算法刷题-字符串-重复的子字符串

KMP算法还能干这个

459.重复的子字符串

力扣题目链接

给定一个非空的字符串，判断它是否可以由它的一个子串重复多次构成。给定的字符串只含有小写英文字母，并且长度不超过10000。

示例 1:
输入: “abab”
输出: True
解释: 可由子字符串 “ab” 重复两次构成。

示例 2:
输入: “aba”
输出: False

示例 3:
输入: “abcabcabcabc”
输出: True
解释: 可由子字符串 “abc” 重复四次构成。 (或者子字符串 “abcabc” 重复两次构成。)

思路

暴力的解法， 就是一个for循环获取 子串的终止位置， 然后判断子串是否能重复构成字符串，又嵌套一个for循环，所以是O(n^2)的时间复杂度。

有的同学可以想，怎么一个for循环就可以获取子串吗？ 至少得一个for获取子串起始位置，一个for获取子串结束位置吧。

其实我们只需要判断，以第一个字母为开始的子串就可以，所以一个for循环获取子串的终止位置就行了。 而且遍历的时候 都不用遍历结束，只需要遍历到中间位置，因为子串结束位置大于中间位置的话，一定不能重复组成字符串。

暴力的解法，这里就不详细讲解了。

主要讲一讲移动匹配 和 KMP两种方法。

移动匹配

当一个字符串s：abcabc，内部由重复的子串组成，那么这个字符串的结构一定是这样的：

图一

也就是由前后相同的子串组成。

那么既然前面有相同的子串，后面有相同的子串，用 s + s，这样组成的字符串中，后面的子串做前串，前后的子串做后串，就一定还能组成一个s，如图：

图二

所以判断字符串s是否由重复子串组成，只要两个s拼接在一起，里面还出现一个s的话，就说明是由重复子串组成。

当然，我们在判断 s + s 拼接的字符串里是否出现一个s的的时候，要刨除 s + s 的首字符和尾字符，这样避免在s+s中搜索出原来的s，我们要搜索的是中间拼接出来的s。

代码如下：

class Solution {
public:
    bool repeatedSubstringPattern(string s) {
        string t = s + s;
        t.erase(t.begin()); t.erase(t.end() - 1); // 掐头去尾
        if (t.find(s) != std::string::npos) return true; // r
        return false;
    }
};

不过这种解法还有一个问题，就是 我们最终还是要判断 一个字符串（s + s）是否出现过 s 的过程，大家可能直接用contains，find 之类的库函数。 却忽略了实现这些函数的时间复杂度（暴力解法是m * n，一般库函数实现为 O(m + n)）。

如果我们做过 28.实现strStr 题目的话，其实就知道，实现一个 高效的算法来判断 一个字符串中是否出现另一个字符串是很复杂的，这里就涉及到了KMP算法。

KMP

为什么会使用KMP

以下使用KMP方式讲解，强烈建议大家先把以下两个视频看了，理解KMP算法，再来看下面讲解，否则会很懵。

  • 视频讲解版：帮你把KMP算法学个通透！（理论篇）
  • 视频讲解版：帮你把KMP算法学个通透！（求next数组代码篇）
  • 文字讲解版：KMP算法

在一个串中查找是否出现过另一个串，这是KMP的看家本领。那么寻找重复子串怎么也涉及到KMP算法了呢？

KMP算法中next数组为什么遇到字符不匹配的时候可以找到上一个匹配过的位置继续匹配，靠的是有计算好的前缀表。 前缀表里，统计了各个位置为终点字符串的最长相同前后缀的长度。

那么 最长相同前后缀和重复子串的关系又有什么关系呢。

可能很多录友又忘了 前缀和后缀的定义，再回顾一下：

  • 前缀是指不包含最后一个字符的所有以第一个字符开头的连续子串；
  • 后缀是指不包含第一个字符的所有以最后一个字符结尾的连续子串

在由重复子串组成的字符串中，最长相等前后缀不包含的子串就是最小重复子串，这里拿字符串s：abababab 来举例，ab就是最小重复单位，如图所示：

图三

如何找到最小重复子串

这里有同学就问了，为啥一定是开头的ab呢。 其实最关键还是要理解 最长相等前后缀，如图：

图四

步骤一：因为 这是相等的前缀和后缀，t[0] 与 k[0]相同， t[1] 与 k[1]相同，所以 s[0] 一定和 s[2]相同，s[1] 一定和 s[3]相同，即：，s[0]s[1]与s[2]s[3]相同 。

步骤二： 因为在同一个字符串位置，所以 t[2] 与 k[0]相同，t[3] 与 k[1]相同。

步骤三： 因为 这是相等的前缀和后缀，t[2] 与 k[2]相同 ，t[3]与k[3] 相同，所以，s[2]一定和s[4]相同，s[3]一定和s[5]相同，即：s[2]s[3] 与 s[4]s[5]相同。

步骤四：循环往复。

所以字符串s，s[0]s[1]与s[2]s[3]相同， s[2]s[3] 与 s[4]s[5]相同，s[4]s[5] 与 s[6]s[7] 相同。

正是因为 最长相等前后缀的规则，当一个字符串由重复子串组成的，最长相等前后缀不包含的子串就是最小重复子串。

简单推理

这里再给出一个数学推导，就容易理解很多。

假设字符串s使用多个重复子串构成（这个子串是最小重复单位），重复出现的子字符串长度是x，所以s是由n * x组成。

因为字符串s的最长相同前后缀的长度一定是不包含s本身，所以 最长相同前后缀长度必然是m * x，而且 n - m = 1，（这里如果不懂，看上面的推理）

所以如果 nx % (n - m)x = 0，就可以判定有重复出现的子字符串。

next 数组记录的就是最长相同前后缀 字符串：KMP算法精讲 这里介绍了什么是前缀，什么是后缀，什么又是最长相同前后缀)， 如果 next[len - 1] != -1，则说明字符串有最长相同的前后缀（就是字符串里的前缀子串和后缀子串相同的最长长度）。

最长相等前后缀的长度为：next[len - 1] + 1。(这里的next数组是以统一减一的方式计算的，因此需要+1，两种计算next数组的具体区别看这里：字符串：KMP算法精讲)

数组长度为：len。

如果len % (len - (next[len - 1] + 1)) == 0 ，则说明数组的长度正好可以被 (数组长度-最长相等前后缀的长度) 整除 ，说明该字符串有重复的子字符串。

数组长度减去最长相同前后缀的长度相当于是第一个周期的长度，也就是一个周期的长度，如果这个周期可以被整除，就说明整个数组就是这个周期的循环。

强烈建议大家把next数组打印出来，看看next数组里的规律，有助于理解KMP算法

如图：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-fwZ2b28L-1687012426852)(https://code-thinking.cdn.bcebos.com/pics/459.重复的子字符串_1.png)]

next[len - 1] = 7，next[len - 1] + 1 = 8，8就是此时字符串asdfasdfasdf的最长相同前后缀的长度。

(len - (next[len - 1] + 1)) 也就是： 12(字符串的长度) - 8(最长公共前后缀的长度) = 4， 4正好可以被 12(字符串的长度) 整除，所以说明有重复的子字符串（asdf）。

C++代码如下：（这里使用了前缀表统一减一的实现方式）

class Solution {
public:
    void getNext (int* next, const string& s){
        next[0] = -1;
        int j = -1;
        for(int i = 1;i < s.size(); i++){
            while(j >= 0 && s[i] != s[j + 1]) {
                j = next[j];
            }
            if(s[i] == s[j + 1]) {
                j++;
            }
            next[i] = j;
        }
    }
    bool repeatedSubstringPattern (string s) {
        if (s.size() == 0) {
            return false;
        }
        int next[s.size()];
        getNext(next, s);
        int len = s.size();
        if (next[len - 1] != -1 && len % (len - (next[len - 1] + 1)) == 0) {
            return true;
        }
        return false;
    }
};

前缀表（不减一）的C++代码实现：

class Solution {
public:
    void getNext (int* next, const string& s){
        next[0] = 0;
        int j = 0;
        for(int i = 1;i < s.size(); i++){
            while(j > 0 && s[i] != s[j]) {
                j = next[j - 1];
            }
            if(s[i] == s[j]) {
                j++;
            }
            next[i] = j;
        }
    }
    bool repeatedSubstringPattern (string s) {
        if (s.size() == 0) {
            return false;
        }
        int next[s.size()];
        getNext(next, s);
        int len = s.size();
        if (next[len - 1] != 0 && len % (len - (next[len - 1] )) == 0) {
            return true;
        }
        return false;
    }
};

其他语言版本

Java：

class Solution {
    public boolean repeatedSubstringPattern(String s) {
        if (s.equals("")) return false;

        int len = s.length();
        // 原串加个空格(哨兵)，使下标从1开始，这样j从0开始，也不用初始化了
        s = " " + s;
        char[] chars = s.toCharArray();
        int[] next = new int[len + 1];

        // 构造 next 数组过程，j从0开始(空格)，i从2开始
        for (int i = 2, j = 0; i <= len; i++) {
            // 匹配不成功，j回到前一位置 next 数组所对应的值
            while (j > 0 && chars[i] != chars[j + 1]) j = next[j];
            // 匹配成功，j往后移
            if (chars[i] == chars[j + 1]) j++;
            // 更新 next 数组的值
            next[i] = j;
        }

        // 最后判断是否是重复的子字符串，这里 next[len] 即代表next数组末尾的值
        if (next[len] > 0 && len % (len - next[len]) == 0) {
            return true;
        }
        return false;
    }
}

Python：

这里使用了前缀表统一减一的实现方式

class Solution:
    def repeatedSubstringPattern(self, s: str) -> bool:  
        if len(s) == 0:
            return False
        nxt = [0] * len(s)
        self.getNext(nxt, s)
        if nxt[-1] != -1 and len(s) % (len(s) - (nxt[-1] + 1)) == 0:
            return True
        return False
    
    def getNext(self, nxt, s):
        nxt[0] = -1
        j = -1
        for i in range(1, len(s)):
            while j >= 0 and s[i] != s[j+1]:
                j = nxt[j]
            if s[i] == s[j+1]:
                j += 1
            nxt[i] = j
        return nxt

前缀表（不减一）的代码实现

class Solution:
    def repeatedSubstringPattern(self, s: str) -> bool:  
        if len(s) == 0:
            return False
        nxt = [0] * len(s)
        self.getNext(nxt, s)
        if nxt[-1] != 0 and len(s) % (len(s) - nxt[-1]) == 0:
            return True
        return False
    
    def getNext(self, nxt, s):
        nxt[0] = 0
        j = 0
        for i in range(1, len(s)):
            while j > 0 and s[i] != s[j]:
                j = nxt[j - 1]
            if s[i] == s[j]:
                j += 1
            nxt[i] = j
        return nxt

Go：

这里使用了前缀表统一减一的实现方式

func repeatedSubstringPattern(s string) bool {
	n := len(s)
	if n == 0 {
		return false
	}
	next := make([]int, n)
	j := -1
	next[0] = j
	for i := 1; i < n; i++ {
		for j >= 0 && s[i] != s[j+1] {
			j = next[j]
		}
		if s[i] == s[j+1] {
			j++
		}
		next[i] = j
	}
	// next[n-1]+1 最长相同前后缀的长度
	if next[n-1] != -1 && n%(n-(next[n-1]+1)) == 0 {
		return true
	}
	return false
}

前缀表（不减一）的代码实现

func repeatedSubstringPattern(s string) bool {
	n := len(s)
	if n == 0 {
		return false
	}
	j := 0
	next := make([]int, n)
	next[0] = j
	for i := 1; i < n; i++ {
		for j > 0 && s[i] != s[j] {
			j = next[j-1]
		}
		if s[i] == s[j] {
			j++
		}
		next[i] = j
	}
	// next[n-1]  最长相同前后缀的长度
	if next[n-1] != 0 && n%(n-next[n-1]) == 0 {
		return true
	}
	return false
}

JavaScript版本

前缀表统一减一

/**
 * @param {string} s
 * @return {boolean}
 */
var repeatedSubstringPattern = function (s) {
    if (s.length === 0)
        return false;

    const getNext = (s) => {
        let next = [];
        let j = -1;

        next.push(j);

        for (let i = 1; i < s.length; ++i) {
            while (j >= 0 && s[i] !== s[j + 1])
                j = next[j];
            if (s[i] === s[j + 1])
                j++;
            next.push(j);
        }

        return next;
    }

    let next = getNext(s);

    if (next[next.length - 1] !== -1 && s.length % (s.length - (next[next.length - 1] + 1)) === 0)
        return true;
    return false;
};

前缀表统一不减一

/**
 * @param {string} s
 * @return {boolean}
 */
var repeatedSubstringPattern = function (s) {
    if (s.length === 0)
        return false;

    const getNext = (s) => {
        let next = [];
        let j = 0;

        next.push(j);

        for (let i = 1; i < s.length; ++i) {
            while (j > 0 && s[i] !== s[j])
                j = next[j - 1];
            if (s[i] === s[j])
                j++;
            next.push(j);
        }

        return next;
    }

    let next = getNext(s);

    if (next[next.length - 1] !== 0 && s.length % (s.length - next[next.length - 1]) === 0)
        return true;
    return false;
};

TypeScript:

前缀表统一减一

function repeatedSubstringPattern(s: string): boolean {
    function getNext(str: string): number[] {
        let next: number[] = [];
        let j: number = -1;
        next[0] = j;
        for (let i = 1, length = str.length; i < length; i++) {
            while (j >= 0 && str[i] !== str[j + 1]) {
                j = next[j];
            }
            if (str[i] === str[j + 1]) {
                j++;
            }
            next[i] = j;
        }
        return next;
    }

    let next: number[] = getNext(s);
    let sLength: number = s.length;
    let nextLength: number = next.length;
    let suffixLength: number = next[nextLength - 1] + 1;
    if (suffixLength > 0 && sLength % (sLength - suffixLength) === 0) return true;
    return false;
};

前缀表不减一

function repeatedSubstringPattern(s: string): boolean {
    function getNext(str: string): number[] {
        let next: number[] = [];
        let j: number = 0;
        next[0] = j;
        for (let i = 1, length = str.length; i < length; i++) {
            while (j > 0 && str[i] !== str[j]) {
                j = next[j - 1];
            }
            if (str[i] === str[j]) {
                j++;
            }
            next[i] = j;
        }
        return next;
    }

    let next: number[] = getNext(s);
    let sLength: number = s.length;
    let nextLength: number = next.length;
    let suffixLength: number = next[nextLength - 1];
    if (suffixLength > 0 && sLength % (sLength - suffixLength) === 0) return true;
    return false;
};

Swift:

前缀表统一减一

	func repeatedSubstringPattern(_ s: String) -> Bool {
        
        let sArr = Array(s)
        let len = s.count
        if len == 0 {
            return false
        }
        var next = Array.init(repeating: -1, count: len)
        
        getNext(&next,sArr)
        
        if next.last != -1 && len % (len - (next[len-1] + 1)) == 0{
            return true
        }

        return false
    }
    
    func getNext(_ next: inout [Int], _ str:[Character]) {
        
        var j = -1
        next[0] = j
        
        for i in 1 ..< str.count {
            
            while j >= 0 && str[j+1] != str[i] {
                j = next[j]
            }
            
            if str[i] == str[j+1] {
                j += 1
            }
            
            next[i] = j
        }
    }

前缀表统一不减一

	func repeatedSubstringPattern(_ s: String) -> Bool {
        
        let sArr = Array(s)
        let len = sArr.count
        if len == 0 {
            return false
        }
        
        var next = Array.init(repeating: 0, count: len)
        getNext(&next, sArr)
        
        if next[len-1] != 0 && len % (len - next[len-1]) == 0 {
            return true
        }
        
        return false
    }
    
    // 前缀表不减一
    func getNext(_ next: inout [Int], _ sArr:[Character]) {
        
        var j = 0
        next[0] = 0
        
        for  i  in 1 ..< sArr.count {
            
            while j > 0 && sArr[i] != sArr[j] {
                j = next[j-1]
            }
            
            if sArr[i] == sArr[j] {
                j += 1
            }
            
            next[i] = j
        }
    }

Rust:

前缀表统一不减一

impl Solution {
    pub fn get_next(next: &mut Vec<usize>, s: &Vec<char>) {
        let len = s.len();
        let mut j = 0;
        for i in 1..len {
            while j > 0 && s[i] != s[j] {
                j = next[j - 1];
            }
            if s[i] == s[j] {
                j += 1;
            }
            next[i] = j;
        }
    }

    pub fn repeated_substring_pattern(s: String) -> bool {
        let s = s.chars().collect::<Vec<char>>();
        let len = s.len();
        if len == 0 { return false; };
        let mut next = vec![0; len];
        Self::get_next(&mut next, &s);
        if next[len - 1] != 0 && len % (len - (next[len - 1] )) == 0 { return true; }
        return false;
    }
}

前缀表统一减一

impl Solution {
    pub fn get_next(next_len: usize, s: &Vec<char>) -> Vec<i32> {
        let mut next = vec![-1; next_len];
        let mut j = -1;
        for i in 1..s.len() {
            while j >= 0 && s[i] != s[(j + 1) as usize] {
                j = next[j as usize];
            }
            if s[i] == s[(j + 1) as usize] {
                j += 1;
            }
            next[i] = j;
        }
        next
    }
    pub fn repeated_substring_pattern(s: String) -> bool {
        let s_chars = s.chars().collect::<Vec<char>>();
        let next = Self::get_next(s_chars.len(), &s_chars);
        if next[s_chars.len() - 1] >= 0
            && s_chars.len() % (s_chars.len() - (next[s_chars.len() - 1] + 1) as usize) == 0
        {
            return true;
        }
        false
    }
}

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