首先,得先了解什麼是回文串。回文串就是正反讀起來就是一樣的,如“abcdcba”。我們要是直接采用暴力方法來查找最長回文子串,時間複雜度為O(n^3),好一點的方法是枚舉每一個字元,比較較它左右距離相鄰的點是否相等,我們姑且稱之為中心檢測法,時間複雜度為O(n^2)。
當我們遇到字元串為“aaaaaaaaa”,之前的算法就會發生各個回文互相重疊的情況,會産生重複計算,然後就産生了一個問題,能否改進?答案是能,1975年,一個叫Manacher發明了Manacher Algorithm算法,俗稱馬拉車算法,其時間複雜為O(n)。該算法是利用回文串的特性來避免重複計算的。
在中心檢測法中,我們在周遊的過程要考慮到回文串長度的奇偶性,比如說“abba”的長度為偶數,“abcba”的長度為奇數,這樣在尋找最長回文子串的過程要分别考奇偶的情況,是否可以統一處理了?
Manacher算法:
一)第一步是改造字元串S,變為T,其改造的方法如下:
在字元串S的字元之間和S的首尾都插入一個“#”,如:S=“abba”變為T="#a#b#b#a#" 。我們會發現S的長度是4,而T的長度為9,長度變為奇數了!!那S的長度為奇數的情況時,變化後的長度還是奇數嗎?我們舉個例子,S=“abcba”,變化為T=“#a#b#c#b#a#”,T的長度為11,是以我們發現其改造的目的是将字元串的長度變為奇數,這樣就可以統一的處理奇偶的情況了。
二)第二步,為了改進回文互相重疊的情況,我們将改造完後的T[ i ] 處的回文半徑存儲到數組P[ ]中,P[ i ]為新字元串T的T[ i ]處的回文半徑,表示以字元T[i]為中心的最長回文字串的最端右字元到T[i]的長度,如以T[ i ]為中心的最長回文子串的為T[ l, r ],那麼P[ i ]=r-i+1。這樣最後周遊數組P[ ],取其中最大值即可。若P[ i ]=1表示該回文串就是T[ i ]本身。舉一個簡單的例子感受一下:
![](https://img.laitimes.com/img/9ZDMuAjOiMmIsIjOiQnIsISPrdEZwZ1Rh5WNXp1bwNjW1ZUba9VZwlHdsATOfd3bkFGazxCMx8VesATMfhHLlN3XnxCMwEzX0xiRGZkRGZ0Xy9GbvNGLpZTY1EmMZVDUSFTU4VFRR9Fd4VGdsYTMfVmepNHLrJXYtJXZ0F2dvwVZnFWbp1zczV2YvJHctM3cv1Ce-cmbw5yN2czY2gzNhljMmZTNjJjZ4QDN4ImMmFTM3MjYkRTMj9CX4AzLchDMxIDMy8CXn9Gbi9CXzV2Zh1WavwVbvNmLvR3YxUjL3M3Lc9CX6MHc0RHaiojIsJye.png)
數組P有一性質,P[ i ]-1就是該回文子串在原字元串S中的長度 ,那就是P[i]-1就是該回文子串在原字元串S中的長度,至于證明,首先在轉換得到的字元串T中,所有的回文字串的長度都為奇數,那麼對于以T[i]為中心的最長回文字串,其長度就為2*P[i]-1,經過觀察可知,T中所有的回文子串,其中分隔符的數量一定比其他字元的數量多1,也就是有P[i]個分隔符,剩下P[i]-1個字元來自原字元串,是以該回文串在原字元串中的長度就為P[i]-1。
另外,由于第一個和最後一個字元都是#号,且也需要搜尋回文,為了防止越界,我們還需要在首尾再加上非#号字元,實際操作時我們隻需給開頭加上個非#号字元,我就直接使用美元吧$,結尾不用加的原因是字元串的結尾辨別為'\0',等于預設加過了。這樣原問題就轉化成如何求數組P[ ]的問題了。
三)如何求數組P [ ]
從左往右計算數組P[ ], Mi為之前取得最大回文串的中心位置,而R是最大回文串能到達的最右端的值。
1)當 i <=R時,如何計算 P[ i ]的值了?毫無疑問的是數組P中點 i 之前點對應的值都已經計算出來了。利用回文串的特性,我們找到點 i 關于 Mi 的對稱點 j ,其值為 j= 2*Mi-i 。因,點 j 、i 在以Mi 為中心的最大回文串的範圍内([L ,R]),
a)那麼如果P[j] <R-i (同樣是L和j 之間的距離),說明,以點 j 為中心的回文串沒有超出範圍[L ,R],由回文串的特性可知,從左右兩端向Mi周遊,兩端對應的字元都是相等的。是以P[ j ]=P[ i ](這裡得先從點j轉到點i 的情況),如下圖:
if(i<mx)
{
p[i]=min(p[2*id-i],mx-i);
}
else
{
p[i]=1;
}
程式也是可以運作的,但這樣是不是又變成了中心檢測法了?我認為Manacher算法的最大優點在于利用回文串對稱的性質,在處理p數組的時候,利用指針i,j的同步性,避免了比對失敗後的下标回退,因而将時間複雜度優化為了O(n)。
相應的代碼如下:
1 char x[MAX];
2 char s_new[MAX*2];
3 int p[MAX*2];
4 int Init()
5 {
6 int i,j,len;
7 len=strlen(x);
8 s_new[0]='$';
9 s_new[1]='#';
10 j=2;
11 for(i=0; i<len; i++)
12 {
13 s_new[j++]=x[i];
14 s_new[j++]='#';
15 }
16 s_new[j]='\0';
17 return j;
18 }
19 int Manacher()
20 {
21 int i;
22 int len=Init();
23 int max_len=-1;
24 int id;
25 int mx=0;
26 for (i=1; i<len; i++)
27 {
28 if(i<mx)
29 {
30 p[i]=min(p[2*id-i],mx-i);
31 }
32 else
33 {
34 p[i]=1;
35 }
36 while (s_new[i-p[i]]==s_new[i+p[i]])
37 {
38 p[i]++;
39 }
40 if(mx<i+p[i])
41 {
42 id=i;
43 mx=i+p[i];
44 }
45 }
46 for(i=1; i<len; i++)
47 {
48 if(max_len<p[i]-1)
49 {
50 max_len=p[i]-1;
51 }
52 }
53 return max_len;
54 }
作者:王陸