一、实验题目

医学研究者最近发现了某些新病毒，通过对这些病毒的分析，得知它们的 DNA 序列都是环状的。现在研究者巳收集了大量的病毒 DNA 和人的 DNA 数据，想快速检测出这些人是否感染了相应的病毒。为了方便研究，研究者将人的 DNA 和病毒 DNA 均表示成由一些字母组成的字符串序列，然后检测某种病毒 DNA 序列是否在患者的 DNA 序列中出现过，如果出现过，则此人感染了该病毒，否则没有感染。例如，假设病毒的 DNA 序列为 baa, 患者 1 的 DNA 序列为 aaabbba,则感染，患者 2 的 DNA 序列为 babbba, 则未感染。（注意，人的 DNA 序列是线性的，而病毒的DNA 序列是环状的）图 4.1 数据对应的输出结果如图 4.2 所示。

1.案例分析

因为患者的 DNA 和病毒 DNA 均是由一些字母组成的字符串序列，要检测某种病毒 DNA 序列是否在患者的 DNA 序列中出现过，实际上就是字符串的模式匹配问题。可以利用 BF 算法，也可以利用更高效的KMP算法。但与一般的模式匹配问题不同的是，此案例中病毒的 DNA 序列是环状的，这样需要对传统的 BF 算法或KMP算法进行改进。
下面给出利用 BF 算法实现检测的方案。

2.案例实现

对于每一个待检测的任务，假设病毒 DNA 序列的长度是 m, 因为病毒 DNA 序列是环状的，为了线性取到每个可行的长度为 m 的模式串，可将存储病毒DNA序列的字符串长度扩大为 2m,将病毒DNA序列连续存储两次。然后循环m次，依次取得每个长度为m的环状字符串，将此字符串作为模式串，将人的DNA序列作为主串，调用BF算法进行模式匹配。只要匹配成功，即可中止循环，表明该人感染了对应的病毒；否则，循环m次结束循环时，可通过BF算法的返回值判断该人是否感染了对应的病毒。

3.算法步骤

1.从文件中读取待检测的任务数 num。
2.根据 num个数依次检测每对病毒DNA和人的DNA是否匹配，循环 num次，执行以下操作：
• 从文件中分别读取一对病毒DNA序列和人的DNA序列；
• 设置一个标志性变量flag, 用来标识是否匹配成功，初始为0, 表示未匹配；
• 病毒DNA序列的长度是 m, 将存储病毒DNA序列的字符串长度扩大为 2m, 将病毒DNA序列连续存储两次；
• 循环m次，重复执行以下操作：
► 依次取得每个长度为m的病毒DNA环状字符串；
► 将此字符串作为模式串，将人的DNA序列作为主串，调用BF算法进行模式匹配，将匹配结果返回赋值给flag;
► 若flag非0, 表示匹配成功，中止循环，表明该人感染了对应的病毒。
• 退出循环时，判断flag的值，若flag非0, 输出 “YES” , 否则，输出 “NO”。

4.算法描述

void Virus detection ()
{//利用 BF 算法实现病毒检测ifstream inFile("病毒感染检测输入数据. txt"); ofstream outFile("病毒感染检测输出结果. txt"); inFile>>num; //读取待检测的任务数while(num--) //依次检测每对病毒 DNA 和人的 DNA 是否匹配{inFile>>Virus.ch+1; //读取病毒 DNA 序列， 字符串从下标 1 开始存放inFile>>Person.ch+1; //读取人的 DNA 序列Vir=Virus.ch; //将病毒 DNA 临时暂存在Vir中，以备输出flag=0; //用来标识是否匹配，初始为0, 匹配后为非0m=Virus.length; //病毒 DNA 序列的长度是 mfor(i=m+1, j=l; j<=m; j++) Virus.ch[i++]=Virus.ch[j]; //将病毒字符串的长度扩大2倍Virus.ch[2*m+1]='\0'; //添加结束符号for(i=0;i<m;i++) //依次取得每个长度为m 的病毒 DNA 环状字符串 temp{for (j=1; j<=m; j ++) temp.ch[j]=Virus.ch[i+j];temp.ch[m+1]='\0'; //添加结束符号flag=Index_BF (Person, temp, 1); //模式匹配if(flag) break; //匹配即可退出循环}// for if (flag) outFile<<Vir+l<<" "<<Person.ch+1<<" "<<"YES"<<endl; else outFile<<Vir+l<<" "<<Person.ch+1<<" "<<"NO"<<endl; }//while
}

二、工具环境

Window10操作系统，Microsoft Visual C++2010学习版集成开发环境，C语言

三、实验代码

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>#define MAXLEN 255     //串的最大长度typedef struct{ char ch[MAXLEN+1]; //存储串的一维数组int length; //串的当前长度
}SString; typedef struct{ char Results[MAXLEN+1];//存放检测结果
}Detection;   int  Index_BF(SString S,SString T,int pos);
void Virus_detection(SString S[],SString T[],int num,Detection detection[]);int main()
{Detection detection[10];SString S[10]={{"bbaabbba",8},{"aaabbbba",8},{"abceaabb",8},{"abaabcea",8},{"cdabbbab",8},{"cabbbbab",8},{"bcdedbda",8},{"bdedbcda",8},{"cdcdcdec",8},{"cdccdcce",8}};SString T[10]={{"baa"  ,3},{"baa"  ,3},{"aabb" ,4},{"aabb" ,4},{"abcd" ,4},{"abcd" ,4},{"abcde",5},{"acc"  ,3},{"cde"  ,3},{"cced" ,4}};int num=10,i;Virus_detection(S,T,num,detection);printf("\t病毒DNA 人DNA \t检测结果\n");for(i=0;i<10;i++){printf("\t%-5s \t%s   %s\n",T[i].ch,S[i].ch,detection[i].Results);}return 0;
}int Index_BF(SString S,SString T,int pos)
{//返回模式T在主串s中第pos个字符开始第一次出现的位置.若不存在,则返回值为0int i,j;i=pos; j=0; //初始化while(i<S.length && j<T.length) //两个串均未比较到串尾{if(S.ch[i]==T.ch[j]){i++;j++;} //继续比较后继字符else{i=i-j+1;j=0;} //指针后退重新开始匹配}if (j >= T.length) return 1;//匹配成功else return 0; //匹配失败
}void Virus_detection(SString S[],SString T[],int num,Detection detection[])
{//利用 BF 算法实现病毒检测SString Person,Virus,temp;int i,j,m,flag,k=0;char Vir[10];while(num--) //依次检测每对病毒 DNA 和人的 DNA 是否匹配{Person=S[k];Virus=T[k];strcpy(Vir,Virus.ch); //将病毒 DNA 临时暂存在Vir中，以备输出flag=0; //用来标识是否匹配，初始为0, 匹配后为非0m=Virus.length; //病毒 DNA 序列的长度是 mfor(i=m, j=0; j<m; j++){Virus.ch[i++]=Virus.ch[j]; //将病毒字符串的长度扩大2倍}Virus.ch[2*m]='\0'; //添加结束符号for(i=0;i<m;i++) //依次取得每个长度为m 的病毒 DNA 环状字符串 temp{for (j=0; j<m; j++) temp.ch[j]=Virus.ch[i+j];temp.ch[m]='\0'; //添加结束符号temp.length=Virus.length;flag=Index_BF (Person, temp, 0); //模式匹配if(flag) break; //匹配即可退出循环}// for if(flag) strcpy(detection[k].Results,"YES");else strcpy(detection[k].Results,"NO");k++;}//while
}

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