一、实验目的

1、了解串的基本概念。

2、掌握串的模式匹配算法的实现。

二、实验预习

说明以下概念

1、模式匹配：

串的模式匹配就是子串的定位运算。

设有两个字符串 S 和 T ，S为主串(正文串)，T为子串(模式串)。在主串S中查找与模式串T相匹配的子串，若匹配成功，确定相匹配的子串中的第一个字符主串S中出现的位置。

2、BF算法：

即暴力破解算法(Brute Force)，属于模式匹配算法中的一种。

算法思想：从主串和模式串的第一个字符开始比较，匹配成功则进行下一字符的比较；匹配失败则主串比较的字符回溯到初始比较字符的下一位，而模式串比较的字符回溯到模式串第一个字符，接着继续进行字符比较。

3、KMP算法：

KMP算法也属于模式匹配算法的一种，是一种改进后的匹配算法。

KMP算法的改进在于当出现字符不匹配时，主串比较的字符无需回溯，而模式串则利用已经匹配成功的部分字符，确定模式串回溯的位置（无需回溯到第一个字符）。

KMP算法减少了模式串与主串的匹配次数，达到快速匹配的目的。

三、实验内容和要求

！注！

本实验中的字符数组 data 从下标为0的数组分量开始存储字符串。部分教材为便于说明问题，字符串从下标为1的数组分量开始存储，下标为0的分量闲置不用，故代码略有区别。

1、阅读并运行下面程序，根据输入写出运行结果。

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#define MAXSIZE 100  //串的最大长度typedef struct{char data[MAXSIZE];  //存储串的一维数组（从下标为0的数组分量开始存储字符串）int length;          //串的当前长度
}SqString;int strCompare(SqString *s1,SqString *s2);  /*串的比较*/
void show_strCompare();
void strSub(SqString *s,int start,int sublen,SqString *sub);  /*求子串*/
void show_subString();int strCompare(SqString *s1,SqString *s2){int i;for(i=0;i<s1->length && i<s2->length;i++)if(s1->data[i] != s2->data[i])return s1->data[i] - s2->data[i];//字符比较完成，还需比较字符串长度return s1->length - s2->length;/* s1=s2,返回值=0s1>s2,返回值>0s1<s2,返回值<0 */
}void show_strCompare(){SqString s1,s2;int k;printf("\n***show Compare***\n");printf("input string s1:");gets(s1.data);s1.length=strlen(s1.data);printf("input string s2:");gets(s2.data);s2.length=strlen(s2.data);if((k=strCompare(&s1,&s2))==0)printf("s1=s2\n");else if(k<0)printf("s1<s2\n");elseprintf("s1>s2\n");printf("\n***show over***\n");
}void strSub(SqString *s,int start,int sublen,SqString *sub){int i;if(start<1 || start>s->length || sublen>s->length-start+1)sub->length = 0;else{for(i=0;i<sublen;i++)sub->data[i]=s->data[start+i-1];sub->length=sublen;}
}void show_subString(){SqString s,sub;int start,sublen,i;printf("\n***show subString***\n");printf("input string s:");gets(s.data);s.length=strlen(s.data);printf("input start:");scanf("%d",&start);printf("input sublen:");scanf("%d",&sublen);strSub(&s,start,sublen,&sub);if(sub.length==0)printf("ERROR!\n");else{printf("subString is:");for(i=0;i<sublen;i++)printf("%c",sub.data[i]);}printf("\n***show over***\n");
}int main(){int n;do{printf("\n---String---\n");printf("1. strCompare\n");printf("2. subString\n");printf("0. EXIT\n");printf("\ninput choice:");scanf("%d",&n);getchar();switch(n){case 1:show_strCompare();break;case 2:show_subString();break;default:n=0;break;}}while(n);return 0;
}

输入：

student

students

Computer Data Stuctures

运行结果：

2、实现串的模式匹配算法。补充下面程序，实现串的BF和KMP算法。

#include<stdio.h>
#include<string.h>#define MAXSIZE 100  //串的最大长度typedef struct{char data[MAXSIZE];  //存储串的一维数组（从下标为0的数组分量开始存储字符串）int length;          //串的当前长度
}SqString;int index_bf(SqString *s,SqString *t,int start);              /*模式匹配-BF算法*/
void getNext(SqString *t,int next[]);                         /*计算目标串的next数组*/
int index_kmp(SqString *s,SqString *t,int start,int next[]);  /*模式匹配-KMP算法*/
void show_index();int index_bf(SqString *s,SqString *t,int start){//补充代码
}void getNext(SqString *t,int next[]){  /*计算模式串t的next数组*/int i=0;int j=-1;next[0]=-1;while(i < t->length){if(-1==j || (t->data[i]==t->data[j])){i++;j++;next[i]=j;}elsej=next[j];}
}int index_kmp(SqString *s,SqString *t,int start,int next[]){//补充代码
}void show_index(){SqString s,t;int k;int i;int next[MAXSIZE]={0};int nextval[MAXSIZE]={0};printf("\n***show index***\n");printf("input string s:");gets(s.data);s.length=strlen(s.data);printf("input string t:");gets(t.data);t.length=strlen(t.data);printf("input start position(1≤start position≤%d):",s.length);scanf("%d",&k);printf("BF:\nthe result of BF is %d\n",index_bf(&s,&t,k));getNext(&t,next);printf("KMP:\n");printf("next[]:");for(i=0;i<t.length;i++)printf("%3d",next[i]);printf("\n");printf("the result of KMP is %d\n",index_kmp(&s,&t,k,next));printf("\n***show over***\n");
}int main(){show_index();return 0;
}

BF算法代码：

int index_bf(SqString *s,SqString *t,int start){  /*返回模式串t在主串s中第start个字符开始第一次出现的位置;若不存在,返回0*///模式串t长度为0 或 起始查找位置超出主串范围:直接返回0if(0 == t->length || start < 1 || start > s->length)return (0);int pos=start-1;  //pos记录主串s开始匹配的字符下标int i=pos;        //i指向主串s当前正待比较的字符下标int j=0;          //j指向模式串t当前正待比较的字符下标while( i < s->length && j < t->length ){if(s->data[i] == t->data[j])  //匹配成功:i,j都++,继续比较后续字符{i++;j++;}else  //匹配失败{pos++;  //主串开始匹配的位置+1i=pos;  //i回溯到主串初始位置下一字符j=0;    //j回溯到模式串第一个字符}}if(j >= t->length)return (pos-start+2);  //返回模式串t在主串s中第start个字符开始第一次出现的位置elsereturn (-1);  //查找失败,返回-1
}/*index_bf*/

KMP算法代码：

int index_kmp(SqString *s,SqString *t,int start,int next[]){  /*返回模式串t在主串s中第start个字符开始第一次出现的位置;若不存在,返回0*///模式串t长度为0 或 起始位置超出主串范围:直接返回0if(0 == t->length || start < 1 || start > s->length)return (0);int i=start-1;  //i指向主串s当前正待比较的字符下标int j=0;        //j指向模式串t当前正待比较的字符下标while(i<s->length && j<t->length){if(-1 == j || (s->data[i] == t->data[j])){i++;j++;}else  //匹配失败{j=next[j];  //i不回溯,j回溯到next[j]}}if(j>=t->length)return (i-j-start+2);  //返回模式串t在主串s中第start个字符开始第一次出现的位置elsereturn (-1);  //查找失败,返回-1
}/*index_kmp*/

输入：

abcaabbabcabaacbacba

abcabaa

运行结果：

3、在第2题的基础上，对next数组进行改进，实现计算目标串的nextval数组的算法，并进行验证。

nextval数组算法代码：

void getNextVAL(SqString *t,int nextval[]){  /*计算模式串t的nextval数组*/int i=0;int j=-1;nextval[0]=-1;while(i < t->length){if(-1 == j || (t->data[i]==t->data[j])){i++;j++;if(t->data[i] != t->data[j])nextval[i]=j;elsenextval[i]=nextval[j];}elsej=nextval[j];}
}/*getNextVAL*/

show_index函数补充代码：

void show_index(){SqString s,t;int k;int i;int next[MAXSIZE]={0};int nextval[MAXSIZE]={0};printf("\n***show index***\n");printf("input string s:");gets(s.data);s.length=strlen(s.data);printf("input string t:");gets(t.data);t.length=strlen(t.data);printf("input start position(1≤start position≤%d):",s.length);scanf("%d",&k);printf("BF:\nthe result of BF is %d\n",index_bf(&s,&t,k));getNext(&t,next);getNextVAL(&t,nextval);printf("KMP:\n");printf("   next[]:");for(i=0;i<t.length;i++)printf("%3d",next[i]);printf("\n");printf("nextval[]:");for(i=0;i<t.length;i++)printf("%3d",nextval[i]);printf("\n");printf("the result of KMP is %d\n",index_kmp(&s,&t,k,nextval));printf("\n***show over***\n");
}

输入：

abcaabbabcabaacbacba

abcabaa

运行结果：

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