[C++知识库]字符串匹配KMP算法【C++】——特殊的语言（一题双解）

字符串匹配KMP算法【C++】——特殊的语言（一题双解）

前言

最近刚做完DS实验，后面还得花点时间去做折磨的大作业，后续会更新之前DS的知识点。

回归本文，这次实验的最后一题是一个字符串匹配问题，但是和一般的字符串匹配不同，这次其实字符串中是两个两个字母作为整体。

关于字符串匹配问题，我也带来直接暴力和使用KMP算法两种解法，环境是Visual Studio 2022。

题目——特殊的语言

题目描述

某城邦的语言，每个字是由两个字母构成的。考古学家发现把他们的文字数字化之后，当想搜索特定的句子时，总会匹配到错误的地方。

比如一段文字是 aabcdaabcdef，想要搜索 abcd，应当搜到的是 aabcda abcd ef ，却会得到额外的一个并不符合该语言语法的结果 a abcd aabcdef（因为每个字由两个字符组成，这样匹配就把正确的“字”拆开了）。

请你帮他实现正确的匹配算法。

输入

每组数据两行，第一行为该语言的主串，第二行为模式串，都由大写或小写英文字母组成，长度都不超过 10000，且一定为偶数个。

输出

每组数据两行，第一行为该语言的主串，第二行为模式串，都由大写或小写英文字母组成，长度都不超过 10000，且一定为偶数个。

输入样例

abcdaabbab
ab
AbdcAbdcAbqAbdcAbdcAbp
AbdcAb

输出样例

2
2

解法一 暴力匹配

相信看完题目的小伙伴们和我都能想到这种最暴力的解法。这不就是一个简单的匹配问题嘛，当然这里的匹配规则有一点点特殊，两个字母是构成一个字。所以在做匹配确定的时候应该是至少两个来判断匹配，且移动的时候需要移动两位，但是极致的暴力，就在于我们甚至不需要考虑两不两位的了，直接截取子串和对应的模式串进行字符串判等，然后子串在主串的起点不断向后移动两位即可。

我们用上面的输入样例作为例子，分析。

如图，初始的时候就匹配了，然后再向后移动两位。

此时不匹配，继续重复移位操作，直到最后的一个子串，此时再次匹配。

算法分析

我的评价是，极致的暴力，极致低性能！，但是也有好处，就是代码特别短。

Code（C++）

#include<iostream>
#include<string>

using namespace std;

/// <summary>
/// 暴力算法，很简单
/// 最少的代码，最低的性能
/// </summary>
/// <param name="s">主串</param>
/// <param name="ts">匹配的模式串</param>
/// <returns></returns>
int numMatch(string s, string ts)
{
	// 获取两个字符串的长度
	int l1 = s.length(), l2 = ts.length();
	int pos = 0;		// 位置
	int ans = 0;		// 匹配的数量
	// 开始循环
	while (pos + l2 <= l1)
	{
		// 获取和模式串等长的主串的子串
		string temp = s.substr(pos, l2);
		// 根据是否相等，计数
		ans += temp == ts ? 1 : 0;
		pos += 2;		// 起点移动
	}
	return ans;
}

int main(int argc, char** argv)
{
	string s, ts;
	while (cin >> s >> ts)
	{
		cout << numMatch(s, ts) << endl;
	}

	return 0;
}

解法二 KMP

我相信点开的这篇文章的你们都是博览群书，聪慧过人，想必都听过或者了解过KMP算法。关于KMP的历史和基础知识，我就不在此过多赘述，后面会专门出一篇专门分析KMP。

这里主要来分析，我们怎么把KMP算法进行移植到该问题的求解过程中？

回忆KMP算法，原本无论是主串还是模式串的元素是一个字符，而该题中元素其实是两个字符，所以我们需要对KMP的某些地方做处理。

next 数组

next数组作为KMP的核心，其表示的就是模式串的前缀情况，不难知道其尺寸其实模式串长度的一半，且我们需要根据元素（即两个字符构成的字）来创建next数组。

// 求p的next数组
void myString::getNext(string p, int next[])
{
	int l = p.length();
	next[0] = -1;		// 首位置 为-1
	// 长度范围控制好
	for (int i = 0, j = -1; 2 * i < l;)
	{
		// 需要同时判断两个字符
		if (j == -1 || p[2 * i] == p[2 * j] && p[2 * i + 1] == p[2 * j + 1])
		{
			next[++i] = ++j;
		}
		else
		{
			j = next[j];
		}
	}
}

KMP Find

除了在创建next数组我们需要根据元素来处理，进行KMP查找也需要做相关处理，不过整体上和next差不多。

int myString::KMPFind(string p, int pos, int next[])
{
	int len = p.size() / 2;
	int size = mainstr.size() / 2;
	for (int i = pos, j = 0; i < size;)
	{
		if (j == -1 || mainstr[2 * i] == p[2 * j] && mainstr[2 * i + 1] == p[2 * j + 1])
		{
			// 匹配完了
			if (j + 1 == len)
			{
				return i - len + 1;
			}
			// 未完则向后移动
			++i;
			++j;
		}
		// 匹配失败
		else
		{
			// 重新找到模式串的开始匹配的位置
			j = next[j];
		}
	}
	// 循环都遍历完了，只能说明莫得匹配，返回-1
	return -1;
}

完整Code（C++）

#include<iostream>
#include<string>

using namespace std;

// 使用KMP的字符串类
class myString
{
private:
	// 主串
	string mainstr;
	int size;		// 主串的尺寸

	void getNext(string p, int next[]);		// 获取next数组
	int KMPFind(string p, int pos, int next[]);		// 从pos开始，寻找主串中第一个和p匹配的子串

public:
	// 构造函数
	myString();
	// 析构函数
	~myString();
	// 设置主串的值和尺寸
	void setVal(string sp);
	// KMP查找函数，我修改后用于记录匹配的子串个数
	int KMPFindSubStr(string p, int pos);
};
myString::myString()
{
	size = 0;
	mainstr = "";
}
myString::~myString()
{
	size = 0;
	mainstr = "";
}
void myString::setVal(string sp)
{
	mainstr = "";
	mainstr = sp.assign(sp);
	size = mainstr.length();
}
// KMP匹配算法
int myString::KMPFindSubStr(string p, int pos)
{
	// next数组长度
	int L = p.length() / 2;
	int* next = new int[L + 1];		// 初始化next数组，设置尺寸大小
	getNext(p, next);				// 创建next数组
	int v = -1;
	int num = -1;
	do
	{
		num++;
		v = KMPFind(p, pos, next);
		pos = v + 1;
	}
	while (v != -1);
	delete[] next;
	return num;
}
// 求p的next数组
void myString::getNext(string p, int next[])
{
	int l = p.length();
	next[0] = -1;		// 首位置 为-1
	// 长度范围控制好
	for (int i = 0, j = -1; 2 * i < l;)
	{
		// 需要同时判断两个字符
		if (j == -1 || p[2 * i] == p[2 * j] && p[2 * i + 1] == p[2 * j + 1])
		{
			next[++i] = ++j;
		}
		else
		{
			j = next[j];
		}
	}
}
// KMP函数
int myString::KMPFind(string p, int pos, int next[])
{
	int len = p.size() / 2;
	int size = mainstr.size() / 2;
	for (int i = pos, j = 0; i < size;)
	{
		if (j == -1 || mainstr[2 * i] == p[2 * j] && mainstr[2 * i + 1] == p[2 * j + 1])
		{
			// 匹配完了
			if (j + 1 == len)
			{
				return i - len + 1;
			}
			// 未完则向后移动
			++i;
			++j;
		}
		// 匹配失败
		else
		{
			// 重新找到模式串的开始匹配的位置
			j = next[j];
		}
	}
	// 循环都遍历完了，只能说明莫得匹配，返回-1
	return -1;
}

int main(int argc, char** argv)
{
	string sp, p;
	while (cin >> sp >> p)
	{
		myString ms;
		ms.setVal(sp);
		int num = ms.KMPFindSubStr(p, 0);
		cout << num << endl;
	}

	return 0;
}