• 后缀数组 逐步探索


    (transmit1)

    (transmit2)

    先说一下后缀数组最基本的应用:

    Q1:一个串中某具体两个串的最大公共前缀是多少? 

    A1:这不就是Height吗?用rmq预处理,再O(1)查询。

    Q2:一个串中任意两个可重叠的重复最长子串是多长? 

    A2:就是求任意两个后缀的最长公共前缀,而任意两个后缀的最长公共前缀都是Height 数组里某一段的最小值,那最长的就是Height中的最大值。 

    Q3:一个串中不可重叠的重复最长子串是多长? 

    A3:先二分答案转化成判别式的问题比较好处理。假设当前需要判别长度为k是否符合要求,只需把排序后的后缀分成若干组,其中每组的后缀之间的Height 值都不小于k,再判断其中有没有不重复的后缀,具体就是看最大的SA值和最小的SA值相差超不超过k,有一组超过的话k就是合法答案。 

     Q4:一个字符串不相等的子串的个数是多少?

     A4:每个子串一定是某个后缀的前缀,那么原问题等价于求所有后缀之间的不相同的前缀的个数。而且可以发现每一个后缀Suffix[SA[i]]的贡献是Len - SA[i] + 1,但是有子串算重复,重复的就是Heigh[i]个与前面相同的前缀,那么减去就可以了。最后,一个后缀Suffix[SA[i]]的贡献就是Len - SA[k] + 1 - Height[k]。 对于后缀数组更多的应用这里就不详细阐述,经过思考后每个人都会发现它的一些不同的用途,它的功能也许比你想象中的更强大!

    SA[] 第几名是谁

    后缀数组:后缀数组 SA 是一个一维数组, 它保存 1..n 的某个排列 SA[1] ,SA[2],……,SA[n],并且保证 Suffix(SA[i]) < Suffix(SA[i+1]),1≤i<n 。也就是将 S 的 n 个后缀从小到大进行排序之后把排好序的后缀的开头位置顺次放入 SA 中。

    Rank[] 谁是第几名名次数组:名次数组 Rank[i]保存的是 Suffix(i)在所有后缀中从小到大排列的“名次 ” 。

    r[]:原始数据j当前字符串的长度,每次循环根据2个j长度的字符串的排名求得2j长度字符串的排名.

    y[]:指示长度为2j的字符串的第二关键字的排序结果,通过存储2j长字符串的第一关键字的下标进行指示.

    wv[]:2j长字符串的第一关键字的排名序号.

    ws[]:计数数组,计数排序用到.

    x[]:一开始是原始数据r的拷贝(其实也表示长度为1的字符串的排名),之后表示2j长度字符串的排名.

    p:不同排名的个数.

    片段

    1.对长度为1的字符串进行排序(函数的第一步)

    for(i=0;i<m;i++) ws[i]=0;
    for(i=0;i<n;i++) ws[x[i]=r[i]]++;
    for(i=1;i<m;i++) ws[i]+=ws[i-1];
    for(i=n-1;i>=0;i--) sa[--ws[x[i]]]=i;

     

    ①用的是基数排序,也可以使用其它的排序

    ②r[]存储原本输入的字符串,x[]是对r[]的ASCII呈现(便于排序)

    ③m是一个估计数字,代表ASCII最大值,在循环中做边界

    ④n在这里是字符串的长度+1,后面的加加减减有所体现(貌似不介意直接用字符串的长度)

    ⑤最后一行比较难懂,但实践证明它确实是正确的,sa[i]=j表示第i名是j。

    ws[i]是对第i及之前字符出现次数的累加,越往后ws[i]越大,而且对应的字符数值越大,举个例子,如果某一字符串为aaabaa,则a出现的次数为5,b出现的次数为1,按上述原理,可以看做ws[a]=5,ws[b]=6,固然a都在前5名,b在第六名。

    对aabaaaab进行输出后为801345627,按照sa的定义对应起来

    aabaaaab ~

    23845679 1  非常正确

    理解了这个,最后一行就能明白了

    2.进行若干次基数排序

    因为前面排序的名次可能有重复,所以要再进行若干次,直到所有的名次都不再相同

    复制代码
    for(j=1,p=1; p<n; j*=2,m=p)
    {
          for(p=0,i=n-j; i<n; i++) y[p++]=i;
          for(i=0; i<n; i++) if(sa[i]>=j) y[p++]=sa[i]-j;
          for(i=0; i<n; i++) wv[i]=x[y[i]];
          for(i=0; i<m; i++) Ws[i]=0;
          for(i=0; i<n; i++) Ws[wv[i]]++;
          for(i=1; i<m; i++) Ws[i]+=Ws[i-1];
          for(i=n-1; i>=0; i--) sa[--Ws[wv[i]]]=y[i];
          for(t=x,x=y,y=t,p=1,x[sa[0]]=0,i=1; i<n; i++)
               x[sa[i]]=cmp(y,sa[i-1],sa[i],j)?p-1:p++;
    }
    复制代码

     

    相对于上面函数的第一步来说,这一坨代码更加复杂了

    ①从最外层循环可以看出,j是处于倍增状态的,代表正在比较的每一小段字符串的长度

    ②循环内的第一行,循环了j-1次,是对后面几个数的提前处理(其第二关键字都为0)如图

    即所有加0的数

    ③第二行,再翻上去看一眼sa的作用。首先要明白这一行抛弃了一些东西,

     

    由于是对第二关键字的排序,第一关键字先不看,所以有一条件if(sa[i]>=j)

    这条语句后面y[p++]=sa[i]-j,要减去j也是因为这个

    到这里,第二关键字的排序就完成了

     

    ④开始第一关键字的排序

    假设需要排序的数为92 71 10 80 63 90

    那么y[]=3 4 6 2 1 5 即对第二关键字排序后名次递增所对应的序号

          x[]=10 80 90 71 92 63 即对第二关键字排序的结果

    for(i=0; i<n; i++) wv[i]=x[y[i]];将x[]数组拷贝到wv[]中

    ⑤剩下的基数排序就与对长度为1的字符串进行排序一样了

    完整的代码(参考理解)复制代码

    int wa[maxn],wb[maxn],wv[maxn],ws[maxn];
    int cmp(int *r,int a,int b,int l)
    {return r[a]==r[b]&&r[a+l]==r[b+l];}  //就像论文所说,由于末尾填了0,所以如果r[a]==r[b](实际是y[a]==y[b]),说明待合并的两个长为j的字符串,前面那个一定不包含末尾0,因而后面这个的起始位置至多在0的位置,不会再靠后了,因而不会产生数组越界。
    //da函数的参数n代表字符串中字符的个数,这里的n里面是包括人为在字符串末尾添加的那个0的,但论文的图示上并没有画出字符串末尾的0。
    //da函数的参数m代表字符串中字符的取值范围,是基数排序的一个参数,如果原序列都是字母可以直接取128,如果原序列本身都是整数的话,则m可以取比最大的整数大1的值。
    void da(int *r,int *sa,int n,int m)
    {
        int i,j,p,*x=wa,*y=wb,*t;
        //以下四行代码是把各个字符(也即长度为1的字符串)进行基数排序,如果不理解为什么这样可以达到基数排序的效果,不妨自己实际用纸笔模拟一下,我最初也是这样才理解的。
        for(i=0;i<m;i++) ws[i]=0;
        for(i=0;i<n;i++) ws[x[i]=r[i]]++;  //x[]里面本意是保存各个后缀的rank值的,但是这里并没有去存储rank值,因为后续只是涉及x[]的比较工作,因而这一步可以不用存储真实的rank值,能够反映相对的大小即可。
        for(i=1;i<m;i++) ws[i]+=ws[i-1];
        for(i=n-1;i>=0;i--) sa[--ws[x[i]]]=i;  //i之所以从n-1开始循环,是为了保证在当字符串中有相等的字符串时,默认靠前的字符串更小一些。
        //下面这层循环中p代表rank值不用的字符串的数量,如果p达到n,那么各个字符串的大小关系就已经明了了。
        //j代表当前待合并的字符串的长度,每次将两个长度为j的字符串合并成一个长度为2*j的字符串,当然如果包含字符串末尾具体则数值应另当别论,但思想是一样的。
        //m同样代表基数排序的元素的取值范围
        for(j=1,p=1;p<n;j*=2,m=p)
        {
            //以下两行代码实现了对第二关键字的排序
            for(p=0,i=n-j;i<n;i++) y[p++]=i;  //结合论文的插图,我们可以看到位置在第n-j至n的元素的第二关键字都为0,因此如果按第二关键字排序,必然这些元素都是排在前面的。
            for(i=0;i<n;i++) if(sa[i]>=j) y[p++]=sa[i]-j;  //结合论文的插图,我们可以看到,下面一行的第二关键字不为0的部分都是根据上面一行的排序结果得到的,且上一行中只有sa[i]>=j的第sa[i]个字符串(这里以及后面指的“第?个字符串”不是按字典序排名来的,是按照首字符在字符串中的位置来的)的rank才会作为下一行的第sa[i]-j个字符串的第二关键字,而且显然按sa[i]的顺序rank[sa[i]]是递增的,因此完成了对剩余的元素的第二关键字的排序。
            //第二关键字基数排序完成后,y[]里存放的是按第二关键字排序的字符串下标
            for(i=0;i<n;i++) wv[i]=x[y[i]];  //这里相当于提取出每个字符串的第一关键字(前面说过了x[]是保存rank值的,也就是字符串的第一关键字),放到wv[]里面是方便后面的使用
            //以下四行代码是按第一关键字进行的基数排序
            for(i=0;i<m;i++) ws[i]=0;
            for(i=0;i<n;i++) ws[wv[i]]++;
            for(i=1;i<m;i++) ws[i]+=ws[i-1];
            for(i=n-1;i>=0;i--) sa[--ws[wv[i]]]=y[i];  //i之所以从n-1开始循环,含义同上,同时注意这里是y[i],因为y[i]里面才存着字符串的下标
            //下面两行就是计算合并之后的rank值了,而合并之后的rank值应该存在x[]里面,但我们计算的时候又必须用到上一层的rank值,也就是现在x[]里面放的东西,如果我既要从x[]里面拿,又要向x[]里面放,怎么办?当然是先把x[]的东西放到另外一个数组里面,省得乱了。这里就是用交换指针的方式,高效实现了将x[]的东西“复制”到了y[]中。
            for(t=x,x=y,y=t,p=1,x[sa[0]]=0,i=1;i<n;i++)
            x[sa[i]]=cmp(y,sa[i-1],sa[i],j)?p-1:p++; //这里就是用x[]存储计算出的各字符串rank的值了,记得我们前面说过,计算sa[]值的时候如果字符串相同是默认前面的更小的,但这里计算rank的时候必须将相同的字符串看作有相同的rank,要不然p==n之后就不会再循环啦。
        }
        return;
    }
    
    //能够线性计算height[]的值的关键在于h[](height[rank[]])的性质,即h[i]>=h[i-1]-1,下面具体分析一下这个不等式的由来。
    //论文里面证明的部分一开始看得我云里雾里,后来画了一下终于搞明白了,我们先把要证什么放在这:对于第i个后缀,设j=sa[rank[i] - 1],也就是说j是i的按排名来的上一个字符串,按定义来i和j的最长公共前缀就是height[rank[i]],我们现在就是想知道height[rank[i]]至少是多少,而我们要证明的就是至少是height[rank[i-1]]-1。
    //好啦,现在开始证吧。
    //首先我们不妨设第i-1个字符串(这里以及后面指的“第?个字符串”不是按字典序排名来的,是按照首字符在字符串中的位置来的)按字典序排名来的前面的那个字符串是第k个字符串,注意k不一定是i-2,因为第k个字符串是按字典序排名来的i-1前面那个,并不是指在原字符串中位置在i-1前面的那个第i-2个字符串。
    //这时,依据height[]的定义,第k个字符串和第i-1个字符串的公共前缀自然是height[rank[i-1]],现在先讨论一下第k+1个字符串和第i个字符串的关系。
    //第一种情况,第k个字符串和第i-1个字符串的首字符不同,那么第k+1个字符串的排名既可能在i的前面,也可能在i的后面,但没有关系,因为height[rank[i-1]]就是0了呀,那么无论height[rank[i]]是多少都会有height[rank[i]]>=height[rank[i-1]]-1,也就是h[i]>=h[i-1]-1。
    //第二种情况,第k个字符串和第i-1个字符串的首字符相同,那么由于第k+1个字符串就是第k个字符串去掉首字符得到的,第i个字符串也是第i-1个字符串去掉首字符得到的,那么显然第k+1个字符串要排在第i个字符串前面,要么就产生矛盾了。同时,第k个字符串和第i-1个字符串的最长公共前缀是height[rank[i-1]],那么自然第k+1个字符串和第i个字符串的最长公共前缀就是height[rank[i-1]]-1。
    //到此为止,第二种情况的证明还没有完,我们可以试想一下,对于比第i个字符串的字典序排名更靠前的那些字符串,谁和第i个字符串的相似度最高(这里说的相似度是指最长公共前缀的长度)?显然是排名紧邻第i个字符串的那个字符串了呀,即sa[rank[i]-1]。也就是说sa[rank[i]]和sa[rank[i]-1]的最长公共前缀至少是height[rank[i-1]]-1,那么就有height[rank[i]]>=height[rank[i-1]]-1,也即h[i]>=h[i-1]-1。
    //证明完这些之后,下面的代码也就比较容易看懂了。
    int rank[maxn],height[maxn];
    void calheight(int *r,int *sa,int n)
    {
        int i,j,k=0;
        for(i=1;i<=n;i++) rank[sa[i]]=i;  //计算每个字符串的字典序排名
        for(i=0;i<n;height[rank[i++]]=k)  //将计算出来的height[rank[i]]的值,也就是k,赋给height[rank[i]]。i是由0循环到n-1,但实际上height[]计算的顺序是由height[rank[0]]计算到height[rank[n-1]]。
        for(k?k--:0,j=sa[rank[i]-1];r[i+k]==r[j+k];k++);  //上一次的计算结果是k,首先判断一下如果k是0的话,那么k就不用动了,从首字符开始看第i个字符串和第j个字符串前面有多少是相同的,如果k不为0,按我们前面证明的,最长公共前缀的长度至少是k-1,于是从首字符后面k-1个字符开始检查起即可。
        return;
    }
    
    //最后再说明一点,就是关于da和calheight的调用问题,实际上在“小罗”写的源程序里面是如下调用的,这样我们也能清晰的看到da和calheight中的int n不是一个概念,同时height数组的值的有效范围是height[1]~height[n]其中height[1]=0,原因就是sa[0]实际上就是我们补的那个0,所以sa[1]和sa[0]的最长公共前缀自然是0。
    da(r,sa,n+1,128);
    calheight(r,sa,n);

    目前自己的模板:

    void solve()
    {
        for (int i = 0; i < 256; i ++) cntA[i] = 0;//第一次基数排序,按ASCII码排 
        for (int i = 1; i <= n; i ++) cntA[ch[i]] ++;
        for (int i = 1; i < 256; i ++) cntA[i] += cntA[i - 1];
        for (int i = n; i; i --) sa[cntA[ch[i]] --] = i;
        rank[sa[1]] = 1;
        for (int i = 2; i <= n; i ++)
        {
            rank[sa[i]] = rank[sa[i - 1]];
            if (ch[sa[i]] != ch[sa[i - 1]]) rank[sa[i]] ++;
        }//第一次排序完 
        for (int l = 1; rank[sa[n]] < n; l <<= 1)
        {
            for (int i = 0; i <= n; i ++) cntA[i] = 0;
            for (int i = 0; i <= n; i ++) cntB[i] = 0;
            for ( int i = 1; i <= n; i ++)
            {
                cntA[A[i] = rank[i]] ++;//得到第一关键字 
                cntB[B[i] = (i + l <= n) ? rank[i + l] : 0] ++;// 第二关键字 
            }//依照第二关键字的倒序,给第一关键字排序,同第一次一样得到排序。 
            for (int i = 1; i <= n; i ++) cntB[i] += cntB[  i - 1];
            for (int i = n; i; i --) tsa[cntB[B[i]] --] = i;//得到第二关键字的倒序 
            for (int i = 1; i <= n; i ++) cntA[i] += cntA[i - 1];
            for (int i = n; i; i --) sa[cntA[A[tsa[i]]] --] = tsa[i];//按第二关键字排,所以i换成了tsa[i] 
            rank[sa[1]] = 1;
            for (int i = 2; i <= n; i ++)
            {
                rank[sa[i]] = rank[sa[i - 1]];
                if (A[sa[i]] != A[sa[i - 1]] || B[sa[i]] != B[sa[i - 1]]) rank[sa[i]] ++;
            }
        } //排序完 
        for (int i = 1, j = 0; i <= n; i ++)
        {
            if (j) j --;
            while (ch[i + j] == ch[sa[rank[i] - 1] + j]) j ++;
            height[rank[i]] = j;
        }//计算height完 
    }
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