后缀数组算法概述及习题
前言
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后缀数组概述
一、适用问题
后缀数组的题目非常灵活多变,主要涉及字符串所有后缀的字典序比较以及最长公共前缀。
本文主要介绍后缀数组的一些经典应用,虽然是经典应用,但是其思想应该属于后缀数组类问题的本质思想。
二、算法介绍
求解后缀数组的算法主要有倍增法、DC3DC3DC3 算法,具体的算法实现此处就略过了,想要具体了解的话可以自行 googlegooglegoogle 搜索。
下文给出的后缀数组模板是 DC3DC3DC3 算法,时间复杂度为 O(n)O(n)O(n)。
后缀数组中各大数组介绍
- suffix[i]:suffix[i]:suffix[i]: 以 iii 为起始位置的后缀
- sa[i]:sa[i]:sa[i]: 排名第 iii 的后缀的起始位置
- rak[i]:rak[i]:rak[i]: 表示 suffix[i]suffix[i]suffix[i] 的排名
- height[i]:height[i]:height[i]: suffix(sa[i−1])suffix(sa[i-1])suffix(sa[i−1]) 和 suffix(sa[i])suffix(sa[i])suffix(sa[i]) 的最长公共前缀
- h[i]=height[rak[i]]h[i] = height[rak[i]]h[i]=height[rak[i]],h[i]≥h[i−1]−1h[i] \geq h[i-1]-1h[i]≥h[i−1]−1
有了上述数组,我们便可以求出字符串任意两个后缀的最长公共前缀。
- suffix[i]suffix[i]suffix[i] 和 suffix[j]suffix[j]suffix[j] 之间的最长公共前缀 =min(height[rak[i]+1],...,height[rak[j]])= min(height[rak[i]+1],...,height[rak[j]])=min(height[rak[i]+1],...,height[rak[j]])
下图是一个字符串的所有后缀排序后的例子,可以根据这个例子来进一步理解这些数组。
后缀数组所有的题目都是在这几个数组上做文章,具体的题目类型分类见下文例题。
三、后缀数组模板
该模板中所有数组均从 000 开始计数。
#include <bits/stdc++.h>
const int N = 1e6+10;
using namespace std;int height[N],sa[N],rak[N],len;
/*suffix[i]: 以i为起始位置的后缀sa[i]: 排名第i的后缀的起始位置rak[i]: 表示suffix[i]的排名height[i]: suffix(sa[i-1])和suffix(sa[i])的最长公共前缀· h[i] = height[rak[i]], h[i] >= h[i-1]-1· suffix[i]和suffix[j]之间的最长公共前缀 = min(height[rak[i]+1]...height[rak[j]])
*/bool cmp(int *y,int a,int b,int k)
{int a1 = y[a],b1 = y[b];int a2 = a + k >= len ? -1 : y[a + k];int b2 = b + k >= len ? -1 : y[b + k];return a1 == b1 && a2 == b2;
}int t1[N],t2[N],cc[N];void get_sa(char s[])
{int *x = t1,*y = t2,m = 200;for(int i = 0;i < m;i ++) cc[i] = 0;for(int i = 0;i < len;i ++) ++ cc[x[i] = s[i]];for(int i = 1;i < m;i ++) cc[i] += cc[i - 1];for(int i = len - 1;~i;i --) sa[-- cc[x[i]]] = i;for(int k = 1;k < len;k <<= 1){int p = 0;for(int i = len - k;i < len;i ++) y[p ++] = i;for(int i = 0;i < len;i ++) if(sa[i] >= k) y[p ++] = sa[i] - k;for(int i = 0;i < m;i ++) cc[i] = 0;for(int i = 0;i < len;i ++) ++ cc[x[y[i]]];for(int i = 1;i < m;i ++) cc[i] += cc[i - 1];for(int i = len - 1;~i;i --) sa[-- cc[x[y[i]]]] = y[i];swap(x,y); m = 1; x[sa[0]] = 0;for(int i = 1;i < len;i ++)x[sa[i]] = cmp(y,sa[i - 1],sa[i],k) ? m - 1 : m ++;if(m >= len) break;}
}void get_height(char s[])
{for(int i = 0;i < len;i ++) rak[sa[i]] = i;int h = 0;height[0] = 0;for(int i = 0;i < len;i ++){if(!rak[i]) continue;int j = sa[rak[i] - 1];if(h) h --;while(s[i + h] == s[j + h]) h ++;height[rak[i]] = h;}
}char s[N];int main(){scanf("%s",s);len = strlen(s);get_sa(s);get_height(s);return 0;
}
后缀数组系列习题
一、单字符串问题
模板题
1.最长公共前缀
题意:
给定一个字符串,询问某两个后缀的最长公共前缀。
思路:
模板题。对字符串求出后缀数组后,用线段树或 ststst 表进行 rmqrmqrmq 即可。
重复子串问题【两个子串】
2.可重叠最长重复子串
题意:
给定一个字符串,求最长重复子串,这两个子串可以重叠。
思路:
模板题。即求字符串中任意两个后缀最长公共前缀的最大值,即输出 heightheightheight 数组中的最大值即可。
3.不可重叠最长重复子串
题意:
给定一个字符串,求最长不可重复子串,这两个子串不可以重叠。
思路:
这个题与上面那个题最大的区别在于,此题找到的两个子串不可以重叠。因此我们在此处引入后缀数组中一个重要的思想,二分 +height+\ height+ height 分组。
4.可重叠的 kkk 次最长重复子串
题意:
给定一个字符串,求至少出现 kkk 次的最长重复子串,这 kkk 个子串可以重叠。
思路:
利用上面那个题的 二分 +height+\ height+ height 分组 思想可以轻松解决此题。即分完组之后判断该组内的字符串数是否大于 www 即可。
不相同子串个数
5.不相同的子串的个数
题意:
给定一个字符串,求不相同的子串个数。
思路:
求出该字符串的后缀数组,然后遍历 heightheightheight 数组,排名为 iii 的后缀的起始位置为 sa[i]sa[i]sa[i],如果可以相同的话,对答案的贡献为 n−sa[i]+1n-sa[i]+1n−sa[i]+1。但是现在要求不相同的子串个数,因此要减去最长的相同前缀,即贡献为 n−sa[i]+1−height[i]n-sa[i]+1-height[i]n−sa[i]+1−height[i]。
字符串由连续重复子串构成
6.连续重复子串 [整个串]
题意:
给定一个字符串 LLL,已知这个字符串是由某个字符串 SSS 重复 RRR 次得到的,求 RRR 的最大值。
7.重复次数最多的连续重复子串 [子串]
思路:
我们枚举 lenlenlen,去求解长度为 lenlenlen 下最大的重复度 RRR,即有无一个子串由 RRR 个长度为 lenlenlen 的子串连续拼接而成。
这样操作的原因其实是枚举所有的以长度 lenlenlen 进行重复的子串,这也是对 lenlenlen 取模数的原因。可能这样说还是有些难以理解,推荐自己静下来想一想,或者看看代码。
#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <algorithm>
#include <cstring>
#include <cmath>
#define mem(a,b) memset(a,b,sizeof a);
#define rep(i,a,b) for(int i = a; i <= b; i++)
#define per(i,a,b) for(int i = a; i >= b; i--)
#define __ ios::sync_with_stdio(0);cin.tie(0);cout.tie(0)
typedef long long ll;
typedef double db;
const int N = 1e5+10;
const db EPS = 1e-9;
using namespace std;void dbg() {cout << "\n";}
template<typename T, typename... A> void dbg(T a, A... x) {cout << a << ' '; dbg(x...);}
#define logs(x...) {cout << #x << " -> "; dbg(x);}int n,height[N],sa[N],rak[N],len; //所有数组都从0开始计数
/*suffix[i]: 以i为起始位置的后缀sa[i]: 排名第i的后缀的起始位置rak[i]: 表示suffix[i]的排名height[i]: suffix(sa[i-1])和suffix(sa[i])的最长公共前缀· h[i] = height[rak[i]], h[i] >= h[i-1]-1· suffix[i]和suffix[j]之前的最长公共前缀 = min(height[rak[i]+1]...height[rak[j]])
*/bool cmp(int *y,int a,int b,int k)
{int a1 = y[a],b1 = y[b];int a2 = a + k >= len ? -1 : y[a + k];int b2 = b + k >= len ? -1 : y[b + k];return a1 == b1 && a2 == b2;
}int t1[N],t2[N],cc[N];void get_sa(char s[])
{int *x = t1,*y = t2,m = 200;len = strlen(s);for(int i = 0;i < m;i ++) cc[i] = 0;for(int i = 0;i < len;i ++) ++ cc[x[i] = s[i]];for(int i = 1;i < m;i ++) cc[i] += cc[i - 1];for(int i = len - 1;~i;i --) sa[-- cc[x[i]]] = i;for(int k = 1;k < len;k <<= 1){int p = 0;for(int i = len - k;i < len;i ++) y[p ++] = i;for(int i = 0;i < len;i ++) if(sa[i] >= k) y[p ++] = sa[i] - k;for(int i = 0;i < m;i ++) cc[i] = 0;for(int i = 0;i < len;i ++) ++ cc[x[y[i]]];for(int i = 1;i < m;i ++) cc[i] += cc[i - 1];for(int i = len - 1;~i;i --) sa[-- cc[x[y[i]]]] = y[i];swap(x,y); m = 1; x[sa[0]] = 0;for(int i = 1;i < len;i ++)x[sa[i]] = cmp(y,sa[i - 1],sa[i],k) ? m - 1 : m ++;if(m >= len) break;}
}void get_height(char s[])
{len = strlen(s);for(int i = 0;i < len;i ++) rak[sa[i]] = i;int h = 0;height[0] = 0;for(int i = 0;i < len;i ++){if(!rak[i]) continue;int j = sa[rak[i] - 1];if(h) h --;while(s[i + h] == s[j + h]) h ++;height[rak[i]] = h;}
}char s[N];int st[N][20];void init(){for(int i = 0; i < len; i++) st[i][0] = height[i];for(int j = 1; (1<<j) <= len; j++){for(int i = 0; i + (1<<j) - 1 < len; i++)st[i][j] = min(st[i][j-1],st[i+(1<<(j-1))][j-1]);}
}int query(int l,int r){int k = (int)(log((double)(r - l + 1)) / log(2.0));return min(st[l][k],st[r-(1<<k)+1][k]);
}int main(){int _ = 0;while(~scanf("%s",s)){if(s[0] == '#') break;len = strlen(s);get_sa(s);get_height(s);init();int ans = 0, LEN = 0;rep(L,1,len){for(int j = L; j < len; j += L){int p1 = rak[j];int p2 = rak[j-L];if(p1 > p2) swap(p1,p2);int thp = query(p1+1,p2);if((thp/L)+1 > ans)ans = (thp/L)+1, LEN = L;thp = L-thp%L;if(j-L-thp < 0) continue;p1 = rak[j-thp], p2 = rak[j-L-thp];if(p1 > p2) swap(p1,p2);thp = query(p1+1,p2);if((thp/L)+1 > ans)ans = (thp/L)+1, LEN = L;}}int pos = -1;rep(i,0,len-1-LEN){int p1 = rak[i], p2 = rak[i+LEN];if(p1 > p2) swap(p1,p2);int thp = query(p1+1,p2);if((thp/LEN)+1 == ans){if(pos == -1) pos = i;else if(rak[i] < rak[pos]) pos = i;}}s[pos+LEN*ans] = '\0';printf("Case %d: %s\n",++_,s+pos);}return 0;
}
二、双字符串问题
双字符串拼接问题
8.最长公共子串
题意:
给定两个字符串 AAA 和 BBB,求最长公共子串。
思路:
这里介绍一下后缀数组的另一个套路,即涉及两个或多个串时,往往会将两个串用一个没出现的符号(比如 ‘$’),将两个串连接在一起。
比如此题即可将两个串拼接在一起,求出后缀数组之后,枚举 heightheightheight 数组,判断 heightheightheight 数组中相邻的两个后缀是否来自不同的串,如果是则更新答案。
#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <algorithm>
#include <cstring>
#include <cmath>
#define mem(a,b) memset(a,b,sizeof a);
#define rep(i,a,b) for(int i = a; i <= b; i++)
#define per(i,a,b) for(int i = a; i >= b; i--)
#define __ ios::sync_with_stdio(0);cin.tie(0);cout.tie(0)
typedef long long ll;
typedef double db;
const int N = 2*1e5+10;
const db EPS = 1e-9;
using namespace std;void dbg() {cout << "\n";}
template<typename T, typename... A> void dbg(T a, A... x) {cout << a << ' '; dbg(x...);}
#define logs(x...) {cout << #x << " -> "; dbg(x);}int n,height[N],sa[N],rak[N],len; //所有数组都从0开始计数
/*suffix[i]: 以i为起始位置的后缀sa[i]: 排名第i的后缀的起始位置rak[i]: 表示suffix[i]的排名height[i]: suffix(sa[i-1])和suffix(sa[i])的最长公共前缀· h[i] = height[rak[i]], h[i] >= h[i-1]-1· suffix[i]和suffix[j]之前的最长公共前缀 = min(height[rak[i]+1]...height[rak[j]])
*/bool cmp(int *y,int a,int b,int k)
{int a1 = y[a],b1 = y[b];int a2 = a + k >= len ? -1 : y[a + k];int b2 = b + k >= len ? -1 : y[b + k];return a1 == b1 && a2 == b2;
}int t1[N],t2[N],cc[N];void get_sa(char s[])
{int *x = t1,*y = t2,m = 200;len = strlen(s);for(int i = 0;i < m;i ++) cc[i] = 0;for(int i = 0;i < len;i ++) ++ cc[x[i] = s[i]];for(int i = 1;i < m;i ++) cc[i] += cc[i - 1];for(int i = len - 1;~i;i --) sa[-- cc[x[i]]] = i;for(int k = 1;k < len;k <<= 1){int p = 0;for(int i = len - k;i < len;i ++) y[p ++] = i;for(int i = 0;i < len;i ++) if(sa[i] >= k) y[p ++] = sa[i] - k;for(int i = 0;i < m;i ++) cc[i] = 0;for(int i = 0;i < len;i ++) ++ cc[x[y[i]]];for(int i = 1;i < m;i ++) cc[i] += cc[i - 1];for(int i = len - 1;~i;i --) sa[-- cc[x[y[i]]]] = y[i];swap(x,y); m = 1; x[sa[0]] = 0;for(int i = 1;i < len;i ++)x[sa[i]] = cmp(y,sa[i - 1],sa[i],k) ? m - 1 : m ++;if(m >= len) break;}
}void get_height(char s[])
{len = strlen(s);for(int i = 0;i < len;i ++) rak[sa[i]] = i;int h = 0;height[0] = 0;for(int i = 0;i < len;i ++){if(!rak[i]) continue;int j = sa[rak[i] - 1];if(h) h --;while(s[i + h] == s[j + h]) h ++;height[rak[i]] = h;}
}char s1[N],s2[N],s[N];int main(){scanf("%s",s1);scanf("%s",s2);int len1 = strlen(s1), len2 = strlen(s2);rep(i,0,len1-1) s[i] = s1[i];s[len1] = '$';rep(i,0,len2-1) s[i+len1+1] = s2[i];len = strlen(s);get_sa(s);get_height(s);//[0,len1-1] [len1+1,len1+len2]int ans = 0;rep(i,1,len1+len2){int p1 = sa[i], p2 = sa[i-1];if(p1 <= len1-1 && p2 >= len1+1) ans = max(ans,height[i]);else if(p2 <= len1-1 && p1 >= len1+1) ans = max(ans,height[i]);}printf("%d\n",ans);return 0;
}
9.长度不小于 kkk 的公共子串的个数
题意:
给定两个字符串 AAA 和 BBB,求长度不小于 kkk 的公共子串的个数,即询问有多少个三元组 (i,j,len)(i,j,len)(i,j,len) 表示 A[i]~A[i+len−1]A[i]~A[i+len-1]A[i]~A[i+len−1] 与 B[j]~B[j+len−1]B[j]~B[j+len-1]B[j]~B[j+len−1] 相同,且 len≥klen\geq klen≥k。
思路:
首先将两个串拼接起来,求出后缀数组之后,按 kkk 对 heightheightheight 数组进行分组。对于两个最长公共前缀为 hhh 的后缀,其对答案的贡献为 h−k+1h-k+1h−k+1,因此我们分组之后,先考虑 AAA 对 BBB 的贡献,维护一个单调栈,存储信息为 pair(int,int)pair(int,int)pair(int,int) 表示 heightheightheight 的值与个数,每当有更小的值进入时就不断向前合并,主要是 secondsecondsecond 的信息合并,并且记录一个全局的 total=∑first∗secondtotal=\sum first*secondtotal=∑first∗second,用于计算贡献。
之后再计算一遍 BBB 对 AAA 的贡献即可结束此题。
代码:
#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <algorithm>
#include <cstring>
#include <cmath>
#define mem(a,b) memset(a,b,sizeof a);
#define rep(i,a,b) for(int i = a; i <= b; i++)
#define per(i,a,b) for(int i = a; i >= b; i--)
#define __ ios::sync_with_stdio(0);cin.tie(0);cout.tie(0)
typedef long long ll;
typedef double db;
const int N = 2*1e5+10;
const db EPS = 1e-9;
using namespace std;void dbg() {cout << "\n";}
template<typename T, typename... A> void dbg(T a, A... x) {cout << a << ' '; dbg(x...);}
#define logs(x...) {cout << #x << " -> "; dbg(x);}int n,k,height[N],sa[N],rak[N],len; //所有数组都从0开始计数
/*suffix[i]: 以i为起始位置的后缀sa[i]: 排名第i的后缀的起始位置rak[i]: 表示suffix[i]的排名height[i]: suffix(sa[i-1])和suffix(sa[i])的最长公共前缀· h[i] = height[rak[i]], h[i] >= h[i-1]-1· suffix[i]和suffix[j]之前的最长公共前缀 = min(height[rak[i]+1]...height[rak[j]])
*/bool cmp(int *y,int a,int b,int k)
{int a1 = y[a],b1 = y[b];int a2 = a + k >= len ? -1 : y[a + k];int b2 = b + k >= len ? -1 : y[b + k];return a1 == b1 && a2 == b2;
}int t1[N],t2[N],cc[N];void get_sa(char s[])
{int *x = t1,*y = t2,m = 200;len = strlen(s);for(int i = 0;i < m;i ++) cc[i] = 0;for(int i = 0;i < len;i ++) ++ cc[x[i] = s[i]];for(int i = 1;i < m;i ++) cc[i] += cc[i - 1];for(int i = len - 1;~i;i --) sa[-- cc[x[i]]] = i;for(int k = 1;k < len;k <<= 1){int p = 0;for(int i = len - k;i < len;i ++) y[p ++] = i;for(int i = 0;i < len;i ++) if(sa[i] >= k) y[p ++] = sa[i] - k;for(int i = 0;i < m;i ++) cc[i] = 0;for(int i = 0;i < len;i ++) ++ cc[x[y[i]]];for(int i = 1;i < m;i ++) cc[i] += cc[i - 1];for(int i = len - 1;~i;i --) sa[-- cc[x[y[i]]]] = y[i];swap(x,y); m = 1; x[sa[0]] = 0;for(int i = 1;i < len;i ++)x[sa[i]] = cmp(y,sa[i - 1],sa[i],k) ? m - 1 : m ++;if(m >= len) break;}
}void get_height(char s[])
{len = strlen(s);for(int i = 0;i < len;i ++) rak[sa[i]] = i;int h = 0;height[0] = 0;for(int i = 0;i < len;i ++){if(!rak[i]) continue;int j = sa[rak[i] - 1];if(h) h --;while(s[i + h] == s[j + h]) h ++;height[rak[i]] = h;}
}char s1[N],s2[N],s[N];int tot;
pair<int,int> st[N];int main(){while(~scanf("%d",&k)){if(k == 0) break;scanf("%s",s1);scanf("%s",s2);int len1 = strlen(s1), len2 = strlen(s2);rep(i,0,len1-1) s[i] = s1[i];s[len1] = '$';rep(i,0,len2-1) s[i+len1+1] = s2[i];len = strlen(s);get_sa(s);get_height(s);//A:[0,len1-1], B:[len1+1,len1+len2]ll ans = 0, total = 0;tot = -1;// rep(i,0,len1+len2) logs(i,sa[i],height[i]);rep(i,1,len1+len2){if(height[i] < k) {tot = -1; total = 0; continue;}else{// logs(i,sa[i]);int cnt = 0;if(sa[i-1] <= len1-1) cnt = 1;while(tot >= 0 && st[tot].first >= height[i]){total -= (ll)(st[tot].first-k+1)*(ll)st[tot].second;cnt += st[tot].second;tot--;}if(cnt != 0){st[++tot] = make_pair(height[i],cnt);total += (ll)(height[i]-k+1)*(ll)cnt;}if(sa[i] >= len1+1) ans += total;}}tot = -1; total = 0;rep(i,1,len1+len2){if(height[i] < k) {tot = -1; total = 0; continue;}else{int cnt = 0;if(sa[i-1] >= len1+1) cnt = 1;while(tot >= 0 && st[tot].first >= height[i]){total -= (ll)(st[tot].first-k+1)*(ll)st[tot].second;cnt += st[tot].second;tot--;}if(cnt != 0){st[++tot] = make_pair(height[i],cnt);total += (ll)(height[i]-k+1)*(ll)cnt;}// logs(i,sa[i],height[i],total);if(sa[i] <= len1-1) ans += total;}}printf("%lld\n",ans);rep(i,0,len1+len2) s[i] = '\0';}return 0;
}
三、nnn 字符串问题
10. 至少在 kkk 个字符串中出现的最长子串
题意:
给定 nnn 个字符串,求出现在不少于 kkk 个字符串中的最长子串。
思路:
首先将 nnn 个字符串拼接在一起,再二分答案进行 heightheightheight 分组,然后查看每一组中出现了多少个不同的字符串,如果大于等于 kkk 则符合题意。
11. 每个字符串至少出现两次且不重叠的最长子串
题意:
给定 nnn 个字符串,求在每个字符串中至少出现两次且不重叠的最长子串。
思路:
与上题没有太大的差别,还是先将 nnn 个字符串拼接在一起,再二分答案进行 heightheightheight 分组,记录每一组中出现位置的最大值和最小值,然后查看有多少组的最大值和最小值之差符合条件,如果大于等于 kkk 则符合题意。
后记
后缀数组的概述与习题到这里就结束了,总结一下这么多题目主要就是两个套路,一个是二分 +++ heightheightheight 分组,另一个是用没出现过的符号拼接所有字符串。除此之外涉及到的内容都属于数据结构问题的常见操作了。
本篇博客到这里就结束了,祝大家 ACACAC 愉快,一起爱上字符串把!(๑•̀ㅂ•́)و✧
ACM 的旅行虽然充满荆棘但一抬头便能看见无数束光,请务必坚持下去,负重前行终有云开雾散之日!
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[参考博客] https://xminh.github.io/2018/02/27/%E5%90%8E%E7%BC%80%E6%95%B0%E7%BB%84-%E6%9C%80%E8%AF%A6%E7 ...
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用 O(m) 时间复杂度找出一个长度为 m 的短字符串在一个长度为 n 的长字符串中的精确匹配(n>>m),限制长短字符串仅由 A.C.G.T 这四种字符组成. 输入:长短字符串 输出:短 ...
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后缀指从某个位置开始到字符串末尾的一个子串,用suffix(i)来表示. 后缀数组(suffix array)指将s的所有后缀从小到大排序后,取其下标i放入数组中,该数组就叫做后缀数组. 表示排名为i ...
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文章目录 后缀数组是什么? 后缀数组的地位 后缀数组的生成 基数排序 概念 算法流程 生成后缀数组 得到S12类的排名 解释 代码 后缀数组是什么? 如果我要对数组排序的话,按字符串的字典序来排,这个 ...
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