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精确字符串匹配(BM算法) [转]

2012年11月03日 ⁄ 综合 ⁄ 共 2459字 ⁄ 字号 评论关闭

上一篇文章介绍了精确字符串匹配的 Zbox 算法,这是一种线性时间复杂度的算法。在这篇文章里,将简要介绍精确字符串匹配的
Boyer-MooreBM 算法,这种算法的时间复杂度低于线性,所以是现在用的最多的一种方法。

   所谓精确字符串匹配问题,是在文本 T 中找到所有与查询 P 精确匹配的子串。而 BM 算法可以非常有效地解决这个问题,让时间复杂度降到低于线形的水平。

   BM 算法主要用了三种巧妙而有效的方法,即从右到左扫描,坏字符规则和好后缀规则。

   从右到左扫描的意思是从最后一个字符开始向前匹配,而不是习惯上的从开头向后匹配。

   坏字符规则是,从右到左的扫描过程中,发现 Ti Pj 不同,如果P 中存在一个字符
Pk
Ti 相同,且 k<i 那么就将直接将 P 向右移使 Pk Ti 对齐,然后再从右到左进行匹配。如果 P 中不存在任何与 Ti 相同的字符,则直接将 P 的第一个字符与 Ti 的下一个字符对齐,再从右到左进行比较。

   如图:

   T    
a b c b a d
f t a t e

   P    
c b a x a
d

   P        
c b a x a d

  

   R(x) 表示字符 x P 中出现的最右位置,此例中
R(b)=2

   可以看出使用从右到左扫描和坏字符规则可以跳过
T
中的很多位置不去检查,从而使时间复杂度低于线性。

   好后缀规则是,从右到左的扫描过程中,发现 Ti Pj 不同,检查一下相同的部分 t 是否在 P 中的其他位置 t' 出现,a) 如果 t t' 的前一个字母不相同,就将
P
向右移,使 t' T 中的 t 对齐。b) 如果 t' 没有出现,则找到与 t 的后缀相同的 P 的最长前缀 x,向右移动P ,使 x T  t 的后缀相对应。

   如图a)

   N                     
1                    

   N   
1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8     

   T    a b
c b a d f
t b c f a q v t b c e...

   P    c b c a b c
e a b
c

   P                 
c b c
a b c e a b c f

  

   可见,并不是将 P 向右移让 P5 T9 对齐,而是让 P2 T9 对齐,因为 P1 P8 不相同。用 L(i) 表示 t' 的最大位置,此例中, L(9)= 3

   如图b)

   N                     
1                    

   N   

1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7
8     

   T    a b
c b a d f
t b c f a q v t b c e...

   P    b c c a b
c
e t b c

   P                    b c c a b c e t b

                   

  

   可见,当 P 向左找不到 “tbc”时,就找到 “tbc”的最长与 P 的前缀匹配的后缀,并将 P 向右移。用 l(i) 表示这个最长后缀的长度,这个例子中 i=8

 

   整个算法是这样的:

[预处理]

   输入查询字符串 P

   计算 P 中每个位置的 L(i) l(i),并计算
R(i)

[查询]

   k:=n; // n T 中字符的总数

   while k<=m do

     begin

     i :=n; // i 表示 P 中字符的位置

     h :=k; // h 表示 T 中字符的位置

     while i>0
and P(i)=T(i) do

       
begin

         
i:=i-1;

         
h:=h-1;

      
end;

     if i=0 then

      
begin

        
输出 T 的这个位置上的字符串;

        
k:= k+n-l(2);

       end

     else

      
 
移动 P(增加 k)k
好后缀规则和坏字符规则决定的最大值

     end;

 

  

 

  

     预处理阶段可以根据上一篇文章提到的 Zbox 方法进行处理,时间复杂度为线性。

 

     整个算法的时间复杂度最坏的情况是 O(m)m T 的长度。

 

BM 算法中好后缀预处理

其实上次在写 BM 算法的原理时,应该把如何实现好后缀的预处理一起写上,只是因为急着出去,没有写清楚,只是一带而过,现在把预处理们仔细写一下,希望和对字符串处理技术感兴趣的朋友们探讨。当然,对于 BM 算法还有许多需要思考的,比如证明它的时间复杂度最坏是 O(m)等等问题,并不是一句话就能说明白的。

 

     在上一篇文章中精确字符串匹配(BM算法)提到了 L(i),它是用来存储 t' 最靠右位置 j 的,假设用 t 表示
P[i..n], t'
就是在 P 中重复出现 t 的一段。而 P 也需要向右移,使 L(i)  T 中的字符对应。

   如图:

       _____t'     _____t'  _____t

        |  
|      |   |    |   |

     a a b c d a q f b c d e e b c d

                     
|     |

                     L(i)   i

    

    那么如何在 O(n) 时间计算出 L(i) 呢?

   在这里需要用到一个值 N(j),N(j) Zbox (精确字符串匹配(Zbox算法))的相反概念,且 N(j)= Z(n-j+1)

   如图:

                
j

   Z(j)  a c d b a c
d
e f

                
|___|

                 Z(j)

 

                
j

   N(j)  a f e m oe
m o
  

             |___|

             N(j)    

               

   可见,Z(j) N(j) 一个是和前缀相同的 Zbox 长度,一个是和后缀相同的 Nbox 长度。显然可以根据求 Zbox 的方法求出 Nbox,而求 Zbox 的方法非常简单,而且是 O(n) 的,在Zbox 那篇文章中有详细说明。

   求出了所有的 N(j) 之后,就可以利用它求 L(i) 了。

   算法描述是:

for i:=1 to n do L(i):=0

for j:=1 to n-1 do

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