C语言中实现KMP算法的实例讲解

时间:2021-05-02

一般的算法为什么这么低效呢?那是因为主串指针回溯情况过多:
主串指针如果不回溯的话,速度就会加快,那我们就会想:
如何让主串指针不回溯?
KMP算法就是解决了这个问题,所以速度变得更快速了。
它是这样子的:
用一个数组:next[] 求得失配时的位置,然后保存下来。
要说清楚KMP算法,可以从朴素的模式匹配算法说起。
朴素的模式匹配算法比较容易理解,其实现如下

? 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 int Index(char s[], char p[], int pos) { int i, j, slen, plen; i = pos; j = 0; slen = strlen(s); plen = strlen(p); while((i < slen) && (j < plen)) { if((s[i] == p[j])) { i++; j++; } else { i = i-j+1; j = 0; } } if(j >= plen) { return (i-plen); } else { return -1; } }


可见,在朴素的模式匹配算法中,当模式中的p[j]与主串中的s[i]不匹配时,需要把主串的指针回溯到i-j+1的地方从新用s[i-j+1]跟p[0]进行匹配比较。KMP算法的想法是,能不能不回溯主串的指针呢?这种想法基于如下事实的:p[j]!=s[i]前,p[0]~p[j-1]跟s[i-j]~s[i-1]是匹配的(这里j>0,也就是说在不匹配前已经有匹配的字符了。否则如果j=0,则主串指针肯定不用回溯,直接向前变成i+1再跟p[0]比较就是了)
p[j]!=s[i]前,p[0]~p[j-1]跟s[i-j]~s[i-1]是匹配的,这说明了什么呢?这说明可以通过分析模式的p[0]~p[j-1]来分析s[i-j]~s[i-1]。如果模式中存在p[0]~p[k-1]=p[j-k]~p[j-1](共k个匹配的字符,且k是满足这个关系的最大值),则可以知道s[i-k]~s[j-1]跟[0]~p[k-1]是匹配的,那么,s[i]只需要跟p[k]进行比较就行了。而这个k是跟主串无关的,只需要分析模式串就可以求出来(这就是普通的教材中next[j]=k这个假设的由来,普通教材中总喜欢假设这个k值已经有了,如果你逻辑思维强还没有什么,不然或多或少会把你卡在这的)。亦即next[j]=k。
如果上述的p[0]~p[k-1]=p[j-k]~p[j-1]串不存在会怎么样呢?这说明p[j]前的串中不存在p[0]...=...p[j-1]的情况,就连p[0]也不等于p[j-1],也就是说p[0]~p[j-1]中所有以p[j-1]为结尾的子串跟模式p都是失配的。基于上面p[0]~p[j-1]=s[i-j]~s[i-1]的事实,可以断定s[i-j]~s[i-1]中所有以s[i-1]结尾的子串跟模式p都是失配,这说明把主串的指针回溯到i-j+1~i-1都是没有必要的,既然没有必要回溯,而s[i]!=p[j],则s[i只能跟p[0]进行比较匹配了。亦即next[j]=0。
特殊情况下,j=0,即s[i]!=p[0],这时不用再用s[i]来跟p中的其它字符比较了,变成用s[i+1]跟p[0]进行比较。为了统一,可以让next[0]=-1。在下一轮的比较中,判断到j=-1的情况时,让i=i+1,j=j+1,自然就形成s[i+1]跟p[0]比较的效果了。
KMP算法实现示例

具体请看如下程序:

? 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #define MAX 101 void get_next( int *next,char *a,int la) { int i=1,j=0 ; next[1] = 0 ; while ( i <= la) { if( a[i] == a[j] || j == 0 ) { j ++ ; i ++ ; if( a[i] == a[j]) next[i] = next[j]; else next[i] = j ; } else j = next[j] ; } } int str_kmp( int *next, char *A ,char *a, int lA,int la) { int i,j,k ; i = 1 ; j = 1 ; while ( i<=lA && j <= la ) { if(A[i] == a[j] || j == 0 ) { i ++ ; j ++ ; } else j = next[j] ; } if ( j> la) return i-j+1 ; else return -1 ; } int main(void) { int n,k; int next[MAX]={0} ; int lA=0,la =0 ; char A[MAX],a[MAX] ; scanf("%s %s",A,a) ; lA = strlen(A); la = strlen(a); for(k=la-1; k>= 0 ;k --) a[k+1] = a[k] ; for(k=lA-1; k>= 0 ;k --) A[k+1] = A[k] ; get_next(next,a,la) ; k = str_kmp(next,A,a,lA,la); if ( -1 == k) printf("Not Soulation!!! "); else printf("%d ",k) ; system("pause"); return 0 ; }

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