next[4] ] =array[0] )

array[9] = array[0] = A 那么,next[10] =  next[4] +1 =1

(不等于的话 next[next[next[9] ] ] = next[next[4] ]  = next[0] = -1;next[10] =0)

 

结论二:

设置arrry[0]=-1;

如果 array[ next[m] ] ! = array[ m ],

令t=m; t =next [t]

比较array[ next[t] ] 和 array[ m ],相同的话 next[ m ]=next[ t ]+1;

不同的话 t =next [t] 继续比较。

当t=-1时,next[ m ]=0;

 

 

 

下面是随意找的一串代码:

 1 void Getnext(int next[],String t)
 2 {
 3    int j=0,k=-1;
 4    next[0]=-1;
 5    while(j<t.length-1)
 6    {
 7       if(k == -1 || t[j] == t[k])
 8      //等于-1就不继续了,直接k++;  next[j] = k=0了;
 9      //不是-1还相同的话就直接k++;注意j先++了,所以是改变的下一个值。
10       {
11          j++;k++;
12          next[j] = k;
13       }
14       else k = next[k];
15    }
16 }

以上

写的还是有点混乱,

图书windows自带画图软件画的,所以有些不整齐。

 

posted @ 2020-10-11 00:33  Aninock  阅读(6270)  评论(2编辑  收藏  举报