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[数据结构与算法]【数据结构】【哈希】字符串前缀哈希法

哈希表最大的作用是快速查找,在上一篇文章中(【数据结构】【哈希】哈希表的概念和算法实现)也给出了哈希表插入和查找一个字符的实现方法。
那么如果是多个字符(即字符串),我们该如何处理?比如让你判断两个文件内容是否相同?如果共有10000个字符,一个一个去比较的话,若前9999个都一样,最后一个不一样,那么这种比较方法是相当低效的。
按照之前哈希的思路,我们只需要将这个字符串通过哈希函数find(x)得到其哈希值,与用同样的方法得到的另一个字符串的哈希值相比较,如果相等就说明两个字符串相同,如果不相等就说明两个字符串不相同。这样的方法效率会大大提升,因为只需计算一次,所以将时间复杂度由O(n)降到O(1)
因此我们引入字符串前缀哈希法,这个方法常常用于字符串的快速匹配(即判断两个字符串是否相等)。有很多字符串的问题不仅可以用之前提到的kmp算法(【数据结构】KMP算法详解),也可以用哈希处理。

1 哈希函数的设计

对形如x1x2x3…xn-1xn的字符串,其哈希值 = 字符串的ascii码 × p的次方,即:
在这里插入图片描述

比如字符串"ABCD",假设 1 - 4 分别对应 A - D的ascii码,则其哈希值 = 1 * P3 + 2 * P2 + 3 * P1 + 4,为了避免该哈希值过大,我们往往对其取模即:哈希值 mod Q。
其实字符串哈希最核心的一点就是,将字符串看成一个P进制的数,哈希的过程就是将P进制的数转换成十进制的数

2 处理冲突的方式

为了避免冲突,我们有如下经验之谈:

  • 字符的映射值不能为0,多少都无所谓,这里选择ascii码
  • P = 131 或 13331
  • Q = 264

怎么样是不是很玄学

3 子串的匹配

对两个完整字符串的匹配我们可以采用以上方法,但是如果实现取字符串的两个子串匹配,每取一次就计算一次哈希值的时间复杂度也会到O(n)。最好的方法就是预处理求前缀和,把时间复杂度降低为O(1)
当得到前缀和数组后,每次对[l, r]区间字符串的访问就可以直接得到其哈希值了。
对应的两个公式分别是:

  • 预处理:h[i] = h[i - 1] * P + str[i]
  • 每次查询[l, r]:h[r] - h[l - 1] * Pr-l+1

注:为什么不是 h[r] - h[l-1] 而是 h[r] - h[l - 1] * pr-l+1?理由如下:
给定字符串ABCDE,想知道ABCDE,那么看成P进制的数之后,DE = ABCDE - ABC00(其中:ABC00 = ABC * p2),而不是ABCDE - ABC。

4 总代码

我们只需要掌握3中的两个公式,就可以写出代码了。
注意两点:

  • P = 131 或 13331,为了便于计算Pr-l+1,我们可以在设置p[N]数组存放P的次方值,在预处理h[N]的同时预处理p[N]。
  • 这里用到了unsigned long long,没必要取模了,因为这个变量类型就是64位的,如果超过的话自带mod 264功能。

题目链接:841. 字符串哈希
题目代码:

#include<iostream>

using namespace std;

typedef unsigned long long ULL;

const int N = 100010, P = 131;
char str[N];
ULL h[N];   // 字符串前缀和
ULL p[N];   // P的多少次方的值

ULL get_hash(int l, int r){
    return h[r] - h[l - 1] * p[r - l + 1];
}

int main(){
    int n, m;
    scanf("%d%d%s", &n, &m, str + 1);   // 优雅式写法
    
    p[0] = 1;
    
    // 预处理h[N], p[N]
    for(int i = 1; i <= n; i ++){
        p[i] = p[i - 1] * P;
        h[i] = h[i - 1] * P + str[i];   // 保证字符的映射值不是0就可以,多少都无所谓,这里用的是ascii码
    }
    
    // m次查询
    while(m --){
        int l1, r1, l2, r2;
        scanf("%d%d%d%d", &l1, &r1, &l2, &r2);
        if(get_hash(l1, r1) == get_hash(l2, r2)) printf("Yes\n");
        else printf("No\n");
    }
    
    return 0;
}

题外话:
注意一个写法,字符串的位置从1开始编号,所以我们从h[1]开始存储字符串,y总用到了一个非常优雅的方法来读取:

char str[N];
scanf("%s", str + 1);

y总对字符串的接收总能让我意外,还有之前为了避免读入空格和换行,比如"D 5"这种,y总的读取方法是:

char op[2];
int x;
scanf("%s%d", op, &x);
if(*op == 'D') /**/
else /**/

5 参考

[1] C语言数据类型占用字节大小

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加:2021-09-19 08:13:59  更:2021-09-19 08:16:28 
 
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