[28] 实现 strStr()

链接:实现 strStr()

字符串查找,在text中查找pattern第一次出现的位置。暴力解法使用双重循环,复杂度O(m*n)。高效解法有KMP算法,时间复杂度为O(m+n)

最长相同前后缀

对于字符abcd,它的前缀有a、ab、abc,它的后缀有d、cd、bcd。在给定前、后缀长度的情况下,前缀、后缀字符串是确定的。如果前缀字符串等于后缀字符串,将这种情况叫做相同前后缀。在所有相同前后缀字符串中,长度最长的叫做最长相同前后缀。

  1. pattern = "a" , 没有前后缀,长度为0或者1的字符串没有前缀或后缀
  2. pattern = "abcda" , 相同前后缀有"a",最长相同前后缀为"a"
  3. pattern = "aacaa" , 相同前后缀有"a"、"aa",最长相同前后缀为"aa"
  4. pattern = "abcabca" , 相同前后缀有"a"、"abca",最长相同前后缀为"abca"

前后缀长度数组(next数组)

对于一个给定的字符串pattern(长度为n),对于pattern的每个字串pattern[0:i],计算出每个字串的最长相同前后缀的长度,由此构成的数组为前后缀长度数组,也就是next数组。

pattern = "abcaabca"

  1. i = 0 , 子串为"a", 没有前后缀,next[0]=0
  2. i = 1 , 子串为"ab",没有相同前后缀, next[1] = 0
  3. i = 2 , 子串为"abc", 没有相同前后缀,next[2] = 0
  4. i = 3 , 子串为"abca",最长相同前后缀为"a",next[3] = 1
  5. i = 4 , 子串为"abcaa", 最长相同前后缀为"a", next[4] = 1
  6. i = 5 , 子串为"abcaab", 最长相同前后缀为"ab",next[5] = 2
  7. i = 6 , 子串为"abcaabc",最长相同前后缀为"abc",next[6] = 3
  8. i = 7 , 子串为"abcaabca",最长相同前后缀为"abca",next[7] = 4

这里我们通过设置不同的前后缀长度,来找到每个字串的最长相同前缀长度,形成next数组。按照这个设置不同前后缀长度,产生前后缀,并确认是否相同的方法,计算next数组的复杂度为O(n^3),实际上,next数组能在O(n)的时间复杂度内计算出来。

在介绍如何快速计算next数组前,我们先看看如何利用next数组来快速在text中找到pattern,这个快速查找的技巧也会用在快速计算next数组中。

假设text="abcabcabf",pattern="abcabf",进行字符串匹配,i表示text的下标,j表示pattern的下标。刚开始i=0,j=0,我们很容易将text[0:4]与pattern[0:4]对应上,但是对比text[5]和pattern[5]时,由于"c"不等于"f",所以这次匹配失败了。

但是我们不用在把i设置为1,j设置为0,进行暴力匹配。我们可以保持当前的i=5,text[i]="c"不变,将j设置为2,继续比较text[5]和pattern[2]。

这是因为pattern[0:4]的最长相同前后缀为"ab",所以pattern[0:1]=pattern[3:4]="ab",而由于text[0:4]与pattern[0:4]时匹配的,所以有text[0:1]=text[3:4]="ab",所以就有text[3:4]=pattern[0:1],然后就是将i,j继续向后遍历对比,刚好可以完全匹配pattern。

class Solution:
    def strStr(self, haystack: str, needle: str) -> int:
        m = len(haystack)
        n = len(needle)
        next = self.get_next_array(needle)

        j = 0
        for i in range(m):
            while j > 0 and haystack[i] != needle[j]:
                j = next[j-1]
            if haystack[i] == needle[j]:
                j += 1
            if j == n:
                return i - n +1
        else:
            return -1
        
    def get_next_array(self, needle):
        n = len(needle)
        res = [0] * n
        j = 0
        for i in range(1, n):
            while j > 0 and needle[i] != needle[j]:
                j = res[j-1]
            if needle[i] == needle[j]:
                j += 1
            res[i] = j
        return res
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