4.1 串的抽象数据类型的定义 4.2 串的表示和实现 4.3 串的模式匹配算法.

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1 4.1 串的抽象数据类型的定义 4.2 串的表示和实现 4.3 串的模式匹配算法

2 4.1 串的抽象数据类型的定义如下： 数据关系： ADT String { D＝{ ai |ai∈CharacterSet,
4.1 串的抽象数据类型的定义如下： 串是有限长的字符序列，由一对单引号相括，如: a string ADT String { 数据对象： D＝{ ai |ai∈CharacterSet, i=1,2,...,n, n≥0 } 数据关系： R1＝{ < ai-1, ai > | ai-1, ai ∈D, i=2,...,n }

3 基本操作： StrAssign (&T, chars) DestroyString(&S) StrCopy (&T, S) StrLength(S) StrCompare (S, T) Concat (&T, S1, S2) StrEmpty (S)

4 SubString (&Sub, S, pos, len)
ClearString (&S) Index (S, T, pos) Replace (&S, T, V) StrInsert (&S, pos, T) StrDelete (&S, pos, len) } ADT String

5 StrAssign (&T, chars) 初始条件：chars 是字符串常量。 操作结果：把 chars 赋为 T 的值。

6 StrCopy (&T, S) 初始条件：串 S 存在。 操作结果：由串 S 复制得串 T。

7 DestroyString (&S) 初始条件：串 S 存在。 操作结果：串 S 被销毁。

8 StrEmpty (S) 初始条件：串S存在。 操作结果：若 S 为空串，则返回TRUE， 否则返回 FALSE。
 表示空串，空串的长度为零。

9 StrCompare (S, T) 初始条件：串 S 和 T 存在。 操作结果：若S  T，则返回值  0； 若S  T，则返回值  0； 若S  T，则返回值  0。
例如：StrCompare(data, state) < 0 StrCompare(cat, case) > 0

10 StrLength (S) 初始条件：串 S 存在。 操作结果：返回 S 的元素个数， 称为串的长度。

11 Concat (&T, S1, S2) 初始条件：串 S1 和 S2 存在。 操作结果：用 T 返回由 S1 和 S2 联接而成的新串。
例如： Concate( T, man, kind) 求得 T = mankind

12 串 S 存在，1≤pos≤StrLength(S) 操作结果：
SubString (&Sub, S, pos, len) 初始条件： 串 S 存在，1≤pos≤StrLength(S) 且0≤len≤StrLength(S)-pos+1。 操作结果： 用 Sub 返回串 S 的第 pos 个字符起 长度为 len 的子串。

13 子串为“串” 中的一个字符子序列 例如： SubString( sub, commander, 4, 3) 求得 sub = man ； SubString( sub, commander, 1, 9) 求得 sub = commander； SubString( sub, commander, 9, 1) 求得 sub = r；

14 SubString(sub, commander, 4, 7) sub = ?
SubString(sub, beijing, 7, 2) = ? sub = ? 起始位置和子串长度之间存在约束关系 SubString(student, 5, 0) =  长度为 0 的子串为“合法”串

15 Index (S, T, pos) 初始条件：串S和T存在，T是非空串， ≤pos≤StrLength(S)。 操作结果： 若主串 S 中存在和串 T 值相同 的子串, 则返回它在主串 S 中第pos个 字符之后第一次出现的位置； 否则函数值为0。

16 “子串在主串中的位置”意指子串 中的第一个字符在主串中的位序。 假设 S = abcaabcaaabc, T = bca Index(S, T, 1) = 2； Index(S, T, 3) = 6； Index(S, T, 8) = 0；

17 Replace (&S, T, V) 初始条件：串S, T和 V 均已存在， 且 T 是非空串。 操作结果：用V替换主串S中出现 的所有与（模式串）T 相等的不重叠的子串。

18 例如： 假设 S = abcaabcaaabca，T = bca 若 V = x， 则经置换后得到 S = axaxaax 若 V = bc， 则经置换后得到 S = abcabcaabc

19 StrInsert (&S, pos, T) 初始条件：串S和T存在，
1≤pos≤StrLength(S)＋1。 操作结果：在串S的第pos个字符之前 插入串T。 例如：S = chater，T = rac， 则执行 StrInsert(S, 4, T)之后得到 S = character

20 StrDelete (&S, pos, len) 初始条件：串S存在
1≤pos≤StrLength(S)-len+1。 操作结果：从串S中删除第pos个字符 起长度为len的子串。

21 ClearString (&S) 初始条件：串S存在。 操作结果：将S清为空串。

22 例如：C语言函数库中提供下列串处理函数：
对于串的基本操作集可以有不同的定义方法，在使用高级程序设计语言中的串类型时，应以该语言的参考手册为准。 例如：C语言函数库中提供下列串处理函数： gets(str) 输入一个串； puts(str) 输出一个串； strcat(str1, str2) 串联接函数； strcpy(str1, str2, k) 串复制函数； strcmp(str1, str2) 串比较函数； strlen(str) 求串长函数；

23 串赋值StrAssign、串复制Strcopy、 串比较StrCompare、求串长StrLength、
在上述抽象数据类型定义的13种操作中， 串赋值StrAssign、串复制Strcopy、 串比较StrCompare、求串长StrLength、 串联接Concat以及求子串SubString 等六种操作构成串类型的最小操作子集。 即：这些操作不可能利用其他串操作来实现， 反之，其他串操作（除串清除ClearString和串 销毁DestroyString外）可在这个最小操作子 集上实现。

24 例如，可利用串比较、求串长和求子串等操作实现定位函数Index(S,T,pos)。
算法的基本思想为： StrCompare(SubString(S, i, StrLength(T)),T ) ? 0 i S 串 pos n-m+1 T 串 T 串

25 int Index (String S, String T, int pos) {
// T为非空串。若主串S中第pos个字符之后存在与 T相等的子串，则返回第一个 这样的子串在S中的位置，否则返回0 if (pos > 0) { n = StrLength(S); m = StrLength(T); i = pos; while ( i <= n-m+1) { SubString (sub, S, i, m); if (StrCompare(sub,T) != 0) ++i ; else return i ; } // while } // if return 0; // S中不存在与T相等的子串 } // Index

26 又如串的置换函数： pos pos i S 串 sub T 串 V 串 news 串 sub V 串

27 串的逻辑结构和线性表极为相似，区别 仅在于串的数据对象约束为字符集。 串的基本操作和线性表有很大差别。 在线性表的基本操作中，大多以“单个元素”作为操作对象； 在串的基本操作中，通常以“串的整体”作为操作对象。

28 4.2 串的表示和实现 在程序设计语言中，串只是作为输入或输出的常量出现，则只需存储此串的串值，即字符序列即可。但在多数非数值处理的程序中，串也以变量的形式出现。

29 一、串的定长顺序存储表示 二、串的堆分配存储表示 三、串的块链存储表示

30 一、串的定长顺序存储表示 // 用户可在255以内定义最大串长 typedef unsigned char Sstring
#define MAXSTRLEN 255 // 用户可在255以内定义最大串长 typedef unsigned char Sstring [MAXSTRLEN + 1]; // 0号单元存放串的长度

31 特点: 串的实际长度可在这个予定义长度的范围内随意设定，超过予定义长度的串值则被舍去，称之为 “截断” 。 按这种串的表示方法实现的串的运算时，其基本操作为 “字符序列的复制”。

32 // 用T返回由S1和S2联接而成的新串。若未截断, 则返回TRUE，否则FALSE。
例如：串的联接算法中需分三种情况处理： Status Concat(SString S1, SString S2, SString &T) { // 用T返回由S1和S2联接而成的新串。若未截断, 则返回TRUE，否则FALSE。 return uncut; } // Concat if (S1[0]+S2[0] <= MAXSTRLEN) {// 未截断 T[1..S1[0]] = S1[1..S1[0]]; T[S1[0]+1..S1[0]+S2[0]] = S2[1..S2[0]]; T[0] = S1[0]+S2[0]; uncut = TRUE; } else if (S1[0] <MAXSTRSIZE) { // 截断 T[1..S1[0]] = S1[1..S1[0]]; T[S1[0]+1..MAXSTRLEN] = S2[1..MAXSTRLEN－S1[0]]; T[0] = MAXSTRLEN; uncut = FALSE; } else { // 截断(仅取S1) T[0..MAXSTRLEN] = S1[0..MAXSTRLEN]; // T[0] == S1[0] == MAXSTRLEN uncut = FALSE; }

33 二、串的堆分配存储表示 char *ch; // 若是非空串，则按串长分配存储区， // 否则ch为NULL
typedef struct { char *ch; // 若是非空串，则按串长分配存储区， // 否则ch为NULL int length; // 串长度 } HString;

34 这类串操作实现的算法为： C语言中的串以一个空字符为结束符， 串长是一个隐含值。 先为新生成的串分配一个存储空间，然后 进行串值的复制。
通常，C语言中提供的串类型就是以这种存储方式实现的。系统利用函数malloc( )和free( )进行串值空间的动态管理，为每一个新产生的串分配一个存储区，称串值共享的存储空间为“堆”。 C语言中的串以一个空字符为结束符， 串长是一个隐含值。 这类串操作实现的算法为： 先为新生成的串分配一个存储空间，然后 进行串值的复制。

35 Status Concat(HString &T, HString S1, HString S2) {
// 用T返回由S1和S2联接而成的新串 if (T.ch) free(T.ch); // 释放旧空间 if (!(T.ch = (char *) malloc((S1.length+S2.length)*sizeof(char)))) exit (OVERFLOW); T.ch[0..S1.length-1] = S1.ch[0..S1.length-1]; T.length = S1.length + S2.length; T.ch[S1.length..T.length-1] = S2.ch[0..S2.length-1]; return OK; } // Concat

36 … … int pos, int len) { // 用Sub返回串S的第pos个字符起长度为len的子串
Status SubString(HString &Sub, HString S, int pos, int len) { // 用Sub返回串S的第pos个字符起长度为len的子串 if (pos < 1 || pos > S.length || len < 0 || len > S.length-pos+1) return ERROR; if (Sub.ch) free (Sub.ch); // 释放旧空间 if (!len) { Sub.ch = NULL; Sub.length = 0; } // 空子串 else { } // 完整子串 return OK; } // SubString … …

37 Sub.ch[0..len-1] = S[pos-1..pos+len-2]; Sub.length = len;
Sub.ch = (char *)malloc(len*sizeof(char)); Sub.ch[0..len-1] = S[pos-1..pos+len-2]; Sub.length = len;

38 三、串的块链存储表示 也可用链表来存储串值，由于串的数据元素是一个字符，它只有 8 位二进制数，因此用链表存储时，通常一个结点中存放的不是一个字符，而是一个子串。 数据元素所占存储位 存储密度 = 实际分配的存储位

39 typedef struct Chunk { // 结点结构 char ch[CUNKSIZE]; struct Chunk *next;
#define CHUNKSIZE 80 // 可由用户定义的块大小 typedef struct Chunk { // 结点结构 char ch[CUNKSIZE]; struct Chunk *next; } Chunk; typedef struct { // 串的链表结构 Chunk *head, *tail; // 串的头和尾指针 int curlen; // 串的当前长度 } LString;

40 实际应用时，可以根据问题所需来设置结点的大小。
例如: 在编辑系统中，整个文本编辑区可以看成是一个串，每一行是一个子串，构成一个结点。即: 同一行的串用定长结构(80个字符), 行和行之间用指针相联接。

41 4.3 串的模式匹配算法 这是串的一种重要操作，很多 软件，若有“编辑”菜单项的话， 则其中必有“查找”子菜单项。

42 首先，回忆一下串匹配(查找)的定义: INDEX (S, T, pos) 初始条件：串S和T存在，T是非空串， 1≤pos≤StrLength(S)。 操作结果：若主串S中存在和串T值相 同的子串返回它在主串S中 第pos个字符之后第一次出 现的位置；否则函数 值为0。

43 下面讨论以定长顺序结构 表示串时的几种算法。 一、简单算法 二、首尾匹配算法 三、KMP(D.E.Knuth, V.R.Pratt,
J.H.Morris) 算法

44 一、简单算法 int Index(SString S, SString T, int pos) {
// 返回子串T在主串S中第pos个字符之后的位置。若不存在， // 则函数值为0。其中，T非空，1≤pos≤StrLength(S)。 i = pos; j = 1; while (i <= S[0] && j <= T[0]) { if (S[i] == T[j]) { ++i; ++j; } // 继续比较后继字符 else { i = i-j+2; j = 1; } // 指针后退重新开始匹配 } if (j > T[0]) return i-T[0]; else return 0; } // Index

45 二、首尾匹配算法 先比较模式串的第一个字符， 再比较模式串的最后一个字符， 最后比较模式串中从第二个到 第n-1个字符。

46 int Index_FL(SString S, SString T, int pos) {
sLength = S[0]; tLength = T[0]; i = pos; patStartChar = T[1]; patEndChar = T[tLength]; while (i <= sLength – tLength + 1) { if (S[i] != patStartChar) ++i; //重新查找匹配起始点 else if (S[i+tLength-1] != patEndChar) ++i; // 模式串的“尾字符”不匹配 else { } } return 0; // 检查中间字符的匹配情况

47 k = 1; j = 2; while ( j < tLength && S[i+k] == T[j]) { ++k; ++j; }
if ( j == tLength ) return i; else ++i; // 重新开始下一次的匹配检测

48 三、KMP(D.E.Knuth, V.R.Pratt, J.H.Morris) 算法
KMP算法的时间复杂度可以达到O(m+n) 当 S[i] <> T[j] 时， 已经得到的结果： S[i-j+1..i-1] == T[1..j-1] 若已知 T[1..k-1] == T[j-k+1..j-1] 则有 S[i-k+1..i-1] == T[1..k-1]

49 定义：模式串的next函数

50 int Index_KMP(SString S, SString T, int pos) {
// 1≤pos≤StrLength(S) i = pos; j = 1; while (i <= S[0] && j <= T[0]) { if (j = 0 || S[i] == T[j]) { ++i; ++j; } // 继续比较后继字符 else j = next[j]; // 模式串向右移动 } if (j > T[0]) return i-T[0]; // 匹配成功 else return 0; } // Index_KMP

51 求next函数值的过程是一个递推过程，分析如下:
假设：next[j] = k；又 T[j] = T[k] 则： next[j+1] = k+1 若： T[j]  T[k] 则需往前回朔，检查 T[j] = T[ ？] 这实际上也是一个匹配的过程， 不同在于：主串和模式串是同一个串

52 void get_next(SString &T, int &next[] ) { // 求模式串T的next函数值并存入数组next
i = 1; next[1] = 0; j = 0; while (i < T[0]) { if (j = 0 || T[i] == T[j]) {++i; ++j; next[i] = j; } else j = next[j]; } } // get_next

53 S = aaabaaabaaabaaabaaab T = aaaab
还有一种特殊情况需要考虑： 例如： S = aaabaaabaaabaaabaaab T = aaaab next[j]=01234 nextval[j]=00004

54 void get_nextval(SString &T, int &nextval[]) {
i = 1; nextval[1] = 0; j = 0; while (i < T[0]) { if (j = 0 || T[i] == T[j]) { ++i; ++j; if (T[i] != T[j]) next[i] = j; else nextval[i] = nextval[j]; } else j = nextval[j]; } // get_nextval

55 1. 熟悉串的七种基本操作的定义，并能利用这些基本操作来实现串的其它各种操作的方法。
本章学习要点 1. 熟悉串的七种基本操作的定义，并能利用这些基本操作来实现串的其它各种操作的方法。 2. 熟练掌握在串的定长顺序存储结构上实现串的各种操作的方法。 3. 了解串的堆存储结构以及在其上实现串操作的基本方法。

56 4. 理解串匹配的KMP算法，熟悉NEXT函数的定义，学会手工计算给定模式串的NEXT函数值和改进的NEXT函数值。
5. 了解串操作的应用方法和特点。