串String
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逻辑结构
串,即字符串 ( String)是由零个或多个字符组成的有限序列。一般记为S = 'a1a2......an'(n ≥ 0)
其中, S 是串名 ,单引号 括起来的字符序列 是串的值。 ai 可以是字母、数字或其他字符。 串中字符的个数 n 称为串的长度 。n = 0时的串称为空串(用Ø表示)。
例:(单双引号都有) S = "Helloworld!" T = 'this is a string'
术语
-
子串 :串中任意个连续的字符组成的子序列。(任意个所以也可以是0个,即Ø) Eg: 'this','is a string' 是 串T 的子串。
-
主串:包含子串的串。 Eg: T是子串'this'的主串。
-
字符在主串中的位置 :字符在串中的序号(字符的编号是从1开始 的)。 Eg: 'a' 在 T 中的位置是9。(第一次出现,空格也算)
-
子串在主串中的位置 :子串的第一个字符在主串中的位置。 Eg: 'a string' 在T中的位置为9(使用第一个字符的位置)
【注意】空串 不是 空格串
C
M=''
N=' '
N是由三个空格字符组成的空格串,每个空格字符占1B。
M的n = 0,所以是空串。
和线性表的联系
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限定为字符集。
串是一种特殊的线性表,数据元素之间呈线性关系。
串的数据对象限定为字符集(如中文字符、英文字符、数字字符、标点字符等)
线性表的基本操作,是以某个元素为操作对象。 串的基本操作,如增删改查等通常以==子串==为操作对象。
物理(存储)结构
- 顺序存储
- 链式存储
- 基于顺序存储实现基本操作
基本操作
StrAssign(&T,chars):赋值操作。把串T赋值为chars。
StrCopy(&T,S):复制操作。由串S复制得到串T。
StrEmpty(S):判空操作。若S为空串,则返回TRUE,否则返回FALSE。
StrLength(S):求串长。返回串S的元素个数。
ClearString(&S):清空操作。将S清为空串。(但是不回收内存,还可以再使用)
DestroyString(&S):销毁串。将串S销毁。(回收存储空间)
Concat(&T,S1,S2):串联接。用T返回由S1和S2联接而成的新串T。 【注意】串的联接有可能需要进行存储空间的扩展。
SubString(&sub,S,pos,len):求子串。用sub返回串S的第pos个字符起长度为len的子串。
Index(S,T) :定位子串。若主串S中存在与串T值相同的子串,则返回它在主串S中第一次出现的位置,否则函数值为0。
StrCompare(S,T):比较操作 。若S>T,则返回值>0。若S=T,则返回值=0。若S<T,则返回值<0。 【方法】从第一个字符开始往后依次对比,先出现更大(ASCII码靠后的)字符的串就更大。
串赋值StrAssign、串比较 StrCompare、求串长 Strength、串联接 Concat及求子串 Substring五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)均可在该最小操作子集上实现。
1.顺序存储
1.1存储结构表示
1.1.1定长顺序存储
静态数组实现定长顺序存储。
c
#define MAXLEN 255 //预定义最大串长为255
typedef struct{
char ch[MAXLEN];//每个分量存储一个字符
int length; //串的实际长度
}SString;
串的实际长度只能小于等于MAXLEN,超过预定义长度的串值会被舍去,称为截断。在一些串的操作(如插入、联接等)中,若串值序列的长度超过上界MAXLEN,约定用"截断"法处理,要克服这种弊端,只能不限定串长的最大长度,即采用动态分配的方式。
- 结构具体实现:

方案三,用结束标记字符\0表示结尾,此时的串长为隐含值。那么需要从头开始遍历到\0,才统计串有多长。
方案二,优点是字符的位序和数组下标相同。但是由于数组是char型的数据,每一个元素占1B(字节),也就是8bit。那么如果ch[0]充当length,能表示的范围就是0~255,那么字符串长度就不能超过255。
最后选择方案四,来解决方案二的不足。
1.1.2堆分配存储
动态数组实现堆分配存储。
c
typedef struct{
char *ch; //按串长分配存储区,ch指向串的基地址
int length; //串的长度
}HString;
HString S;
S.ch = (char *) malloc(MAXLEN * sizeof(char));
S.length = 0;
用完之后需要手动free。
1.1.3块链存储
类似于线性表的链式存储结构,也可采用链表方式存储串值。由于串的特殊性(每个元素只有一个字符),在具体实现时,每个结点既可以存放一个字符, 也可以存放多个字符。每个结点称为块,整个链表称为块链结构。图(a)是结点大小为4 (即每个结点存放4个字符)的链表,最后一个结点占不满时通常用"#"补上;图(b)是结点大小为1的链表。

1.1求字串
SubString(&sub,S,pos,len):求子串。用空串sub返回串S的第pos个字符起长度为len的子串。
c
//求子串。用sub返回串S的第pos个字符起长度为len的子串。
bool SubString(SString &Sub, SString S, int pos, int len){
//判断子串范围越界
if (pos+len-1> S.length)
return(false)
//将i=pos是为了方便S获取字串
for (int i=pos; i<pos+len; i++)
Sub.ch[i-pos+1] = S.ch[i];
Sub.length = len;
return true;
}
1.2串的比较
StrCompare(S,T):比较操作。
若S>T,则返回值>0。 若S=T,则返回值=0。 若S<T,则返回值<0。
从第一个字符开始往后依次对比,先出现更大(ASCII码靠后的)的字符的串就更大。并不一开始先比较长短。
c
//比较操作。若S>T,则返回值>0。若S=T,则返回值=0。若S<T,则返回值<0。
int StrCompare(SString S, SString T) {
for (int i=1; i<=S.length && i<=T.length; i++){
if (S.ch[i]!=T.ch[i])
return S.ch[i]-T.ch[i];
}
//扫描过的所有字符都相同,则长度长的串更大
return S.length-T.length;
}
1.3定位子串
Index(S,T) :定位子串。若主串S中存在与串T值相同的子串,则返回它在主串S中第一次出现的位置,否则函数值为0。
使用求字串的方式,截取每一段m长度(要匹配的串的长度)的子串,依次与目标字串进行比较。
c
//定位子串。若主串S中存在与串T值相同的子串,则返回它在主串S中第一次出现的位置,否则函数值为0。
int Index(SString S, SString T){
int i=1, n=StrLength(S), m=StrLength(T);
SString sub;//用于暂存子串
while(i<=n-m+1){ //n-m+1表示最后剩下m长度子串就结束
SubString(sub,S,i,m);
if(strcompare(sub,T)!=0)
++i;
else
return i; //返回子串在主串中的位置
}
return 0; //S中不存在与T相等的子串
}
2.链式存储
按照链表的数据结构,可以得到:
c
//存储密度低
typedef struct StringNode{
char ch; //每个结点存储1个字符
struct StringNode *next;
}StringNode, *String;
在这样一个结构里面,ch占1B,但是*next,占4B。也就是存储1B实际信息还要4B存储辅助信息(指针),存储密度低。

所以提高每个结点存储的字符数,提高存储密度:
c
typedef struct StringNode{
char ch[4]; //每个结点存储4个字符
struct StringNode *next;
}StringNode, *String;

模式匹配
模式串:就是要查询的目标串。
字符串模式匹配:在主串 中找到与模式串相同的子串,并返回其所在位置。
当然模式串不一定会在主串中找到。
串的前缀 :包含第一个字符,且不包含最后一个字符的子串。
串的后缀 :包含最后一个字符,且不包含第一个字符的子串。
1.朴素模式匹配算法(BF)
Brute-Force算法,简称BF算法
主串长度n,模式串长度m。
【注意】很多时候,n >> m(主串长度 >> 模式串长度)
将主串中所有长度为m的子串,依次与模式串对比,直到找到一个完全匹配的子串,或所有的子串都不匹配为止。
最多对比n-m+1次。
最坏的情况,每个子串都要对比m个字符,共 n-m+1个子串。
时间复杂度= O((n-m+1)*m) = O(nm)

不使用字符串的基本操作,直接通过数组下标实现朴素模式匹配算法:(步骤)
-
定义指针i,j,分别表示主串和模式串的位置。
-
第一轮:i先从主串的第 1 位开始。
- 若相等,则继续比较主串与模式串的第二个字符;
- 若不相等,主串指针 i 指向下一个子串(主串中的字串)的第一个位置,模式串指针 j 回到模式串的第一个位置。进行第二轮比较;
-
第二轮:模式串中的第一个字符与主串中第 2 个字符进行比较。
-
第N轮:依次比较下去,直到全部匹配
图示:

1.1BF代码
c
int Index(SString S, SString T){
int n=S.length, m=T.length;
int k=1; //定义主串的起始位置
int i=k, j=1;
//主串比子串小,匹配失败
if(n < m)
return 0;
while(i<=n && j<=m){
//对应字符相等,指针后移
if (S.ch[i] == T.ch[j]){
i++;
j++;
}else {
i = ++k; //从主串下一个字符位置开始比对
j = 0;
}
}
if(j > m) //全部对比完毕之后j++了
return k; //返回子串在主串中的位置
else
return 0; //S中不存在与T相等的子串
}
或者写为(best):
c
int Index(SString S, SString T){
int i = 1, j = 1;
//匹配逻辑
while(i <= S.length && j <= T.length){
if(S.ch[i] == T.ch[j]){
++i; ++j; //继续比较后继字符
}else{
//指针后退重新开始匹配
i = i-j+2;
j = 1;
}
}
//匹配完成判断
if(j > T.length){ //匹配成功
return i-T.length;
}else{
return 0;
}
}
1.2缺点
朴素模式匹配算法简单易懂,却存在着一个很大的缺点,那就是主串指针 i 需要多次回溯,效率低下,若主串为 000000000001 子串为00001,这就意味着每一轮都要比较到子串的最后一个字符才会匹配失败,有没有更好的办法呢?
下面的KMP模式匹配算法就很好的解决了这一问题。
2.KMP模式匹配算法
KMP模式配算法是由 D.E.K nuth1,J.H.M orris2,V.R.P ratt 三位前辈提出的,它是一种对朴素模式匹配算法的改进。
朴素模式匹配算法需要多次回溯,每趟匹配失败都是主串后移一位再从头开始比较。而某趟已匹配相等的字符序列是模式的某个前缀,这种频繁的重复比较相当于模式串在不断地进行自我比较,这就是其低效率的根源。
所以我们可以从分析模式本身的结构着手,利用模式串的结构相似性,设计next数组。
如果主串的已匹配过的前缀 序列中有某个后缀 正好是模式串的前缀,那么就可以将模式向后滑动到与这些相等字符对齐的位置。主串 i 指针无须回溯,并继续从该位置开始进行比较。而模式向后滑动位数的计算仅与模式本身的结构有关,与主串无关。
KMP算法 时间复杂度为 O(n+m) 空间复杂度为 O(n)。
- 核心就是利用匹配失败后的信息,尽量减少子主串的匹配次数。
- 体现就是主串指针 i 一直往后移动,只有模式串指针 j 回溯。
图示:
当匹配失败时候:

将模式串向后滑动,直到主串的已匹配过的前缀 序列中有某个后缀 正好是模式串的前缀。对上:

所以 next7 = 5;
所以当 j=7 匹配失败的时候,令模式串跳到nextj再继续。
当然观察之后还发现,可以这样匹配:

不可以!
【注意】进行匹配时候,选择的是最大的最长的匹配。当有长的匹配存在,不能选短的匹配
2.1计算next\[\]
**模式串的 next\[\] **数组
next j 的含义是:在子串的第 j 个字符与主串发生失配时,则跳到子串的next j 位置重新与主串当前位置进行比较。
当第 j 个字符匹配失败,由前 1~j-1 个字符(j 前面的不包含本身所有字符组成的串)组成的串记为 **s1(模式前缀)**则:
nextj=s1本身的最长相等的′前后缀′长度+1
特别地,next1=0。
科学的推导得出以下公式:
nextj=⎩ ⎨ ⎧0,max{k∣1<k<j且′p1...pk−1′=′pj−k+1...pj−1′},即max{k∣1<k<j且模式串的前缀=后缀}.1,当j=1时当此集合不为空其他情况(前后缀匹配失败,即s1=0)
例1:模式串S='abcac' 的next数组
编号j 1 2 3 4 5 S a b c a c nextj 0 1 1 1 2
例2:S='ababaa'
编号j 1 2 3 4 5 6 S a b a b a a nextj 0 1 1 2 3 4
因为 j=2 时,s1 只有一个数,所以 next2 = 1 是绝对的。
2.2KMP代码
通过科学推论,我们可以写出求next数组的程序如下:
c
void get_next(SString T, int *next){
int i = 1, j = 0;
next[1] = 0;
while (i < T.length){
if(j==0 || T.ch[i]==T.ch[j]){ //ch[i]表示后缀的单个字符,ch[j]表示前缀的单个字符
++i; ++j;
next[i] = j; //若pi = pj, 则next[j+1] = next[j] + 1
}else{
j = next[j]; //否则令j = next[j],j值回溯,循环继续
}
}
}
与next数组的求解相比,KMP算法就简单许多,和简单模式匹配算法很相似:
c
int Index_KMP(SString S, SString T){
int i=1, j=1;
int next[255]; //定义next数组
get_next(T, next); //得到next数组
//匹配逻辑
while(i<=S.length && j<=T.length){
if(j==0 || S.ch[i] == T.ch[j]){ //字符相等则继续。next[1]=0使得j=0
++i; ++j;
}else{
j = next[j]; //模式串向右移动,i不变
}
}
//匹配完成判断
if(j>T.length){
return i-T.length; //匹配成功
}else{
return 0;
}
}
2.3KMP进一步优化nextval\[\]
KMP进一步优化,优化的是next 数组为nextval数组。
4.2_4_KMP算法的进一步优化_哔哩哔哩_bilibili
当 j 所在的字符 == next j 所在的字符,那么如果 j 所在的字符匹配失败,next j 所在的字符必然也会匹配失败。
所以 next j 可以直接等于next next\[ j ],即直接等于 j 的next的next,减少了一次运算。更新后的数组命名为nextval。
nextvalj=⎩ ⎨ ⎧nextnext\[j],nextj,if Sj=Snext\[j]if Sj!=Snext\[j]
code:
c
void get_nextval(String T, int *nextval){
int i = 1, j = 0;
nextval[1] = 0;
while (i < T.length){
if(j==0 || T.ch[i]==T.ch[j]){ //ch[i]表示后缀的单个字符,ch[j]表示前缀的单个字符
++i; ++j;
if(T.ch[i] != T.ch[j]){ //若当前字符与前缀字符不同
nextval[i] = j; //则当前的j为nextval在i位置的值
}else{
//如果与前缀字符相同
//则将前缀字符的nextval值给nextval在i位置上的值
nextval[i] = nextval[j];
}
}else{
j = nextval[j]; //否则令j = next[j],j值回溯,循环继续
}
}
}
总结改进过的KMP算法,它是在计算出next值的同时,如果a位字符与它next值指向的b位字符相等,则该a位的nextval就指向b位的nextval值,如果不等,则该a位的nextval值就是它自己a位的next的值。
这块逻辑很简单,有了next数组,我们很容易就能推导出它的nextval数组了。
广义表
广义表(Lists,又称列表)是一种非连续性的数据结构,是线性表的一种推广。即广义表中放松对表元素的原子限制,容许它们具有其自身结构。
广义表Lists是n≥0个元素a0,a1,...an-1的序列,其中每一个ai或者是原子,或者是一个广义表。
广义表通常记作:LS=(a1,a2,...an) 其中:LS为表名,n为表的长度,每一个ai为表的元素(原子或子表)。习惯上,一般用大写字母表示广义表,小写字母表示原子。
- 表头:若 LS非空(n≥1),则其第一个元素 a1 就是表头。记作 head(LS) = a1。
【注意】表头可以是原子 ,也可以是子表。
- 表尾:除表头之外的其它元素组成的表。记作 tail(LS) = (a2,... ,an)。
【注意】表尾不是最后一个元素,而是(一定是)一个子表。

性质
-
广义表中的数据元素有相对次序,一个直接前趋和一个直接后继。
-
广义表的长度 定义为最外层所包含的元素的个数,如:
C=(a,(b,c))是长度为2的广义表。 -
广义表的深度定义为该广义表展开后所包含括号的重数。
A=(b,d)的深度为1, B=(A,d)的深度为2, C=(f,B,h)的深度为 3。 【注意】:"原子"的深度为 0;"空表" A=() 的深度为1。
-
广义表可以为其他广义表共享,如:广义表B就共享表A。在B中不必列出A的值,而是通过名称来引用,B=(A)。
-
广义表也可以是一个递归的表,注意:递归表的深度是无穷的值,长度是有限的值。如 F=(a,F)=(a,(a,(a,......)))。
-
广义表是多层次的结构,广义表的元素可以是单元素,也可以是子表,而子表的元素还可以是子表。
例:D=(E, A) 其中:E=(a, (b, d) F=(d, (e))

广义表与线性表的区别?
- 广义表是线性表的推广,是由0个或多个单元素或子表组成的有限序列。
- 广义表与线性表的区别在于:线性表的元素都是结构上不可分的单元素,而广义表的元素既可以是单元素,也可以是有结构的表。
- 广义表的长度是指广义表中元素的个数。广义表的深度是指广义表展开后所含的括号的最大层数。
- 非空广义表的第一个元素称为表头,他可以是一个单元素,也可以是一个子表;除表头元素之外,由其余元素所构成的表称为表尾,非空广义表的表尾必定是一个表。
存储结构
由于广义表中的元素本身又可以具有结构,它是一种带有层次的非线性结构,因此难以用顺序存储结构表示,通常采用链式存储结构。
若广义表不为空,则可分解为表头和表尾两部分。反之,一对确定的表头和表尾可唯一确定一个广义表。
广义表中的元素可以是原子也可以是子表,针对原子和子表可以分别设计不同的节点结构。表节点有标志域、指示表头的指针域和指示表尾的指针域;而原子只有标志域和值域。

例如广义表LS=(a,(b,c,d)),其链式存储结构如图所示:

基本运算
求表头GetHea(L): 非空广义表的第一个元素,1个元素或者1个子表。
求表尾GetTail(L):非空广义表除去表头元素以外其他元素所构成的表,表尾一定是1个表。
参考
数据结构:串(String)【详解】_数据结构sstring-CSDN博客
1高德纳(Donald Ervin Knuth, D.E.Knuth),被誉为现代计算机科学的鼻祖。
《计算机程序设计的艺术》(The Art of Computer Programming)堪称计算机科学理论与技术的经典巨著,有评论认为其作用与地位可与数学史上欧几里得的《几何原本》相比。
计算机排版系统 TeX 和字型设计系统 Metafont 的发明者,他因这些成就和大量创造性的影响深远的著作而誉满全球。

2 J. H. Morris的成就:
二叉树神级遍历的莫里斯(Morris)算法
这种方法由 J. H. Morris 在 1979 年的论文「Traversing Binary Trees Simply and Cheaply」中首次提出,因此被称为 Morris 遍历。 介绍就这么一句话,百度百科也没有关于莫里斯算法的介绍,这句话还是复制于力扣。