KMP

一、模式串匹配

模式串匹配，即给定一个文本串 \(A\) 和一个模式串 \(B\)，询问 \(B\) 在 \(A\) 中是否出现、出现的次数及每次出现的位置等。通常数据范围为 \(1\le|A|,|B|\le10^6\)。

显然，我们可以枚举 \(A\) 的下标 \(i\)，对于每一个 \(i\)，都尝试用 \(B\) 去匹配（ \(n=|A|,m=|B|\)）：

for (int i = 1; i <= n; i++)
{
	bool flag = true;
	for (int j = 1; j <= m; j++)
	{
		if (a[i + j - 1] != b[j])
		{
			flag = false;
			break;
		}
	}
	if (flag)
	{
		// 即 B 在 A 中出现过 
	}
}

暴力的时间复杂度为 \(\operatorname{O}(nm)\)，直接 和 cxr 一起 炸了。

我们会发现，暴力之所以慢，是因为第 \(i\) 位失配后 \(j\) 重置为 \(1\)，会出现很多重复的匹配，而 \(\rm KMP\) 算法通过优化，使得我们不用再从头开始枚举 。

二、\(\rm KMP\) 算法思想

对于下面一组数据：

a	b	c	a	b	c	a	b	b
a	b	c	a	b	b

当第 \(6\) 位失配时，我们不必将模式串一位一位往右移，而是直接将模式串右移 \(3\) 位：

a	b	c	a	b	c	a	b	b
			a	b	c	a	b	b

因为模式串中，第 \(1,2\) 位与第 \(4,5\) 位相同，第 \(4,5\) 位匹配且第 \(6\) 位失配时，就把第 \(1,2\) 位移过来，从第 \(6\) 位（原来的第 \(3\) 位）继续匹配。

\(\rm KMP\) 算法的核心就是找到模式串中像上面 \(1,2\) 与 \(4,5\) 相同的子串，我们用一个 \(nxt\) 数组，\(nxt_i\) 的意义为当第 \(i\) 位失配后要跳到哪一位，即模式串前缀 \(B[1\sim i]\) 中既是前缀又是后缀的子串（不能为自身）里长度最长的子串的长度，例如字符串 \(\text{ababcaababab}\)， 前 \(10\) 位 \(\text{ababcaabab}\) 中，既是前缀又是后缀的有 \(\text{ab,abab}\)，长度最长的是 \(\text{abab}\)，长度为 \(4\)，所以 \(nxt_{10}=4\)。这两种意义的 \(nxt\) 值相同，但对于不同的题目各有用处。

显然 \(nxt_0=nxt_1=0\)，求 \(nxt\) 数组的的过程相当于自己和自己匹配。

for (int i = 2, j = 0; i <= m; i++)
{
	while (j && b[i] != b[j + 1]) // 只要失配就不停往回跳（跳到 j=0 就直接从第一位开始匹配了）
	{
		j = nxt[j];
	}
	if (b[i] == b[j + 1]) // 相同就可以往前
	{
		j++;
	}
	nxt[i] = j; // 记录 i 失配后往哪跳
}

有了 \(nxt\) 数组后就可以直接与文本串匹配了：

for (int i = 1, j = 0; i <= n; i++)
{
    while (j && a[i] != b[j + 1]) // 失配往回跳
    {
        j = nxt[j];
    }
    if (a[i] == b[j + 1])
    {
        j++;
    }
    if (j == m)
    {
        // B 在 A 中出现了一次
    }
}

\(\rm KMP\) 算法的时间复杂度证明

每次执行 \(\operatorname{while}\) 循环时，\(j\) 的值都在不停减小，而在每层 \(\operatorname{for}\) 循环里 \(j\) 最多增加 \(1\)，即 \(j\) 至多增加 \(n+m\) 次，因为 \(j\) 始终非负，所以减少的幅度不会超过增加的幅度，则减少的次数不会超过增加的次数，所以 \(j\) 最多变化 \(2(n+m)\) 次，\(\rm KMP\) 算法的时间复杂度在 \(\operatorname{O}(n)\) 级别。

P3375 【模板】KMP字符串匹配

题意

求出模式串 \(B\) 在文本串 \(A\) 中所有出现的位置和 \(B\) 的每一个前缀的 \(nxt\) 值。

\(\text{Code}\)

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstring>
using namespace std;

const int MAXN = 1e6 + 5;

char a[MAXN], b[MAXN];
int nxt[MAXN];

int main()
{
	scanf("%s%s", a + 1, b + 1); // 下标从1开始
	int n = strlen(a + 1), m = strlen(b + 1);
	for (int i = 2, j = 0; i <= m; i++)
	{
		while (j && b[i] != b[j + 1])
		{
			j = nxt[j];
		}
		if (b[i] == b[j + 1])
		{
			j++;
		}
		nxt[i] = j;
	}
	for (int i = 1, j = 0; i <= n; i++)
	{
		while (j && a[i] != b[j + 1])
		{
			j = nxt[j];
		}
		if (a[i] == b[j + 1])
		{
			j++;
		}
		if (j == m)
		{
			printf("%d\n", i - m + 1); // 起点要减去 (m-1)
		}
	}
	for (int i = 1; i <= m; i++)
	{
		printf("%d ", nxt[i]);
	}
	return 0;
}