模式匹配：
上节JAVA数据结构——串我们提出了模式匹配概念，他是数据结构中字符串的一种基本运算，给定一个子串，要求在某个字符串中找出与该子串相同的所有子串，这就是模式匹配。
假设P是给定的子串，T是待查找的字符串，要求从T中找出与P相同的所有子串，这个问题成为模式匹配问题。P称为模式，T称为目标。如果T中存在一个或多个模式为P的子串，就给出该子串在T中的位置，称为匹配成功；否则匹配失败。
下面我们介绍BF算法(Brute-Force算法)和KMP算法。
BF算法：
BF算法是一种暴力的解决问题的算法，他是的思想就是将目标串S的第一个字符与模式串T的第一个字符进行匹配，若相等，则继续比较S的第二个字符和 T的第二个字符；若不相等，则比较S的第二个字符和T的第一个字符，依次比较下去，直到得出最后的匹配结果。所以耗时又耗力，所以D.E.Knuth，J.H.Morris和V.R.Pratt 这三个人就在BF算法的基础上进化出了KMP算法。
// 模式匹配的Brute-Force 算法
//返回模式串t在主串中从start开始的第一次匹配位置，匹配失败时返回－1。
public int index_BF(SeqString t, int start) {
if (this != null && t != null && t.length() > 0 && this.length() >= t.length()) { //当主串比模式串长时进行比较
int slen, tlen, i = start, j = 0; //i表示主串中某个子串的序号
slen = this.length();
tlen = t.length();
while ((i < slen) && (j < tlen)) {
if (this.charAt(i) == t.charAt(j)) //j为模式串当前字符的下标
{
i++;
j++;
} //继续比较后续字符
else {
i = i - j + 1; //继续比较主串中的下一个子串
j = 0; //模式串下标退回到0
}
}
if (j >= t.length()) //一次匹配结束，匹配成功
{
return i - tlen; //返回子串序号
} else {
return -1;
}
}
return -1; //匹配失败时返回-1
}KMP算法：
既然我们写代码就是不断优化的过程，无论是时间复杂度还是空间复杂度，我们都需要进行不断地优化，KMP算法就是依照BF算法进行了一定的优化，利用匹配失败后的信息，尽量减少模式串与主串的匹配次数以达到快速匹配的目的。具体实现就是通过一个next()函数实现，函数本身包含了模式串的局部匹配信息。
//若当前串中存在和str相同的子串，则返回模式串str在主串中从第start字符开始的第一次出现位置，否则返回-1
public int indexOf(IString t, int start) {
return index_KMP(t, start);
}
//KMP模式匹配算法
public int index_KMP(IString T, int start) {
//在当前主串中从start开始查找模式串T
//若找到，则返回模式串T在主串中的首次匹配位置，否则返回-1
int[] next = getNext(T); //计算模式串的next[]函数值
int i = start; //主串指针
int j = 0; //模式串指针
//对两串从左到右逐个比较字符
while (i < this.length() && j < T.length()) {
//若对应字符匹配
if (j == -1 || this.charAt(i) == T.charAt(j)) { // j==-1表示S[i]!=T[0]
i++;
j++; //则转到下一对字符
} else //当S[i]不等于T[j]时
{
j = next[j]; //模式串右移
}
}
if (j < T.length()) {
return -1; //匹配失败
} else {
return (i - T.length()); //匹配成功
}
}整个SeqString.java代码：
package com.usts.edu.string;
/**
* Created by Guanzhong Hu
* Date :2019/12/28
* Description : 串的顺序存储结构
* Version :1.0
*/
//TODO
public class SeqString implements IString {
/**
* 1、串的概念 字符串简称串,是一种特殊的线性表,它的数据元素仅由一个字符组成。
* 2、串的定义 串(String)是由零个或多个字符组成的有限序列,又称字符串。
*/
private char[] strvalue; //字符数组，存放串值
private int curlen; //当前串的长度
//构造方法1，构造一个空串
public SeqString() {
strvalue = new char[0];
curlen = 0;
}
//构造方法2，以字符串常量构造串对象
public SeqString(String str) {
if (str != null) {
char[] tempchararray = str.toCharArray();
strvalue = tempchararray;
curlen = tempchararray.length;
}
}
//构造方法3，以字符数组构造串对象
public SeqString(char[] value) {
this.strvalue = new char[value.length];
for (int i = 0; i < value.length; i++) { //复制数组
this.strvalue[i] = value[i];
}
curlen = value.length;
}
//将一个已经存在的串置成空串
public void clear() {
this.curlen = 0;
}
//判断当前串是否为空，为空则返回true，否则返回false
public boolean isEmpty() {
return curlen == 0;
}
//返回字符串长度
public int length() {
return curlen; //区别: strvalue.length是数组容量
}
//返回字符串中序号为index的字符
public char charAt(int index) {
if ((index < 0) || (index >= curlen)) {
throw new StringIndexOutOfBoundsException(index);
}
return strvalue[index];
}
//将字符串中序号为index的字符设置为ch
public void setCharAt(int index, char ch) {
if ((index < 0) || (index >= curlen)) {
throw new StringIndexOutOfBoundsException(index);
}
strvalue[index] = ch;
}
public void allocate(int newCapacity) //扩充容量，参数指定最小容量
{
char[] temp = strvalue; //复制数组
strvalue = new char[newCapacity];
for (int i = 0; i < temp.length; i++) {
strvalue[i] = temp[i];
}
}
//返回串中序号从begin至end-1的子串
public IString substring(int begin, int end) {
if (begin < 0) {
throw new StringIndexOutOfBoundsException("起始位置不能小于0");
}
if (end > curlen) {
throw new StringIndexOutOfBoundsException("结束位置不能大于串的当前长度:" + curlen);
}
if (begin > end) {
throw new StringIndexOutOfBoundsException("开始位置不能大于结束位置");
}
if (begin == 0 && end == curlen) {
return this;
} else {
char[] buffer = new char[end - begin];
for (int i = 0; i < buffer.length; i++) //复制子串
{
buffer[i] = this.strvalue[i + begin];
}
return new SeqString(buffer);
}
}
//返回串中序号从begin至串尾的子串
public IString substring(int begin) {
return substring(begin, strvalue.length);
}
//在当前串的第offset个字符之前插入串str，0<=offset<=curlen
public IString insert(int offset, IString str) {
if ((offset < 0) || (offset > this.curlen)) {
throw new StringIndexOutOfBoundsException("插入位置不合法");
}
int len = str.length();
int newCount = this.curlen + len;
if (newCount > strvalue.length) {
allocate(newCount); // 插入空间不足，需扩充容量
}
for (int i = this.curlen - 1; i >= offset; i--) {
strvalue[len + i] = strvalue[i]; //从offset开始向后移动len个字符
}
for (int i = 0; i < len; i++) //复制字符串str
{
strvalue[offset + i] = str.charAt(i);
}
this.curlen = newCount;
return this;
}
//删除从begin到end-1的子串， 0≤begin≤length()-1，1≤end≤length()。
public IString delete(int begin, int end) {
if (begin < 0) {
throw new StringIndexOutOfBoundsException("起始位置不能小于0");
}
if (end > curlen) {
throw new StringIndexOutOfBoundsException("结束位置不能大于串的当前长度:" + curlen);
}
if (begin > end) {
throw new StringIndexOutOfBoundsException("开始位置不能大于结束位置");
}
for (int i = 0; i < curlen - end; i++) //从end开始至串尾的子串向前移动到从begin开始的位置
{
strvalue[begin + i] = strvalue[end + i];
}
curlen = curlen - (end - begin); //当前串长度减去end-begin
return this;
}
//添加指定串str到当前串尾
public IString concat(IString str) {
return insert(curlen, str);
}
//将字符c连接到到当前串尾
public IString concat(char c) {
int newCount = curlen + 1;
if (newCount > strvalue.length) {
allocate(newCount);
}
strvalue[curlen++] = c;
return this;
}
//比较串
public int compareTo(IString str) {
return compareTo((SeqString) str);
}
public int compareTo(SeqString str) { //比较串
//若当前对象的串值大于str的串值，则函数返回一个正整数
//若当前对象的串值等于str的串值，则函数返回0
//若当前对象的串值小于str的串值，则函数返回一个负整数
int len1 = curlen;
int len2 = str.curlen;
int n = Math.min(len1, len2);
for (int k = 0; k < n; k++) {
if (strvalue[k] != str.strvalue[k]) {
return (strvalue[k] - str.strvalue[k]);
}
}
return len1 - len2; //返回两个字符串长度的数值差
}
public String toString() {
return new String(strvalue, 0, curlen); //以字符数组strvalue构造串
}
// 模式匹配的Brute-Force 算法
//返回模式串t在主串中从start开始的第一次匹配位置，匹配失败时返回－1。
public int index_BF(SeqString t, int start) {
if (this != null && t != null && t.length() > 0 && this.length() >= t.length()) { //当主串比模式串长时进行比较
int slen, tlen, i = start, j = 0; //i表示主串中某个子串的序号
slen = this.length();
tlen = t.length();
while ((i < slen) && (j < tlen)) {
if (this.charAt(i) == t.charAt(j)) //j为模式串当前字符的下标
{
i++;
j++;
} //继续比较后续字符
else {
i = i - j + 1; //继续比较主串中的下一个子串
j = 0; //模式串下标退回到0
}
}
if (j >= t.length()) //一次匹配结束，匹配成功
{
return i - tlen; //返回子串序号
} else {
return -1;
}
}
return -1; //匹配失败时返回-1
}
//若当前串中存在和str相同的子串，则返回模式串str在主串中从第start字符开始的第一次出现位置，否则返回-1
public int indexOf(IString t, int start) {
return index_KMP(t, start);
}
//KMP模式匹配算法
public int index_KMP(IString T, int start) {
//在当前主串中从start开始查找模式串T
//若找到，则返回模式串T在主串中的首次匹配位置，否则返回-1
int[] next = getNext(T); //计算模式串的next[]函数值
int i = start; //主串指针
int j = 0; //模式串指针
//对两串从左到右逐个比较字符
while (i < this.length() && j < T.length()) {
//若对应字符匹配
if (j == -1 || this.charAt(i) == T.charAt(j)) { // j==-1表示S[i]!=T[0]
i++;
j++; //则转到下一对字符
} else //当S[i]不等于T[j]时
{
j = next[j]; //模式串右移
}
}
if (j < T.length()) {
return -1; //匹配失败
} else {
return (i - T.length()); //匹配成功
}
}
//计算模式串T的next[]函数值
protected int[] getNext(IString T) {
int[] next = new int[T.length()]; //next[]数组
int j = 1; //主串指针
int k = 0; //模式串指针
next[0] = -1;
if (T.length() > 1) {
next[1] = 0;
}
while (j < T.length() - 1) {
if (T.charAt(j) == T.charAt(k)) { //匹配
next[j + 1] = k + 1;
j++;
k++;
} else if (k == 0) { //失配
next[j + 1] = 0;
j++;
} else {
k = next[k];
}
}
return (next);
}
//计算模式串T的nextval[]函数值
protected int[] getNextVal(IString T) {
int[] nextval = new int[T.length()]; //nextval[]数组
int j = 0;
int k = -1;
nextval[0] = -1;
while (j < T.length() - 1) {
if (k == -1 || T.charAt(j) == T.charAt(k)) {
j++;
k++;
if (T.charAt(j) != T.charAt(k)) {
nextval[j] = k;
} else {
nextval[j] = nextval[k];
}
} else {
k = nextval[k];
}
}
return (nextval);
}
}gitee源码地址:
