【代码随想录｜刷题记录Day9】28.实现strStr()、459.重复的子字符串

Macondo_z
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题目列表

  28.实现strStr()

  459.重复的子字符串

解题过程

1、28.实现strStr()

给你两个字符串 haystack 和 needle ，请你在 haystack 字符串中找出 needle 字符串的第一个匹配项的下标（下标从 0 开始）。如果 needle 不是 haystack 的一部分，则返回  -1 。

思路： 本题是KMP经典题目。

KMP的经典思想就是：当出现字符串不匹配时，可以记录一部分之前已经匹配的文本内容，利用这些信息避免从头再去做匹配。

如何记录已经匹配的文本内容，是KMP的重点，也是next数组肩负的重任。next数组本质上就是一个前缀表（prefix table）。

前缀表是用来回退的，它记录了模式串与主串(文本串)不匹配的时候，模式串应该从哪里开始重新匹配。

  • 前缀是指不包含最后一个字符的所有以第一个字符开头的连续子串。

  • 后缀是指不包含第一个字符的所有以最后一个字符结尾的连续子串。

而前缀表要求的就是相同前后缀的长度。

模式串与前缀表对应位置的数字表示的就是：下标i之前（包括i）的字符串中，有多大长度的相同前缀后缀。

next数组既可以就是前缀表，也可以是前缀表统一减一（右移一位，初始位置为-1），这涉及到next数组的具体实现。

KMP算法的时间复杂度： n为文本串长度，m为模式串长度，因为在匹配的过程中，根据前缀表不断调整匹配的位置，可以看出匹配的过程是O(n)，之前还要单独生成next数组，时间复杂度是O(m)。所以整个KMP算法的时间复杂度是O(n+m)的。

暴力的解法显而易见是O(n × m)，所以KMP在字符串匹配中极大地提高了搜索的效率。

构造next数组： 计算模式串s，前缀表的过程。

  • 初始化；
  • 处理前后缀不相同的情况；
  • 处理前后缀相同的情况。

Java实现1

class Solution {
    /**
     * 基于窗口滑动的算法
     * <p>
     * 时间复杂度：O(m*n)
     * 空间复杂度：O(1)
     * 注：n为haystack的长度，m为needle的长度
     */
    public int strStr(String haystack, String needle) {
        int m = needle.length();
        // 当 needle 是空字符串时我们应当返回 0
        if (m == 0) {
            return 0;
        }
        int n = haystack.length();
        if (n < m) {
            return -1;
        }
        int i = 0;
        int j = 0;
        while (i < n - m + 1) {
            // 找到首字母相等
            while (i < n && haystack.charAt(i) != needle.charAt(j)) {
                i++;
            }
            if (i == n) {// 没有首字母相等的
                return -1;
            }
            // 遍历后续字符，判断是否相等
            i++;
            j++;
            while (i < n && j < m && haystack.charAt(i) == needle.charAt(j)) {
                i++;
                j++;
            }
            if (j == m) {// 找到
                return i - j;
            } else {// 未找到
                i -= j - 1;
                j = 0;
            }
        }
        return -1;
    }
}

Java实现2

// 方法一
class Solution {
    public void getNext(int[] next, String s){
        int j = -1;
        next[0] = j;
        for (int i = 1; i < s.length(); i++){
            while(j >= 0 && s.charAt(i) != s.charAt(j+1)){
                j=next[j];
            }

            if(s.charAt(i) == s.charAt(j+1)){
                j++;
            }
            next[i] = j;
        }
    }
    public int strStr(String haystack, String needle) {
        if(needle.length()==0){
            return 0;
        }

        int[] next = new int[needle.length()];
        getNext(next, needle);
        int j = -1;
        for(int i = 0; i < haystack.length(); i++){
            while(j>=0 && haystack.charAt(i) != needle.charAt(j+1)){
                j = next[j];
            }
            if(haystack.charAt(i) == needle.charAt(j+1)){
                j++;
            }
            if(j == needle.length()-1){
                return (i-needle.length()+1);
            }
        }

        return -1;
    }
}

Java实现3

class Solution {
    //前缀表（不减一）Java实现
    public int strStr(String haystack, String needle) {
        if (needle.length() == 0) return 0;
        int[] next = new int[needle.length()];
        getNext(next, needle);

        int j = 0;
        for (int i = 0; i < haystack.length(); i++) {
            while (j > 0 && needle.charAt(j) != haystack.charAt(i)) 
                j = next[j - 1];
            if (needle.charAt(j) == haystack.charAt(i)) 
                j++;
            if (j == needle.length()) 
                return i - needle.length() + 1;
        }
        return -1;

    }
    
    private void getNext(int[] next, String s) {
        int j = 0;
        next[0] = 0;
        for (int i = 1; i < s.length(); i++) {
            while (j > 0 && s.charAt(j) != s.charAt(i)) 
                j = next[j - 1];
            if (s.charAt(j) == s.charAt(i)) 
                j++;
            next[i] = j; 
        }
    }
}

2、459.重复的子字符串

给定一个非空的字符串 s ，检查是否可以通过由它的一个子串重复多次构成。

假设字符串s使用多个重复子串构成（这个子串是最小重复单位），重复出现的子字符串长度是x，所以s是由n * x组成。

因为字符串s的最长相同前后缀的长度一定是不包含s本身，所以 最长相同前后缀长度必然是m * x，而且 n - m = 1。

所以如果 nx % (n - m)x = 0，就可以判定有重复出现的子字符串。

next数组记录的就是最长相同前后缀，如果 next[len - 1] != -1，则说明字符串有最长相同的前后缀（就是字符串里的前缀子串和后缀子串相同的最长长度）。

最长相等前后缀的长度为：next[len - 1] + 1。(这里的next数组是以统一减一的方式计算的，因此需要+1。

数组长度为：len。

如果len % (len - (next[len - 1] + 1)) == 0 ，则说明数组的长度正好可以被 (数组长度-最长相等前后缀的长度) 整除，说明该字符串有重复的子字符串。

数组长度减去最长相同前后缀的长度相当于是第一个周期的长度，也就是一个周期的长度，如果这个周期可以被整除，就说明整个数组就是这个周期的循环。

class Solution {
    public boolean repeatedSubstringPattern(String s) {
        if (s.equals("")) return false;

        int len = s.length();
        // 原串加个空格(哨兵)，使下标从1开始，这样j从0开始，也不用初始化了
        s = " " + s;
        char[] chars = s.toCharArray();
        int[] next = new int[len + 1];

        // 构造 next 数组过程，j从0开始(空格)，i从2开始
        for (int i = 2, j = 0; i <= len; i++) {
            // 匹配不成功，j回到前一位置 next 数组所对应的值
            while (j > 0 && chars[i] != chars[j + 1]) j = next[j];
            // 匹配成功，j往后移
            if (chars[i] == chars[j + 1]) j++;
            // 更新 next 数组的值
            next[i] = j;
        }

        // 最后判断是否是重复的子字符串，这里 next[len] 即代表next数组末尾的值
        if (next[len] > 0 && len % (len - next[len]) == 0) {
            return true;
        }
        return false;
    }
}

字符串总结

什么是字符串

字符串是若干字符组成的有限序列，也可以理解为是一个字符数组。

双指针法

双指针法在数组，链表和字符串中很常用。

反转系列

有些情况下，先整体反转再局部反转，可以实现反转字符串里的单词。

KMP

KMP的主要思想是当出现字符串不匹配时，可以知道一部分之前已经匹配的文本内容，可以利用这些信息避免从头再去做匹配了。其中主要理解j=next[x]这一步最为关键！

双指针回顾

  • 数组篇：通过两个指针在一个for循环下完成两个for循环的工作。
  • 字符串篇：替换空格思路就是首先扩充数组到每个空格替换成"%20"之后的大小。然后双指针从后向前替换空格。
  • 链表篇：判断链表是否有环使用快慢指针（双指针法），分别定义 fast 和 slow指针，从头结点出发，fast指针每次移动两个节点，slow指针每次移动一个节点，如果 fast 和 slow指针在途中相遇 ，说明这个链表有环。
  • N数之和篇：三数之和、四数之和通过前后两个指针不算向中间逼近，在一个for循环下完成两个for循环的工作。

总结

KMP算法是字符串类型题目中的重点和难点。

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