算法设计B10040101Word文档下载推荐.docx
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理解模式匹配的含义，掌握简单匹配算法及模式匹配KMP算法的思想，实现以下任务：
（1）编程动态实现简单模式匹配算法及模式匹配KMP算法；
（2）根据给定的主串与模式串，给出根据两种匹配算法进行匹配的各趟匹配结果；
（3）测试用例：
主串：
ThrougharetrospectivelookatthemathematicsteachingatUSTC,thisarticlesummarizesuniversity’steachingachievementsinpast45years.
匹配子串：
teaching
输出结果：
匹配子串teaching出现在主串中的次数为2
2次的匹配的位置分别是：
48104;
（4）一个应用实例如下：
●要求编写建立一个文本文件，每个单词不包括空格且不跨行，单词由字符序列构成，且区分大小写；
●统计给定单词在文本中出现的总次数；
检索出某个单词在文本中的行号、在该行中出现的次数及位置。
二．课题内容和要求
本题主要是要掌握模式匹配的含义，以及KMP模式匹配算法相比简单模式匹配算法优越性。
模式匹配是指有两个串S和P，在串S中找P的过程。
其中S是主串，P是模式串。
简单匹配算法是从主串S中下标i的字符与模式串P的第1个字符开始逐个比较，遇到不相等时，即达到失配点，该趟匹配失败，S回到原来的i+1的位置，P回到第1个字符位置，继续下一趟匹配，直到匹配成功。
简单模式匹配算法效率不高，原因在于匹配过程中有回溯。
而KMP算法中，i只进不退，对串S来说就消除了回退。
本课题要求用简单模式匹配和KMP模式匹配分别来测试用例：
ThrougharetrospectivelookatthemathematicsteachingatUSTC,thisarticlesummarizesuniversity’steachingachievementsinpast45years.其中模式串是:
teaching,经过测试后都应该得到的结果是：
匹配子串teaching出现在主串中的次数为2，2次的匹配的位置分别是：
46102;
如果加入一个能计算时间的函数后，应该得到的结果是用简单模式匹配的时间比KMP模式匹配运行的时间长。
由此，就可以得到在测试样例较多的情况下选用算法会节省时间，这对一些项目来说是很重要的，就突出了KMP算法的优越性。
在课题要求中的应用实例中，要求1.建立一个文本文件，要求编写建立一个文本文件，每个单词不包括空格且不跨行，单词由字符序列构成，且区分大小写；
2.编写程序能够读入文本文件中的内容,运用已经写好的程序统计给定单词在文本中出现的总次数；
3.能够检索出某个单词在文本中的行号、在该行中出现的次数及位置。
KMP算法也有优化的地方。
在此，我又将改进的KMP算法也写进去了，三种方法可以放在一起比较，找出最优化的算法。
三．需求分析
1.实现简单模式匹配的函数，其中公有函数Find（String&
p）调用私有函数Find（int
i,String&
p）,私有函数每次在主串中找出一个模式串，而公有函数可以计算出所有的模式串的个数和位置。
intString:
:
Find（inti,String&
P）//代码具体见详细设计
Find（String&
P）//代码具体见详细设计
2.实现KMP模式匹配的函数，其中公有函数KMPFind（String&
p）调用私有函数KMPFind（inti,String&
KMPFind（inti,String&
KMPFind（String&
3.实现改进的KMP模式匹配的函数，其中公有函数KMPFindImprove（String&
p）调用私有函数KMPFindImprove（inti,String&
KMPFindImprove（inti,String&
KMPFindImprove（String&
4.经过比较后改进的KMP算法是最优化的，所以在读取文件、测试文件时采用该进的KMP算法来做。
其中取文件的函数Read（）要自己设计
voidString:
Read（char*file）//代码具体见详细设计
5.main（）函数中做了一个菜单，可以根据不同的选择测试不同的功能。
四．设计概要
1．程序的算法设计说明，采用流程图形式
2.每个程序中使用的存储结构设计说明
因为采用的是面向对象C++的方法，定义了一个String类，其String类中成员变量和成员函数原型声明如下：
classString
{
Private：
intn;
char*str;
int*count;
//记录子串在主串中出现的位置
intFind（inti,String&
P）;
//简单匹配算法找到最近的匹配串后立即停止，而不向下继续且缺乏一个数组记录位置
intfail（）;
//记录失败函数
voidFail（）;
intKMPFind（inti,String&
voidImproveFail（）;
//改进的失败函数
intKMPFindImprove（inti,String&
public:
String（）;
//建立一个空串
String（constchar*p）;
String（constString&
p）;
//拷贝函数
~String（）;
intLength（）{returnn;
};
//返回当前串对象长度
voidOutput（）{cout<
<
str;
//输出字符串
intFind（String&
//简单匹配算法
intKMPFind（String&
//KMP匹配算法
intKMPFindImprove（String&
//改进的KMP匹配算法
voidOutput2（）;
//输出子串在主串中出现的位置
voidOutput3（）;
//输出子串所在行数，位置及总个数
voidRead（char*）;
各个功能段均采用数组的存储结构。
五．详细设计
#include<
iostream>
string>
fstream>
cstdlib>
time.h>
usingnamespacestd;
#defineMAX100000
#defineM69
private:
int*f（）;
//建立一个空串
String:
String（）//无参数的构造函数进行初始化
n=0;
str=NULL;
count=NULL;
f=NULL;
}
String（constchar*p）//有参数的构造函数
n=strlen（p）;
str=newchar[n+1];
strcpy（str,p）;
count=newint[n];
for（inti=0;
i<
n;
i++）
count[i]=0;
f=newint[n];
for（intj=0;
j<
j++）
f[j]=-1;
p）//拷贝构造函数
n=p.n;
if（str==NULL）exit
（1）;
str[i]=p.str[i];
str[n]='
\0'
;
//结束标识符'
，否则会出现乱码
count=newint[n];
count[j]=p.count[j];
for（intk=0;
k<
k++）
f[k]=p.count[k];
~String（）
delete[]str;
P）//简单匹配算法i为主串P的位置，开始置0
if（i<
0||i>
n-1）//越界检查
cout<
"
Outofbounds!
endl;
return-1;
char*pp=P.str;
//模式串指针pp指向第一个字符
char*t=str+i;
//主串指针t指向下标i的字符
while（*pp!
='
\x0'
&
&
i<
=n-P.n）//子串pp未到串尾且剩余字符超过模式串长，则循环
if（*pp++!
=*t++）
pp=P.str;
//模式串回到第一个字符
t=str+（++i）;
//主串回到i+1的位置
if（*pp=='
）
returni;
//若pp已到串尾，则匹配成功
P）
intsum=0;
intj=Find（0,P）;
//共有find函数调用私有函数find
while（j!
=-1）
count[sum]=j;
sum++;
//count记录位置，sum记录次数
if（j<
=n-P.n）
j=Find（j+P.n,P）;
}
returnsum;
Fail（）//失败函数
{
intj=0,k=-1;
f[0]=-1;
while（j<
n）
if（（k==-1）||（str[j]==str[k]））
j++;
k++;
//k==-1或str[j]==str[k]时，j,k各扩展1位，j无回溯
f[j]=k;
//求得的k存入f[j]
elsek=f[k];
//str[j]不等于str[k]时，k回溯到f[k]
if（i<
this->
Fail（）;
intj=0,m=P.n;
while（i<
n&
j<
m）
if（j==-1||str[i]==P.str[j]）//相等或j=-1时，i、j均后移1个位置
i++;
else
j=P.f[j];
//到达失配点，j回溯到f[j]
return（（j==m）?
i-m:
-1）;
P）
intj=KMPFind（0,P）;
j=KMPFind（j+P.n,P）;
returnsum;
ImproveFail（）//改进的失败函数
if（（k==-1）||（str[j]==str[k]））//当k=-1或str[j]=str[k]时，j,k各扩展1位
k++;
if（str[j]==str[k]）//将字符pk与pj比较，若相等则将f[k]存入f[j]
f[j]=f[k];
//否则将k存入f[j]
else
k=f[k];
//str[j]不等于str[k]时，k回溯到f[k],j无回溯
n-1）
ImproveFail（）;
if（j==-1||str[i]==P.str[j]）
}
intj=KMPFindImprove（0,P）;
{
count[sum++]=j;
=n-P.n）j=KMPFindImprove（j+P.n,P）;
Read（char*file）//通过文件读取
charch;
char*temp=newchar[MAX];
inti=0;
ifstreaminfile（file）;
if（!
file）//判断能否打开
Cannotopenthefile!
return;
while（infile.get（ch）!
="
#"
）
temp[i++]=ch;
if（ch=='
#'
）//以#为结束标志
break;
temp[i]='
n=i;
str=newchar[n];
//由于定义一个空子串时n=0,count,f等都为NULL,所以此处要重新定义
for（intz=0;
z<
z++）
str[z]=temp[z];
count[k]=0;
for（intj=0;
infile.close（）;
delete[]temp;
Output2（）//输出子串在主串中的位置
while（count[i]!
=count[i+1]&
MAX-1）//若不再有新的子串匹配，则count[i]与count[i+1]均为0
count[i]<
"
Output3（）//输出子串在文件中的行数、位置、及次数
intt=0;
int*line=newint[MAX];
//记录字符串在该行出现的次数
int*ram=newint[M];
//记录字符串在该行出现的位置
for（intm=1;
m<
=MAX;
m++）
line[m]=0;
for（intn=1;
n<
=M;
n++）
ram[n]=0;
MAX-1）
intl1=count[i]/M+1;
intl2=count[i+1]/M+1;
//记录相邻两个字符串行数（要考虑到只有一行的情况）
intr=count[i]%M;
//记录该字符串位置
line[l1]++;
ram[t++]=r;
if（（l1!
=l2&
count[i+1]>
0）||（l1==l2&
count[i+1]==0））//换行
该单词在第"
l1<
行出现"
line[l1]<
次，"
分别在位置：
for（ints=0;
s<
t;
s++）
ram[s]<
//每行中出现的位置
t=0;
//到下一行找
voidmain（）
intchoise=0;
cout<
******************************************************"
##1.简单模式匹配做测试样例##"
##2.KMP模式匹配做测试样例##"
##3.改进的KMP模式匹配做测试样例##"
##4.从文本测试函数##"
##5.返回##"
while（choise!
=5）{
cin>
>
choise;
if（choise==1）{//简单模式匹配算法测试
clock_tstart,finish;
start=clock（）;
Strings1（"
ThrougharetrospectivelookatthemathematicsteachingatUSTC,thisarticlesummarizesuniversity’steachingachievementsinpast45years."
）;
s1.Output（）;
Strings2（"
teaching"
intm=s1.Find（s2）;
用简单模式匹配测匹配子串"
s2.Output（）;
出现在主串中的次数为:
if（m!
=0）
{
次的匹配的位置分别是：
s1.Output2（）;
finish=clock（）;
endl<
timeis:
（double）（finish-start）/CLK_TCK<
if（choise==2）//KMP模式匹配算法测试
{
clock_tstart,finish;
ThrougharetrospectivelookatthemathematicsteachingatUSTC,thisarticlesummarizesuniversity’steachingachievementsinpast45years."
用kmp模式匹配测匹配子串：
intn=s1.KMPFind（s2）;
if（n!
s1.Output2（）;
if（choise==3）//改进的KMP模式匹配算法测试
start=clock
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