KMP算法next数组的深入理解

之前一直对KM]P的next数组的求法不太理解,尤其是其递推求解过程中的k=next[k]这句话,今天看了某位博主的博客,感觉受益匪浅,分享一下。

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计算next数组

void cal_next(char *str, int *next, int len)
{
    next[0] = -1;//next[0]初始化为-1,-1表示不存在相同的最大前缀和最大后缀
    int k = -1;//k初始化为-1
    for (int q = 1; q <= len-1; q++)
    {
        while (k > -1 && str[k + 1] != str[q])//如果下一个不同,那么k就变成next[k],注意next[k]是小于k的,无论k取任何值。
        {
            k = next[k];//往前回溯
        }
        if (str[k + 1] == str[q])//如果相同,k++
        {
            k = k + 1;
        }
        next[q] = k;//这个是把算的k的值(就是相同的最大前缀和最大后缀长)赋给next[q]
    }
}

这个while循环和k=next[k]很疑惑!
确实啊,我开始看这几行代码,相当懵逼,这写的啥啊,为啥这样写;后来上机跑了一下,慢慢了解到为何这样写了。这几行代码,可谓是对KMP算法本质得了解非常清楚才能想到的。很牛逼!
直接看cal_next(..)函数:
首先我们看第一个while循环,它到底干了什么。

在此之前,我们先回到原程序。原程序里有一个大的for()循环,那这个for()循环是干嘛的?

这个for循环就是计算next[0],next[1],…next[q]…的值。

里面最后一句next[q]=k就是说明每次循环结束,我们已经计算了ptr的前(q+1)个字母组成的子串的“相同的最长前缀和最长后缀的长度”。(这句话前面已经解释了!) 这个“长度”就是k。

好,到此为止,假设循环进行到 第 q 次,即已经计算了next[q],我们是怎么计算next[q+1]呢?

比如我们已经知道ababab,q=4时,next[4]=2(k=2,表示该字符串的前5个字母组成的子串ababa存在相同的最长前缀和最长后缀的长度是3,所以k=2,next[4]=2。这个结果可以理解成我们自己观察算的,也可以理解成程序自己算的,这不是重点,重点是程序根据目前的结果怎么算next[5]的).,那么对于字符串ababab,我们计算next[5]的时候,此时q=5, k=2(上一步循环结束后的结果)。那么我们需要比较的是str[k+1]和str[q]是否相等,其实就是str[1]和str[5]是否相等!,为啥从k+1比较呢,因为上一次循环中,我们已经保证了str[k]和str[q](注意这个q是上次循环的q)是相等的(这句话自己想想,很容易理解),所以到本次循环,我们直接比较str[k+1]和str[q]是否相等(这个q是本次循环的q)。
如果相等,那么跳出while(),进入if(),k=k+1,接着next[q]=k。即对于ababab,我们会得出next[5]=3。 这是程序自己算的,和我们观察的是一样的。
如果不等,我们可以用”ababac“描述这种情况。 不等,进入while()里面,进行k=next[k],这句话是说,在str[k + 1] != str[q]的情况下,我们往前找一个k,使str[k + 1]==str[q],是往前一个一个找呢,还是有更快的找法呢? (一个一个找必然可以,即你把 k = next[k] 换成k- -也是完全能运行的(更正:这句话不对啊,把k=next[k]换成k–是不行的,评论25楼举了个反例)。但是程序给出了一种更快的找法,那就是 k = next[k]。 程序的意思是说,一旦str[k + 1] != str[q],即在后缀里面找不到时,我是可以直接跳过中间一段,跑到前缀里面找,next[k]就是相同的最长前缀和最长后缀的长度。所以,k=next[k]就变成,k=next[2],即k=0。此时再比较str[0+1]和str[5]是否相等,不等,则k=next[0]=-1。跳出循环。


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