模式匹配Pattern Matching

目錄

 

1.模式匹配(pattern matching)的概念

2. 製造模式匹配的測試串

3. 模式匹配蠻力算法(Brute-Force,也成Naive樸素算法)

3.1 Version 1

3.2 Version 2:(與Version 1的不同在於i,j)

3.3 算法分析

(1)最差情況

(2)最佳情況 —— 找到

(3)最佳情況 —— 沒找到

4. 模式匹配KMP算法

5. 模式匹配BC(Begin With The End)算法


1.模式匹配(pattern matching)的概念

——一個目標對象 T(字符串)
——(pattern)P(字符串)
在目標 T 中尋找一個給定的模式P的過程

應用
1. 文本編輯時的特定詞、句的查找
       •UNIX/Linux: sed, awk, grep
2. DNA 信息的提取

2. 製造模式匹配的測試串

製造模式匹配測試串的兩種策略

策略一:隨機生成Test串,隨機生成Pattern串,然後進行匹配。該策略下,P在T中出現的概率小。

策略二:隨機生成Test串,在從中隨機截取Pattern串。

3. 模式匹配蠻力算法(Brute-Force,也成Naive樸素算法)

3.1 Version 1

匹配過程詳解:

T = pepeople

P = people

---------------------------------------

i = 0    j = 0

T = pepeople

P = people

T[0] = P[0] = p

i + 1 = 1

j + 1 = 1

-----------------------------------------

i = 1    j = 1

T = pepeople

P = people

T[1] = P[1] = e

i + 1 = 2

j + 1 = 2

----------------------------------------------

i = 2    j = 2

T = pepeople

P = people

T[2] = p

P[2] = 0

T[2] != P[2]

i = 2 - (2 - 1) = 1 (T回退)

j = 0 (P復位)

------------------------------------------------

i = 1    j = 0

T = pepeople

P =   people

(......)

3.2 Version 2:(與Version 1的不同在於i,j)

匹配過程詳解:

T = pepeople

P = people

---------------------------------------

i = 0    j = 0

T = pepeople

P = people

T[0+0]

T[0] = P[0] = p

j + 1 = 1

-----------------------------------------

i = 0    j = 1

T = pepeople

P = people

T[0+1]

T[1] = P[1] = e

j + 1 = 2

----------------------------------------------

i = 0    j = 2

T = pepeople

P = people

T[0+2]

T[2] = p

P[2] = 0

T[2] != P[2]

i = i+1 = 1

j = 0 

------------------------------------------------

i = 1    j = 0

T = pepeople

P =   people

T[1+0]

T[1] = e

P[0] = p

(......)

3.3 算法分析

3.3.1 最差情況

3.3.2 最佳情況 —— 找到

3.3.3 最佳情況 —— 沒找到

4. 模式匹配KMP算法

推薦JULY的博文:https://blog.csdn.net/v_JULY_v/article/details/7041827

推薦阮一峯的博文http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/05/Knuth%E2%80%93Morris%E2%80%93Pratt_algorithm.html

字符串:BBC  ABCDAB  ABCDABCDABDE

搜索詞:ABCDABD

1.

B與A不匹配,搜索詞後移一位。

2.

B與A不匹配,搜索詞再往後移。

3.

直到字符串有一個字符,與搜索詞的第一個字符相同爲止。

4.

接着比較字符串和搜索詞的下一個字符,還是相同。

5.

直到字符串有一個字符,與搜索詞對應的字符不相同爲止。

6.

這時,最自然的反應是,將搜索詞整個後移一位,再從頭逐個比較。這樣做雖然可行,但是效率很差,因爲你要把"搜索位置"移到已經比較過的位置,重比一遍。

7.

一個基本事實是,當空格與D不匹配時,你其實知道前面六個字符是"ABCDAB"。KMP算法的想法是,設法利用這個已知信息,不要把"搜索位置"移回已經比較過的位置,繼續把它向後移,這樣就提高了效率。

8.

怎麼做到這一點呢?可以針對搜索詞,算出一張《部分匹配表》(Partial Match Table)。這張表是如何產生的,後面再介紹,這裏只要會用就可以了。

9.

已知空格與D不匹配時,前面六個字符"ABCDAB"是匹配的。查表可知,最後一個匹配字符B對應的"部分匹配值"爲2,因此按照下面的公式算出向後移動的位數:

  移動位數 = 已匹配的字符數 - 對應的部分匹配值(搜索詞"前綴"和"後綴"的最長的共有元素的長度)

因爲 6 - 2 等於4,所以將搜索詞向後移動4位。

10.

因爲空格與C不匹配,搜索詞還要繼續往後移。這時,已匹配的字符數爲2("AB"),對應的"部分匹配值"爲0。所以,移動位數 = 2 - 0,結果爲 2,於是將搜索詞向後移2位。

11.

因爲空格與A不匹配,繼續後移一位。

12.

逐位比較,直到發現C與D不匹配。於是,移動位數 = 6 - 2,繼續將搜索詞向後移動4位。

13.

逐位比較,直到搜索詞的最後一位,發現完全匹配,於是搜索完成。如果還要繼續搜索(即找出全部匹配),移動位數 = 7 - 0,再將搜索詞向後移動7位,這裏就不再重複了。

14.

下面介紹《部分匹配表》是如何產生的。

首先,要了解兩個概念:"前綴"和"後綴"。 "前綴"指除了最後一個字符以外,一個字符串的全部頭部組合;"後綴"指除了第一個字符以外,一個字符串的全部尾部組合。

15.

"部分匹配值"就是"前綴"和"後綴"的最長的共有元素的長度。以"ABCDABD"爲例,

                                  前綴                                                                      後綴                                              公有元素的長度

    "A"                       空集                                                                    空集                                                                        0

    "AB"                     [A]                                                                         [B]                                                                        0

  "ABC"                 [A, AB]                                                                 [BC, C]                                                                   0

  "ABCD"              [A, AB, ABC]                                                       [BCD, CD, D]                                                          0

  "ABCDA"            [A, AB, ABC, ABCD]                                         [BCDA, CDA, DA, A]                                                1

  "ABCDAB"         [A, AB, ABC, ABCD, ABCDA]                         [BCDAB, CDAB, DAB, AB, B]                                    2

  "ABCDABD"      [A, AB, ABC, ABCD, ABCDA, ABCDAB]      [BCDABD, CDABD, DABD, ABD, BD, D]                      0

16.

"部分匹配"的實質是,有時候,字符串頭部和尾部會有重複。比如,"ABCDAB"之中有兩個"AB",那麼它的"部分匹配值"就是2("AB"的長度)。搜索詞移動的時候,第一個"AB"向後移動4位(字符串長度-部分匹配值),就可以來到第二個"AB"的位置。

17. next數組

next 數組相當於“最大長度值” 整體向右移動一位,然後初始值賦爲-1

移動位數  =  失配字符所在位置(下標從0開始)  -  失配字符對應的next 值

18 next數組優化版

相等,則讓next[j] = next[k]

j=3,k=0,next[0]=-1

j=5,k=1,next[1]=0

j=7,k=1,next[1]=0

j=8,k=2,next[2]=0

5. 模式匹配BC(Begin With The End)算法

推薦阮一峯的博文:http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/05/boyer-moore_string_search_algorithm.html

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