Manacher's Algorithm 马拉车算法---Java实现
2018-01-21 16:52
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Manacher's Algorithm 马拉车算法这是参考的博客,用C++写的,讲的很清楚。在此基础上用java实现一遍,其中有疑惑的地方用红色字体做了标注,代码直接复制就能使用。
这个马拉车算法Manacher‘s Algorithm是用来查找一个字符串的最长回文子串的线性方法,由一个叫Manacher的人在1975年发明的,这个方法的最大贡献是在于将时间复杂度提升到了线性,这是非常了不起的。对于回文串想必大家都不陌生,就是正读反读都一样的字符串,比如
"bob", "level", "noon" 等等,那么如何在一个字符串中找出最长回文子串呢,可以以每一个字符为中心,向两边寻找回文子串,在遍历完整个数组后,就可以找到最长的回文子串。但是这个方法的时间复杂度为O(n*n),并不是很高效,下面我们来看时间复杂度为O(n)的马拉车算法。
由于回文串的长度可奇可偶,比如"bob"是奇数形式的回文,"noon"就是偶数形式的回文,马拉车算法的第一步是预处理,做法是在每一个字符的左右都加上一个特殊字符,比如加上'#',那么
bob --> #b#o#b#
noon --> #n#o#o#n#
这样做的好处是不论原字符串是奇数还是偶数个,处理之后得到的字符串的个数都是奇数个,这样就不用分情况讨论了,而可以一起搞定。接下来我们还需要和处理后的字符串t等长的数组p,其中p[i]表示以t[i]字符为中心的回文子串的半径,若p[i] = 1,则该回文子串就是t[i]本身,那么我们来看一个简单的例子:
# 1 # 2 # 2 # 1 # 2 # 2 #
1 2 1 2 5 2 1 6 1 2 3 2 1
由于第一个和最后一个字符都是#号,且也需要搜索回文,为了防止越界,我们还需要在首尾再加上非#号字符,实际操作时我们还需给开头加上个非#号字符'$',结尾加一个'@'。通过p数组我们就可以找到其最大值和其位置,就能确定最长回文子串了,那么下面我们就来看如何求p数组,需要新增两个辅助变量mx和id,其中id为最大回文子串中心的位置,mx是回文串能延伸到的最右端的位置(很多文章都这样说,其实并不是,根据下面的代码就能看出来,mx应该是已找到的回文子串所能到达的最右端,而id是最右端回文子串对应的中心),这个算法的最核心的一行如下:
可以这么说,这行要是理解了,那么马拉车算法基本上就没啥问题了,那么这一行代码拆开来看就是
如果mx > i, 则 p[i] = min(p[2 * id - i], mx - i)
否则, p[i] = 1
当 mx - i > P[j] 的时候,以S[j]为中心的回文子串包含在以S[id]为中心的回文子串中,由于 i 和 j 对称,以S[i]为中心的回文子串必然包含在以S[id]为中心的回文子串中,所以必有 P[i] = P[j],见下图。
当 P[j] >= mx - i 的时候,以S[j]为中心的回文子串不一定完全包含于以S[id]为中心的回文子串中,但是基于对称性可知,下图中两个绿框所包围的部分是相同的,也就是说以S[i]为中心的回文子串,其向右至少会扩张到mx的位置,也就是说 P[i] >= mx - i。至于mx之后的部分是否对称,就只能老老实实去匹配了。
对于 mx <= i 的情况,无法对 P[i]做更多的假设,只能P[i] = 1,然后再去匹配了。
参见如下实现代码:
这个马拉车算法Manacher‘s Algorithm是用来查找一个字符串的最长回文子串的线性方法,由一个叫Manacher的人在1975年发明的,这个方法的最大贡献是在于将时间复杂度提升到了线性,这是非常了不起的。对于回文串想必大家都不陌生,就是正读反读都一样的字符串,比如
"bob", "level", "noon" 等等,那么如何在一个字符串中找出最长回文子串呢,可以以每一个字符为中心,向两边寻找回文子串,在遍历完整个数组后,就可以找到最长的回文子串。但是这个方法的时间复杂度为O(n*n),并不是很高效,下面我们来看时间复杂度为O(n)的马拉车算法。
由于回文串的长度可奇可偶,比如"bob"是奇数形式的回文,"noon"就是偶数形式的回文,马拉车算法的第一步是预处理,做法是在每一个字符的左右都加上一个特殊字符,比如加上'#',那么
bob --> #b#o#b#
noon --> #n#o#o#n#
这样做的好处是不论原字符串是奇数还是偶数个,处理之后得到的字符串的个数都是奇数个,这样就不用分情况讨论了,而可以一起搞定。接下来我们还需要和处理后的字符串t等长的数组p,其中p[i]表示以t[i]字符为中心的回文子串的半径,若p[i] = 1,则该回文子串就是t[i]本身,那么我们来看一个简单的例子:
# 1 # 2 # 2 # 1 # 2 # 2 #
1 2 1 2 5 2 1 6 1 2 3 2 1
由于第一个和最后一个字符都是#号,且也需要搜索回文,为了防止越界,我们还需要在首尾再加上非#号字符,实际操作时我们还需给开头加上个非#号字符'$',结尾加一个'@'。通过p数组我们就可以找到其最大值和其位置,就能确定最长回文子串了,那么下面我们就来看如何求p数组,需要新增两个辅助变量mx和id,其中id为最大回文子串中心的位置,mx是回文串能延伸到的最右端的位置(很多文章都这样说,其实并不是,根据下面的代码就能看出来,mx应该是已找到的回文子串所能到达的最右端,而id是最右端回文子串对应的中心),这个算法的最核心的一行如下:
p[i] = mx > i ? min(p[2 * id - i], mx - i) : 1;
可以这么说,这行要是理解了,那么马拉车算法基本上就没啥问题了,那么这一行代码拆开来看就是
如果mx > i, 则 p[i] = min(p[2 * id - i], mx - i)
否则, p[i] = 1
当 mx - i > P[j] 的时候,以S[j]为中心的回文子串包含在以S[id]为中心的回文子串中,由于 i 和 j 对称,以S[i]为中心的回文子串必然包含在以S[id]为中心的回文子串中,所以必有 P[i] = P[j],见下图。
当 P[j] >= mx - i 的时候,以S[j]为中心的回文子串不一定完全包含于以S[id]为中心的回文子串中,但是基于对称性可知,下图中两个绿框所包围的部分是相同的,也就是说以S[i]为中心的回文子串,其向右至少会扩张到mx的位置,也就是说 P[i] >= mx - i。至于mx之后的部分是否对称,就只能老老实实去匹配了。
对于 mx <= i 的情况,无法对 P[i]做更多的假设,只能P[i] = 1,然后再去匹配了。
参见如下实现代码:
public static void main(String[] args) { String str = "abcde"; Scanner s = new Scanner(System.in); while (true) { System.out.print("请输入字符串:"); String line = s.nextLine(); if (line.equals("exit")) break; else { System.out.println("最大回文子串: "+Manacher(line)); } } } public static String Manacher(String s) { // Insert '#' String t = "$#"; for (int i = 0; i < s.length(); ++i) { t += s.charAt(i); t += "#"; } t += "@"; // Process t int[] p = new int[t.length()];; int mx = 0, id = 0, resLen = 0, resCenter = 0; for (int i = 1; i < t.length()-1; ++i) { p[i] = mx > i ? Math.min(p[2 * id - i], mx - i) : 1; while (((i - p[i])>=0) && ((i + p[i])<t.length()-1) && (t.charAt(i + p[i]) == t.charAt(i - p[i]))) ++p[i]; if (mx < i + p[i]) { mx = i + p[i]; id = i; } if (resLen < p[i]) { resLen = p[i]; resCenter = i; } } return s.substring((resCenter - resLen) / 2, (resCenter - resLen) / 2 + resLen-1); }
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