用KMP算法与Trie字典树实现屏蔽敏感词（UTF-8编码）

　　前几天写好了字典，又刚好重温了KMP算法，恰逢遇到朋友吐槽最近被和谐的词越来越多了，于是突发奇想，想要自己实现一下敏感词屏蔽。

　　基本敏感词的屏蔽说起来很简单，只要把字符串中的敏感词替换成“***”就可以了。对于子串的查找，就KMP算法就可以了。但是敏感词这么多，总不能一个一个地遍历看看里面有没有相应的词吧！

　　于是我想到了前几天写的字典树。如果把它改造一下，并KMP算法结合，似乎可以节约不少时间。

　　首先说明一下思路：

　　对于KMP算法，这里不过多阐述。对于敏感词库，如果把它存进字典树，并在每个节点存上它的next值。在进行匹配的时候，遍历主串，提取出单个字（对于UTF-8编码，可以是任何国家的字），然后去字典树的根结点的unordered_map中进行查找是否存在。如果不存在，则对下一个字进行相同处理；如果存在，则进入该子节点，然后继续查找。字典树结构如下图：

　　1~6是编号，后面说明一些东西的时候用到。

　　Root节点里不存任何数据，只是提供一个词典的起始位置。那个表格用的是unordered_map。

　　对于一个树型结构，如果直接用KMP算法中的next值来确定下一个应该在哪个节点进行查找似乎会有点问题。比如，对于5号节点，next值为1，但是要怎么用这个"1"进入要查找的节点呢？

　　由于每个节点只需要知道自己如果匹配失败应该跳到哪个节点，我想了以下两种方案：

　　1、把next改成存着节点的地址，类似线索二叉树，这样可以很方便地进行节点转换。

　　2、用栈，每次进入子节点，就对原节点的地址进行压栈，next中存的值是要从栈中弹出几个元素。

　　由于之前的字典树在遍历的时候采用list实现的栈来确定下一个词是哪个，于是我选择用第二种方案。

　　方案有了，就是如何实现的事了。

　　我先对字典树的数据结构进行修改：

DictionaryData.h

 1 #ifndef __DICTIONARYDATA_H__
 2 #define __DICTIONARYDATA_H__
 3 
 4 #include <string>
 5 #include <unordered_map>
 6 #include <memory>
 7 
 8 namespace ccx{
 9 
10 using std::string;
11 using std::unordered_map;
12 using std::shared_ptr;
13 
14 struct DictElem
15 {
16     string _word;
17     bool _isend;//是否到词尾
18     int _next;//KMP next值 此处有修改，存的是弹栈数量
19     unordered_map<string, shared_ptr<DictElem> > _words;
20 };
21 
22 typedef shared_ptr<DictElem> pDictElem;
23 
24 }
25 
26 #endif

　　相应地，字典树的成员函数也要进行修改。

Dictionary.h

 1 #ifndef __DICTIONARY_H__
 2 #define __DICTIONARY_H__
 3 
 4 #include "DictionaryData.h"
 5 #include "DictionaryConf.h"
 6 
 7 #include <memory>
 8 #include <vector>
 9 #include <list>
10 
11 namespace ccx{
12 
13 using std::shared_ptr;
14 using std::vector;
15 using std::list;
16 using std::pair;
17 
18 class Dictionary
19 {
20     typedef pair<int, int> Loc;
21     typedef unordered_map<string, pDictElem>::iterator WordIt;
22     public:
23         Dictionary();
24         void push(const string & word);//插入
25         void push(vector<string> & words);//插入
26         bool search(const string & word);//查找
27         bool associate(const string & word, vector<string> & data);//联想
28         string Kmp(const string & word);
29 
30     private:
31         bool Kmp(vector<string> & word, vector<Loc> & loc);
32         void getKmpNext(const vector<string> & characters, vector<int> & next);
33         void AddWord(const string & word);
34         void splitWord(const string & word, vector<string> & characters);//把词拆成字
35         int search(vector<string> & data, pDictElem & pcur);
36         pDictElem _dictionary;
37         DictionaryConf _conf;    
38 
39 //遍历
40     public:
41         string getCurChar();
42         string getCurWord();
43         bool isEnd();
44         void resetIt();
45         void next();
46     private:
47         void resetPoint(pDictElem pcur);
48         void next(pDictElem & pcur, list<WordIt> & stackWord, list<pDictElem> & stackDict);
49         void nextWord(pDictElem & pcur, list<WordIt> & stackWord, list<pDictElem> & stackDict);
50         string getCurWord(list<WordIt> & stackWord);
51         
52         pDictElem _pcur;
53         WordIt _itcur;
54         
55 //用list实现栈，遍历时方便
56         list<WordIt> _stackWord;
57         list<pDictElem> _stackDict;
58 
59 //导入导出
60     public:
61         void leading_in();
62         void leading_out();
63 };
64 
65 }
66 
67 #endif

View Code

　　首先是对插入新词进行修改：

 1 void Dictionary::AddWord(const string & word)
 2 {
 3     vector<string> characters;
 4     splitWord(word, characters);
 5     vector<int> kmpnext;
 6     getKmpNext(characters, kmpnext);
 7 
 8     vector<int>::iterator it_int;
 9     it_int = kmpnext.begin();
10     vector<string>::iterator it_char;
11     it_char = characters.begin();    
12     pDictElem root;
13     root = _dictionary;
14     for(; it_char != characters.end(); ++it_char, ++it_int)
15     {
16         WordIt it_word;
17         it_word = root->_words.find(*it_char);
18 
19         if(it_word == root->_words.end())
20         {
21             pair<string, pDictElem> temp;
22             temp.first = *it_char;
23             pDictElem dictemp(new DictElem);
24             dictemp->_word = *it_char;
25             dictemp->_next = *it_int;
26             dictemp->_isend = false;
27             temp.second = dictemp;
28             root->_words.insert(temp);
29             root = dictemp;
30         }else{
31             root = it_word->second;
32         }
33     }
34     if(!root->_isend)
35     {
36         root->_isend = true;
37     }
38 }

　　这里的getKmpNext方法是新加入的，用来求next值：

 1 void Dictionary::getKmpNext(const vector<string> & characters, vector<int> & kmpnext)
 2 {
 3     int size = characters.size();
 4     for(int i = 0; i < size; ++i)
 5     {
 6         kmpnext.push_back(0);
 7     }
 8     
 9     int i = -1;
10     int j = 0;
11     kmpnext[0] = -1;
12     while(j < size)
13     {
14         if(i == -1 || kmpnext[i] == kmpnext[j])
15         {
16             ++i;
17             ++j;
18             kmpnext[j] = i;
19         }else{
20             i = kmpnext[i];
21         }
22     }
23     for(i = 0; i < size; ++i)
24     {
25         kmpnext[i] = i - kmpnext[i];
26     }
27 }

　　第4~7行可以用vector 的resize方法，直接修改它的容量。

　　22行之前就是用来求KMP算法的next数组的，后几行是求弹栈数量的。

　　举个例子：

　　对于模式串“编程软件”，next数组为：-1 0 0 0，弹栈数量为1 1 2 3。如：

字典树栈

　　此时若匹配不成功，则要把“件”、“软”、“程”全弹出来。当“编”也不匹配时，弹出，重新在root中的unordered_map中查找。

　　进行匹配的代码如下：

 1 bool Dictionary::Kmp(vector<string> & word, vector<Loc> & loc)
 2 {
 3     pDictElem root = _dictionary;
 4     list<pDictElem> stackDict;
 5 
 6     int start = 0;
 7     int size = word.size();
 8     int i = 0;
 9     while(i < size)    
10     {
11         WordIt it_word;
12         it_word = root->_words.find(word[i]);
13         if(it_word == root->_words.end())
14         {
15             if(stackDict.size())
16             {
17                 int num = root->_next;
18                 for(int j = 0; j < num - 1; ++j)
19                 {
20                     stackDict.pop_back();    
21                 }
22                 root = stackDict.back();
23                 stackDict.pop_back();
24                 start += num;
25             }else{
26                 ++i;
27                 start = i;
28             }
29             continue;
30         }else{
31             stackDict.push_back(root);
32             root = it_word->second;
33             if(root->_isend)
34             {
35                 Loc loctemp;
36                 loctemp.first = start;
37                 loctemp.second = i;
38                 loc.push_back(loctemp);
39                 start = i + 1;
40             }
41         }
42         ++i;
43     }
44     return loc.size();
45 }

　　形参中，word是把主串拆成字后的集合，loc是要传出的参数，参数内容为所有的敏感词的起始位置与结束位置。外层还有一层封装：

 1 string Dictionary::Kmp(const string & word)
 2 {
 3     vector<string> temp;
 4     splitWord(word, temp);
 5     vector<Loc> loc;
 6     
 7     if(!Kmp(temp, loc))
 8     {
 9         return word;
10     }
11     int size = loc.size();
12     for(int i = 0; i < size; ++i)
13     {
14         for(int j = loc[i].first; j <= loc[i].second; ++j)
15         {
16             temp[j] = "*";
17         }
18     }
19     string ret;
20     for(auto & elem : temp)
21     {
22         ret += elem;
23     }
24     return ret;
25 }

　　在这里，调用之前写的splitWord方法对主串进行分字操作，并且把敏感词替换成“*”，然后把结果传出。

　　这些写完差不多就可以用了。以下是测试内容：

　　敏感词设定为“好好玩耍”、“编程软件”、“编程学习”、“编程学习网站”、“编程训练”、“编程入门”六个词。

　　主串设定为“我不要好好玩耍好好进行编程学习然后建一个编程编程编程学习网站给编程纩编程软件者使用进行编程训练与编程学习”。

　　测试结果如下：

我不要好好玩耍好好进行编程学习然后建一个编程编程编程学习网站给编程纩编程软件者使用进行编程训练与编程学习
我不要****好好进行****然后建一个编程编程******给编程纩****者使用进行****与****

　　那么，如果机智的小伙伴在敏感词中间加了空格要怎么办呢？

　　我又想到两种方案：

　　方案一，在分字之后删除空格。

　　空格只占一个字节，但是在splitWord中也会被当成字存进vector，此时用erase+remore_if删除即可：

 1 bool deleterule(string & word)
 2 {
 3     return word == " ";
 4 }
 5 
 6 string Dictionary::Kmp(const string & word)
 7 {
 8     vector<string> temp;
 9     splitWord(word, temp);
10     
11     temp.erase(std::remove_if(temp.begin(), temp.end(), deleterule));
12 
13     vector<Loc> loc;
14     
15     if(!Kmp(temp, loc))
16     {
17         return word;
18     }
19     int size = loc.size();
20     for(int i = 0; i < size; ++i)
21     {
22         for(int j = loc[i].first; j <= loc[i].second; ++j)
23         {
24             temp[j] = "*";
25         }
26     }
27     string ret;
28     for(auto & elem : temp)
29     {
30         ret += elem;
31     }
32     return ret;
33 }

　　测试如下：

我不要好好 玩耍好好进行编程学习然后建一个编程编程编程学    习网站给编程纩编程软件者使用进行编程训练与编程学习
我不要****好好进行****然后建一个编程编程******给编程纩****者使用进行****与****

　　方案二，在匹配的时候读到空格就跳过：

 1 bool Dictionary::Kmp(vector<string> & word, vector<Loc> & loc)
 2 {
 3     pDictElem root = _dictionary;
 4     list<pDictElem> stackDict;
 5 
 6     int start = 0;
 7     int size = word.size();
 8     int i = 0;
 9     while(i < size)    
10     {
11         if(word[i] == " ")
12         {
13             ++i;
14             if(!stackDict.size())
15             {
16                 ++start;
17             }
18             continue;
19         }
20         WordIt it_word;
21         it_word = root->_words.find(word[i]);
22         if(it_word == root->_words.end())
23         {
24             if(stackDict.size())
25             {
26                 int num = root->_next;
27                 for(int j = 0; j < num - 1; ++j)
28                 {
29                     stackDict.pop_back();    
30                 }
31                 root = stackDict.back();
32                 stackDict.pop_back();
33                 start += num;
34             }else{
35                 ++i;
36                 start = i;
37             }
38             continue;
39         }else{
40             stackDict.push_back(root);
41             root = it_word->second;
42             if(root->_isend)
43             {
44                 Loc loctemp;
45                 loctemp.first = start;
46                 loctemp.second = i;
47                 loc.push_back(loctemp);
48                 start = i + 1;
49             }
50         }
51         ++i;
52     }
53     return loc.size();
54 }

　　测试：

我不要好好 玩耍好好进行编程学习然后建一个编程编程编程学    习网站给编程纩编程软件者使用进行编程训练与编程学习
我不要*****好好进行****然后建一个编程编程**********给编程纩****者使用进行****与****

　　一开始的时候的BUG：

　　1、“编程编程编程学习”无法提取出“编程学习”

　　2、敏感词起始位置乱七八糟

　　3、弹栈时机乱七八糟

　　4、敏感词中同时存在“编程学习”与“编程学习网站”时会发生段错误

　　5、4解决了之后，会出现只匹配“编程学习”，而“网站”二字没有替换

　　1~4 BUG调整一下就可以了，至于5嘛，莫明其妙就可以了，我也不知道怎么回事。

Dictionary.cc

  1 #include "Dictionary.h"
  2 #include <json/json.h>
  3 #include <iostream>
  4 #include <fstream>
  5 #include <string>
  6 #include <algorithm>
  7 
  8 #define PLAN1
  9 
 10 namespace ccx{
 11 
 12 using std::endl;
 13 using std::cout;
 14 using std::pair;
 15 using std::ofstream;
 16 using std::ifstream;
 17 
 18 Dictionary::Dictionary()
 19 : _dictionary(new DictElem)
 20 , _conf()
 21 {
 22     _dictionary->_isend = false;
 23     _dictionary->_next = 0;
 24     _pcur = _dictionary;
 25 }
 26 
 27 void Dictionary::splitWord(const string & word, vector<string> & characters)
 28 {
 29     int num = word.size();
 30     int i = 0;
 31     while(i < num)
 32     {
 33         int size = 1;
 34         if(word[i] & 0x80)
 35         {
 36             char temp = word[i];
 37             temp <<= 1;
 38             do{
 39                 temp <<= 1;
 40                 ++size;
 41             }while(temp & 0x80);
 42         }
 43         string subWord;
 44         subWord = word.substr(i, size);
 45         characters.push_back(subWord);
 46         i += size;
 47     }
 48 }
 49 
 50 void Dictionary::getKmpNext(const vector<string> & characters, vector<int> & kmpnext)
 51 {
 52     int size = characters.size();
 53     for(int i = 0; i < size; ++i)
 54     {
 55         kmpnext.push_back(0);
 56     }
 57     
 58     int i = -1;
 59     int j = 0;
 60     kmpnext[0] = -1;
 61     while(j < size)
 62     {
 63         if(i == -1 || kmpnext[i] == kmpnext[j])
 64         {
 65             ++i;
 66             ++j;
 67             kmpnext[j] = i;
 68         }else{
 69             i = kmpnext[i];
 70         }
 71     }
 72     for(i = 0; i < size; ++i)
 73     {
 74         kmpnext[i] = i - kmpnext[i];
 75     }
 76 }
 77 
 78 void Dictionary::AddWord(const string & word)
 79 {
 80     vector<string> characters;
 81     splitWord(word, characters);
 82     vector<int> kmpnext;
 83     getKmpNext(characters, kmpnext);
 84 
 85     vector<int>::iterator it_int;
 86     it_int = kmpnext.begin();
 87     vector<string>::iterator it_char;
 88     it_char = characters.begin();    
 89     pDictElem root;
 90     root = _dictionary;
 91     for(; it_char != characters.end(); ++it_char, ++it_int)
 92     {
 93         WordIt it_word;
 94         it_word = root->_words.find(*it_char);
 95 
 96         if(it_word == root->_words.end())
 97         {
 98             pair<string, pDictElem> temp;
 99             temp.first = *it_char;
100             pDictElem dictemp(new DictElem);
101             dictemp->_word = *it_char;
102             dictemp->_next = *it_int;
103             dictemp->_isend = false;
104             temp.second = dictemp;
105             root->_words.insert(temp);
106             root = dictemp;
107         }else{
108             root = it_word->second;
109         }
110     }
111     if(!root->_isend)
112     {
113         root->_isend = true;
114     }
115 }
116 
117 void Dictionary::push(const string & word)
118 {
119     AddWord(word);
120 }
121 
122 void Dictionary::push(vector<string> & words)
123 {
124     int size = words.size();
125     for(int i = 0; i < size; ++i)
126     {
127         push(words[i]);
128     }
129 }
130 
131 bool Dictionary::search(const string & word)
132 {
133     pDictElem root = _dictionary;
134     vector<string> temp;
135     splitWord(word, temp);
136 
137     int ret = search(temp, root);
138     int size = temp.size();
139     if(ret != size)
140     {
141         return false;
142     }
143     return true;
144 }
145 
146 int Dictionary::search(vector<string> & characters, pDictElem & root)
147 {
148     vector<string>::iterator it_char;
149     it_char = characters.begin();    
150     root = _dictionary;
151     int i = 0;
152     for(; it_char != characters.end(); ++it_char, ++i)
153     {
154         WordIt it_word;
155         it_word = root->_words.find(*it_char);
156 
157         if(it_word == root->_words.end())
158         {
159             break;
160         }else{
161             root = it_word->second;
162         }
163     }
164     return i;
165 }
166 
167 bool Dictionary::associate(const string & word, vector<string> & data)
168 {
169     pDictElem root = _dictionary;
170     vector<string> temp;
171     splitWord(word, temp);
172 
173     int ret = search(temp, root);
174     int size = temp.size();
175     if(ret != size)
176     {
177         return false;
178     }
179 
180     list<WordIt> stackWord;
181     list<pDictElem> stackDict;
182     next(root, stackWord, stackDict);
183     while(root)
184     {
185         string temp = getCurWord(stackWord);
186         data.push_back(temp);    
187         next(root, stackWord, stackDict);
188     }
189 
190     if(!data.size())
191     {
192         return false;
193     }
194     return true;
195 }
196 
197 #ifdef PLAN1
198 //敏感词中带空格的第一种方案
199 bool deleterule(string & word)
200 {
201     return word == " ";
202 }
203 #endif
204 
205 string Dictionary::Kmp(const string & word)
206 {
207     vector<string> temp;
208     splitWord(word, temp);
209     
210 #ifdef PLAN1
211     temp.erase(std::remove_if(temp.begin(), temp.end(), deleterule));
212 #endif
213 
214     vector<Loc> loc;
215     
216     if(!Kmp(temp, loc))
217     {
218         return word;
219     }
220     int size = loc.size();
221     for(int i = 0; i < size; ++i)
222     {
223         for(int j = loc[i].first; j <= loc[i].second; ++j)
224         {
225             temp[j] = "*";
226         }
227     }
228     string ret;
229     for(auto & elem : temp)
230     {
231         ret += elem;
232     }
233     return ret;
234 }
235 
236 bool Dictionary::Kmp(vector<string> & word, vector<Loc> & loc)
237 {
238     pDictElem root = _dictionary;
239     list<pDictElem> stackDict;
240 
241     int start = 0;
242     int size = word.size();
243     int i = 0;
244     while(i < size)    
245     {
246 #ifdef PLAN2
247 //敏感词中带空格的第二种方案
248         if(word[i] == " ")
249         {
250             ++i;
251             if(!stackDict.size())
252             {
253                 ++start;
254             }
255             continue;
256         }
257 #endif
258         WordIt it_word;
259         it_word = root->_words.find(word[i]);
260         if(it_word == root->_words.end())
261         {
262             if(stackDict.size())
263             {
264                 int num = root->_next;
265                 for(int j = 0; j < num - 1; ++j)
266                 {
267                     stackDict.pop_back();    
268                 }
269                 root = stackDict.back();
270                 stackDict.pop_back();
271                 start += num;
272             }else{
273                 ++i;
274                 start = i;
275             }
276             continue;
277         }else{
278             stackDict.push_back(root);
279             root = it_word->second;
280             if(root->_isend)
281             {
282                 Loc loctemp;
283                 loctemp.first = start;
284                 loctemp.second = i;
285                 loc.push_back(loctemp);
286                 start = i + 1;
287             }
288         }
289         ++i;
290     }
291     return loc.size();
292 }
293 
294 //遍历用
295 
296 void Dictionary::resetPoint(pDictElem pcur)
297 {
298     _pcur = pcur;
299     if(_stackDict.size())
300     {
301         _stackDict.clear();
302     }
303     if(_stackWord.size())
304     {
305         _stackWord.clear();
306     }
307     next();
308 }
309 
310 void Dictionary::resetIt()
311 {
312     resetPoint(_dictionary);
313 }
314 
315 void Dictionary::next()
316 {
317     next(_pcur, _stackWord, _stackDict);
318 }
319 
320 void Dictionary::next(pDictElem & pcur, list<WordIt> & stackWord, list<pDictElem> & stackDict)
321 {
322     while(pcur)
323     {
324         nextWord(pcur, stackWord, stackDict);
325         if(!pcur || pcur->_isend)
326         {
327             break;
328         }
329     }
330 }
331 
332 void Dictionary::nextWord(pDictElem & pcur, list<WordIt> & stackWord, list<pDictElem> & stackDict)
333 {
334     if(pcur)
335     {
336         if(pcur->_words.size())
337         {
338             stackDict.push_back(pcur);
339             stackWord.push_back(pcur->_words.begin());
340             pcur = stackWord.back()->second;
341         }else{
342             ++(stackWord.back());
343         }
344         while(stackWord.back() == stackDict.back()->_words.end())
345         {
346             stackDict.pop_back();
347             stackWord.pop_back();
348             if(!stackDict.size())
349             {
350                 pcur = NULL;
351             }
352             ++(stackWord.back());
353         }
354         if(pcur)
355         {
356             pcur = stackWord.back()->second;
357         }    
358     }
359 }
360 
361 string Dictionary::getCurChar()
362 {
363     return _pcur->_word;
364 }
365 
366 string Dictionary::getCurWord()
367 {
368     return getCurWord(_stackWord);
369 }
370 
371 string Dictionary::getCurWord(list<WordIt> & stackWord)
372 {
373     string temp;
374     list<WordIt>::iterator it_word;    
375     it_word = stackWord.begin();    
376 
377     for(; it_word != stackWord.end(); ++it_word)
378     {
379         temp += (*it_word)->first;
380     }
381     return temp;
382 }
383 
384 bool Dictionary::isEnd()
385 {
386     return _pcur == NULL;
387 }
388 
389 void Dictionary::leading_in()//导入，失败没必要退出程序
390 {
391     ifstream ifs;
392     const char * path = _conf.getDictionaryPath().c_str();
393     ifs.open(path);
394     if(!ifs.good())
395     {
396         cout << "open Dictionary.json error(leading_in)" << endl;
397     }else{
398         Json::Value root;
399         Json::Reader reader;
400 
401         if(!reader.parse(ifs, root, false))
402         {
403             cout << "json read Dictionary.json error" << endl;
404         }else{
405             int size = root.size();
406             for(int i = 0; i < size; ++i)
407             {
408                 string word = root[i]["Word"].asString();
409                 AddWord(word);
410             }
411         }
412     }
413 }
414 
415 void Dictionary::leading_out()
416 {
417     Json::Value root;
418     Json::FastWriter writer;
419 
420     resetIt();
421 
422     while(!isEnd())
423     {
424         Json::Value elem;
425         elem["Word"] = getCurWord();
426         root.append(elem);
427         next();
428     }
429 
430     string words;
431     words = writer.write(root);
432 
433     ofstream ofs;
434     const char * path = _conf.getDictionaryPath().c_str();
435     ofs.open(path);
436     if(!ofs.good())
437     {
438         cout << "open Dictionary.json error(leading_out)" << endl;
439         ofs.open("Dictionary.tmp");
440         if(!ofs.good())
441         {
442             exit(EXIT_FAILURE);
443         }
444     }
445 
446     ofs << words;
447     ofs.close();
448 }
449 
450 }

View Code

　　github:https://github.com/ccx19930930/KMP_with_Dictionary

　　结论：我的词典真的成了胖接口了！！！

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