Manacher’s Algorithm 马拉车算法

Manacher’s Algorithm 马拉车算法原文链接这个马拉车算法Manacher‘sAlgorithm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…

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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,实际操作时我们只需给开头加上个非#号字符,结尾不用加的原因是字符串的结尾标识为’\0’,等于默认加过了。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,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。

Manacher's Algorithm 马拉车算法

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。

Manacher's Algorithm 马拉车算法

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:

#include <vector>
#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

string Manacher(string s) {  //s从0开始
    // Insert '#'
    string t = "$#";   //t从1开始
    for (int i = 0; i < s.size(); ++i) {
        t += s[i];
        t += "#";
    }
    // Process t
    vector<int> p(t.size(), 0);
    int mx = 0, id = 0, resLen = 0, resCenter = 0;
    for (int i = 1; i < t.size(); ++i) {
        p[i] = mx > i ? min(p[2 * id - i], mx - i) : 1;
        while (t[i + p[i]] == t[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.substr((resCenter - resLen) / 2, resLen - 1);  //在原串中起始位置((resCenter - resLen) / 2),长度为resLen-1
}   //偶数的回文串是以'#'为中心的,寄数的回文串是以s[i]为中心的

int main() {
    string s1 = "12212";
    cout << Manacher(s1) << endl;
    string s2 = "122122";
    cout << Manacher(s2) << endl;
    string s = "waabwswfd";
    cout << Manacher(s) << endl;
}

 

今天的文章Manacher’s Algorithm 马拉车算法分享到此就结束了,感谢您的阅读。

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