字符串模糊匹配技术综述

发布时间：2023-05-20

字符串模糊匹配是一种可以在文本或者字符串集合中搜索与指定模式相似的子串或者单词的方法。由于实际应用中经常会遭遇到数据刚性问题，在简单的文本匹配任务中正则表达式已经无法满足需要，所以需要进行字符串模糊匹配。字符串模糊匹配有多种方法，例如：KMP算法、Boyer-Moore算法、Rabin-Karp算法等。这篇文章通过分析几种比较常见的算法，详细阐述字符串模糊匹配技术。

一、KMP算法

KMP（Knuth-Morris-Pratt）算法是一种常用的字符串匹配算法。该算法的核心思想是通过预处理模式串，以达到避免重复匹配的目的。KMP算法的实现方式是在匹配字符串的过程中，遇到不匹配的字符就利用已经预处理好的next数组去匹配。 下面是KMP算法的核心代码：

int kmp(string s, string p)
{
    // 求next数组
    int m = p.size();
    int* next = new int[m + 1];
    memset(next, 0, sizeof(int) * (m + 1));
    int j = 0;
    for (int i = 1; i < m; ++i)
    {
        while (j > 0 && p[i] != p[j]) {
            j = next[j];
        }
        if (p[i] == p[j]) {
            ++j;
        }
        next[i+1] = j;
    }
    // 正式匹配操作
    int n = s.size();
    j = 0;
    for (int i = 0; i < n; ++i)
    {
        while (j > 0 && s[i] != p[j]) {
            j = next[j];
        }
        if (s[i] == p[j]) {
            ++j;
        }
        if (j == m) {
            delete[] next;
            return i - m + 1;
        }
    }
    delete[] next;
    return -1;
}

二、Boyer-Moore算法

Boyce-Moore算法是一种效率较高的字符串匹配算法，其核心思想是从右到左进行匹配。从而让不匹配时跳过尽可能多的字符，进而减少匹配次数。它会预处理模式串中每个字符最后出现的位置，如果在匹配中找到了一个不匹配的字符，它会基于这个位置来决定下一步应该向右移动多少位。 下面是Boyer-Moore算法的核心代码：

int boyer_moore(string s, string p)
{
    int n = s.size();
    int m = p.size();
    int* bc = new int[256];
    int* gs = new int[m];
    for (int i = 0; i < 256; ++i) {
        bc[i] = -1;
    }
    for (int i = 0; i < m; ++i) {
        bc[p[i]] = i;
    }
    for (int i = 0, j = 0; i < m; ++i, j = 0) {
        while (i + j < m && p[m-1-j] == p[m-1-i+j]) {
            ++j;
            gs[j] = m-1-i+j;
        }
    }
    while (j < m) {
        gs[++j] = m;
    }
    int i = 0;
    while (i <= n - m) {
        int j;
        for (j = m-1; j >= 0 && p[j] == s[i+j]; --j) {
        }
        if (j < 0) {
            delete[] bc;
            delete[] gs;
            return i;
        } else {
            i += max(j-bc[s[i+j]], gs[j+1]);
        }
    }
    delete[] bc;
    delete[] gs;
    return -1;
}

三、Rabin-Karp算法

Rabin-Karp算法是一种基于哈希的字符串匹配算法。它会先计算出模式串的哈希值，在匹配过程中将匹配区域窗口内的子串的哈希值与模式串哈希值比较，当其相等时再进行逐个字符比较。 下面是Rabin-Karp算法的核心代码：

int rabin_karp(string s, string p)
{
    int n = s.size();
    int m = p.size();
    int p_hash = hash(p);
    int s_hash = hash(s.substr(0, m));
    for (int i = 0; i <= n - m; ++i) {
        if (p_hash == s_hash) {
            if (s.substr(i, m) == p)
            {
                return i;
            }
        }
        if (i < n - m) {
            s_hash = rabin_fingerprint(s_hash, s[i], s[i+m], p_hash, m);
        }
    }
    return -1;
}

四、小结

本文论述了几种常见的字符串模糊匹配算法，分别是KMP算法、Boyer-Moore算法、Rabin-Karp算法。这些算法各有优点和缺点，在不同的情况下适用不同的算法能够提高匹配的效率。 实际应用中，字符串模糊匹配是非常重要的。在搜索引擎、推荐系统、推广营销、网络安全等领域，都有着广泛的应用。掌握字符串模糊匹配的算法，可以让我们更加高效地进行数据处理和信息检索。

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