《数据结构-串》课件：探索字符串的操作与实现

数据结构串探索字符串的-操作与实现课程概述串的基本概念串的存储结构串的基本操作串的匹配算法学习串的定义、特点以及在探讨顺序存储和链式存储两掌握串的赋值、比较、连接计算机中的重要性，理解空种主要的存储方式，分析它和求子串等基本操作的实现串、子串和主串等核心概们的优缺点，并了解定长顺方法，了解这些操作在实际念串作为一种基本的数据序存储、变长顺序存储、单应用中的重要性熟练运用类型，在文本处理、信息检字符链表和块链表等具体实这些基本操作可以解决各种索等领域发挥着重要作用现方法选择合适的存储结字符串处理问题构对提高串操作的效率至关重要什么是串？定义字符串重要性12串是由零个或多个字符组成的有限串也常被称为字符串，是编程中常序列，是一种基本的数据类型字用的数据类型，用于表示文本信符可以是字母、数字、符号等，串息字符串的处理在各种应用中都的长度即为序列中字符的个数非常重要串的基本概念空串子串主串长度为零的串被称为空串，表示不包串中任意个连续字符组成的子序列称包含子串的串称为主串，是相对于子含任何字符的字符串空串在某些情为子串，是原串的一部分例如，串而言的例如，abcdef是包含子况下作为特殊情况处理，例如作为递abc是abcdef的一个子串串abc的主串归算法的终止条件串的特点有序性可比较性可拼接性串中的字符按照一定的串之间可以进行比较，多个串可以连接成一个顺序排列，字符的顺序比较的结果取决于字符新串，将一个串添加到决定了串的意义例的顺序和大小常用的另一个串的末尾串的如，abc和acb是不比较方法包括字典序比拼接是字符串处理中常同的串较和长度比较用的操作串的基本操作串的赋值1将一个字符串常量或另一个串变量的值赋给一个串变量，是创建和初始化串的基本操作串的比较2比较两个串的大小关系，通常基于字典序进行比较，判断两个串是否相等或哪个串更大串的连接3将两个或多个串连接成一个新串，是扩展和组合字符串的常用操作求子串4从一个串中提取指定位置和长度的子串，是分析和处理字符串的常用操作串的存储结构顺序存储链式存储使用一块连续的内存空间存储串中的字符，可以方便地访问串使用链表存储串中的字符，每个结点存储一个或多个字符链中的任意字符顺序存储分为定长顺序存储和变长顺序存储两式存储可以灵活地分配内存空间，但访问字符的效率较低种方式顺序存储结构定长顺序存储变长顺序存储预先分配固定大小的内存空间存储串，1根据串的实际长度动态分配内存空间，如果串的长度超过预分配的空间，则会可以有效地利用内存资源变长顺序存2发生溢出定长顺序存储的优点是操作储的灵活性更高，但操作相对复杂简单，效率高，但缺点是存在空间浪费定长顺序存储缺点1存在空间浪费，如果串的实际长度远小于预分配的空间，则会浪费大量的内存资源定长顺序存储不适合存储长度变化较大的串优点2操作简单，效率高，可以直接通过下标访问串中的任意字符定长顺序存储适合存储长度固定的串变长顺序存储灵活性1灵活性更高，可以根据串的实际长度动态调整内存空间的大小，避免了空间浪费内存2动态分配内存，根据需要分配和释放内存，可以有效地利用内存资源链式存储结构单字符链表块链表每个结点存储一个字符，使用指针连接各个结点单字符链表的每个结点存储多个字符，可以有效地提高存储密度块链表平衡优点是灵活性高，可以方便地插入和删除字符，但缺点是存储密了灵活性和存储效率，是链式存储的常用方式度低，需要额外的空间存储指针单字符链表每个结点存储密度灵活性123每个结点存储一个字符，使用指针存储密度低，需要额外的空间存储灵活性高，可以方便地插入和删除连接各个结点单字符链表的优点指针单字符链表不适合存储大量字符，适用于频繁修改的字符串数是灵活性高，可以方便地插入和删的字符串数据据除字符块链表多个字符存储效率每个结点存储多个字符，可以有平衡了灵活性和存储效率，是链效地提高存储密度块链表可以式存储的常用方式块链表既可根据实际需要调整每个结点存储以方便地插入和删除字符，又可的字符个数以有效地利用内存空间实际应用块链表在实际应用中广泛使用，例如文本编辑器、数据库系统等块链表可以有效地处理大量的字符串数据串的基本操作实现StrAssign StrCompareStrLength Concat赋值操作，将一个字符串常量赋比较操作，比较两个串的大小关求长度操作，返回串的长度，即连接操作，将两个串连接成一个给一个串变量赋值操作是创建系，通常基于字典序进行比较串中字符的个数求长度操作用新串连接操作是扩展和组合字和初始化串的基本操作比较操作用于判断两个串是否相于获取串的基本信息符串的常用操作等或哪个串更大SubString求子串操作，从一个串中提取指定位置和长度的子串求子串操作是分析和处理字符串的常用操作（赋值）操作StrAssign功能1将一个字符串常量赋给一个串变量，是创建和初始化串的基本操作赋值操作可以使用等号（=）或其他赋值函数实现实现思路2根据串的存储结构，将字符串常量中的字符逐个复制到串变量的存储空间中需要考虑串变量的存储空间是否足够，以及字符串常量的长度代码示例3可以使用C语言的strcpy函数实现字符串的赋值操作strcpy函数将源字符串复制到目标字符串，直到遇到空字符（\0）为止（比较）操作StrCompare功能比较两个串的大小关系，通常基于字典序进行比较比较操作用于判断两个串是否相等或哪个串更大比较结果可以使用返回值表示，例如0表示相等，正数表示第一个串大于第二个串，负数表示第一个串小于第二个串实现思路逐个比较两个串中对应位置的字符，直到遇到不同的字符或其中一个串结束如果遇到不同的字符，则根据字符的大小关系判断串的大小关系如果两个串的字符都相同，但长度不同，则长度较短的串较小代码示例可以使用C语言的strcmp函数实现字符串的比较操作strcmp函数逐个比较两个字符串中的字符，直到遇到不同的字符或其中一个字符串结束返回值表示两个字符串的大小关系（求长度）操作StrLength实现思路根据串的存储结构，遍历串中的字符，2统计字符的个数如果是顺序存储结功能构，则可以直接访问存储长度的变量如果是链式存储结构，则需要遍历链1返回串的长度，即串中字符的个数求表，统计结点的个数长度操作用于获取串的基本信息，例如代码示例判断串是否为空或计算串的存储空间可以使用C语言的strlen函数实现字符3串的求长度操作strlen函数遍历字符串中的字符，直到遇到空字符（\0）为止，返回字符的个数（连接）操作Concat功能将两个串连接成一个新串，是扩展和组合字符串的常用操作连接操作可以将多个字符1串拼接在一起，形成更长的字符串实现思路2创建一个新的串变量，将两个串中的字符依次复制到新串的存储空间中需要考虑新串的存储空间是否足够，以及两个串的长度代码示例3可以使用C语言的strcat函数实现字符串的连接操作strcat函数将源字符串连接到目标字符串的末尾，直到遇到空字符（\0）为止（求子串）操作SubString功能1从一个串中提取指定位置和长度的子串求子串操作是分析和处理字符串的常用操作，例如提取文件名、分割字符串等实现思路2创建一个新的串变量，将原串中指定位置和长度的字符复制到新串的存储空间中需要考虑起始位置和长度的有效性，以及新串的存储空间是否足够代码示例3可以使用C语言的strncpy函数实现字符串的求子串操作strncpy函数将源字符串中指定位置和长度的字符复制到目标字符串，直到达到指定的长度或遇到空字符（\0）为止串的模式匹配定义应用常见算法在主串中查找与模式串相同的子串模文本编辑、信息检索等，例如在文本编BF算法、KMP算法等BF算法是朴素的式匹配是字符串处理中的核心问题，广辑器中查找指定的字符串，或在搜索引匹配算法，KMP算法是高效的匹配算泛应用于文本搜索、病毒检测等领域擎中查找包含关键词的网页法，可以避免不必要的回溯（）算法BF Brute-Force朴素匹配实现原理12朴素的匹配算法，也称为暴力从主串的第一个字符开始，逐匹配算法BF算法的思想简个与模式串中的字符比较如单直观，容易理解和实现果遇到不匹配的字符，则主串回溯到下一个字符，重新开始比较时间复杂度3时间复杂度为Om*n，其中m为主串的长度，n为模式串的长度在最坏情况下，BF算法需要比较m-n+1次，每次比较n个字符算法实现步骤BF开始比较从主串的第一个字符开始，与模式串的第一个字符比较逐个比较逐个字符比较，如果遇到不匹配的字符，则停止比较主串回溯不匹配时主串回溯，回到下一个字符，重新开始比较重复直到重复以上步骤，直到找到匹配的子串或遍历完主串算法代码实现BF代码示例关键步骤C可以使用C语言编写BF算法的代码，代码的关键步骤包括主串和模式串的实现字符串的匹配功能代码需要考指针移动、字符的比较和回溯需要虑主串和模式串的长度，以及字符的仔细分析代码的逻辑，确保算法的正比较和回溯确性算法的优缺点BF优点1简单直观，容易理解和实现BF算法的思想简单明了，不需要复杂的预处理和数据结构缺点2效率较低，最坏情况时间复杂度高BF算法在最坏情况下需要比较m-n+1次，每次比较n个字符，时间复杂度为Om*n场景3BF算法适用于小规模的字符串匹配，或对效率要求不高的场景对于大规模的字符串匹配，应选择更高效的算法，例如KMP算法算法简介KMP发明者Knuth、Morris和Pratt共同发明了KMP算法，是一种高效的字符串匹配算法特点避免不必要的回溯，利用已匹配的信息，减少比较次数，提高匹配效率时间复杂度Om+n，其中m为主串的长度，n为模式串的长度KMP算法的时间复杂度优于BF算法算法核心思想KMP匹配表构建部分匹配表（next数组），指导主2利用信息串指针的移动next数组存储了模式串的前缀和后缀的最大公共元素长度，用1于指导主串指针的回溯位置利用已匹配的信息，避免不必要的回溯，减少比较次数，提高匹配效率KMP算法充分利用了模式串的信息，减少比较减少了冗余的比较减少无效比较，提高匹配效率KMP算3法可以有效地减少无效的比较，提高匹配效率部分匹配表（数组）next作用1指导主串指针的移动，当模式串与主串不匹配时，根据next数组的值，将模式串向右移动一定的距离，避免不必要的回溯长度2模式串的前缀和后缀最大公共元素长度，表示模式串的前缀和后缀的最大相同长度next数组的值越小，表示模式串的回溯距离越短定义3存储了模式串的信息，用于指导匹配过程next数组是KMP算法的核心，用于提高匹配效率数组的构建next算法步骤1根据模式串的特点，计算next数组的值可以使用动态规划的思想，从模式串的第一个字符开始，逐个计算next数组的值代码实现2可以使用C语言编写计算next数组的代码，实现模式串的预处理代码需要考虑模式串的长度，以及前缀和后缀的比较图解说明3通过图解说明next数组的构建过程，帮助理解算法的原理可以使用示意图，展示模式串的前缀和后缀，以及最大公共元素长度的计算过程算法匹配过程KMP利用指针移动成功判断next利用next数组进行匹配，当模式串与主失配时的指针移动，根据next数组的匹配成功的判断，当模式串完全匹配主串不匹配时，根据next数组的值，将模值，调整模式串的指针位置，继续与主串的某个子串时，表示匹配成功，返回式串向右移动一定的距离，避免不必要串进行比较指针移动的距离取决于子串的起始位置的回溯next数组的值算法代码实现KMP语言C1可以使用C语言编写KMP算法的代码，实现字符串的匹配功能代码需要考虑主串和模式串的长度，以及next数组的使用步骤解析2代码的关键步骤包括next数组的计算、主串和模式串的指针移动，以及匹配成功的判断需要仔细分析代码的逻辑，确保算法的正确性算法优化KMP改进next改进的next数组，可以进一步提高匹配效率改进的next数组考虑了模式串的更多信息，可以更准确地指导主串指针的移动优化匹配优化后的匹配过程，可以减少比较次数，提高匹配效率优化后的匹配过程减少了冗余的比较，提高了匹配效率算法算法BF vsKMP复杂度适用场景实际应用时间复杂度对比，BF算法的时间复杂度为适用场景分析，BF算法适用于小规模的字实际应用中的选择，根据实际情况选择合Om*n，KMP算法的时间复杂度为符串匹配，或对效率要求不高的场景适的匹配算法需要综合考虑时间复杂Om+nKMP算法的时间复杂度优于BF KMP算法适用于大规模的字符串匹配，或度、空间复杂度、代码实现难度等因素算法对效率要求高的场景串的其他常见操作串的插入1在主串的指定位置插入子串，扩展字符串的常用操作串的删除2删除主串中的一个子串，缩减字符串的常用操作串的替换3用新串替换主串中的子串，修改字符串的常用操作串的插入操作功能在主串的指定位置插入子串，扩展字符串的常用操作插入操作可以将新的字符串添加到原字符串中实现思路创建一个新的串变量，将主串中插入位置之前的字符复制到新串，然后将子串复制到新串，最后将主串中插入位置之后的字符复制到新串代码示例可以使用C语言编写串的插入操作的代码，实现字符串的插入功能代码需要考虑插入位置的有效性，以及新串的存储空间是否足够串的删除操作实现思路创建一个新的串变量，将主串中需要保2留的字符复制到新串需要考虑删除位功能置和长度的有效性，以及新串的存储空1间是否足够删除主串中的一个子串，缩减字符串的代码示例常用操作删除操作可以将指定的字符串从原字符串中移除可以使用C语言编写串的删除操作的代码，实现字符串的删除功能代码需要3考虑删除位置和长度的有效性，以及新串的存储空间是否足够串的替换操作功能用新串替换主串中的子串，修改字符串的常用操作替换操作可以将指定的字符串替换1为新的字符串实现思路2首先在主串中找到需要替换的子串，然后将新串复制到子串的位置需要考虑新串的长度是否与子串的长度相等，以及主串的存储空间是否足够代码示例3可以使用C语言编写串的替换操作的代码，实现字符串的替换功能代码需要考虑新串的长度是否与子串的长度相等，以及主串的存储空间是否足够串在编程语言中的应用语言C1C语言中的字符串处理，使用字符数组和字符串处理函数，例如strlen、strcpy、strcat、strcmp等C++2C++中的string类，提供动态管理内存的字符串对象，支持赋值、连接、比较等常用操作Java3Java中的String类，提供不可变的字符串对象，支持length、charAt、substring等常用方法可以使用StringBuilder和StringBuffer类进行字符串的修改操作语言字符串处理函数Cstrlen strcpystrcat strcmp求字符串长度，返回字符串字符串复制，将源字符串复字符串连接，将源字符串连字符串比较，比较两个字符中字符的个数，不包括空字制到目标字符串strcpy函接到目标字符串的末尾串的大小关系strcmp函符（\0）strlen函数是C数将源字符串中的字符逐个strcat函数将源字符串中的数逐个比较两个字符串中的语言中常用的字符串处理函复制到目标字符串，直到遇字符逐个添加到目标字符串字符，直到遇到不同的字符数到空字符（\0）为止的末尾，直到遇到空字符或其中一个字符串结束返（\0）为止回值表示两个字符串的大小关系中的类C++string动态管理常用操作12动态管理内存，可以根据字符常用操作包括赋值、连接、比串的长度自动分配和释放内存较等string类提供了丰富的空间string类避免了C语言成员函数，方便字符串的操中字符数组的长度限制问题作风格区别C3与C风格字符串的区别，string类是对象，具有成员函数和运算符重载，可以更方便地进行字符串操作C风格字符串是字符数组，需要使用字符串处理函数进行操作中的类Java String不可变性常用方法不可变性，String对象一旦创常用方法包括length、建，就不能被修改每次修改字charAt、substring等符串都会创建一个新的String对length方法返回字符串的长象这种设计可以提高字符串的度，charAt方法返回指定位置安全性和效率的字符，substring方法返回指定位置的子串StringBuilderStringBuilder和StringBuffer类的使用，用于进行字符串的修改操作StringBuilder和StringBuffer类是可变的字符串对象，可以高效地进行字符串的插入、删除和替换操作串的高级应用文本编辑器信息检索生物信息学文本编辑器，用于编辑信息检索系统，用于搜生物信息学中的DNA序文本文件，例如查找、索信息，例如关键词匹列匹配，用于分析DNA替换、自动补全、语法配、模糊搜索、相似度序列，例如查找基因、高亮等功能都需要使用计算等都需要使用串的比较序列等都需要使用串的操作操作串的操作文本编辑器中的串操作查找和替换1查找和替换功能，用于在文本中查找指定的字符串，并将其替换为新的字符串查找和替换功能是文本编辑器中最常用的功能之一自动补全2自动补全，根据用户输入的字符，自动提示可能的单词或短语自动补全功能可以提高用户的输入效率语法高亮3语法高亮，根据编程语言的语法规则，将代码中的关键字、变量、运算符等以不同的颜色显示语法高亮功能可以提高代码的可读性信息检索系统中的串应用关键词匹配关键词匹配，根据用户输入的关键词，在文档中查找包含关键词的文档关键词匹配是信息检索系统中最基本的功能之一模糊搜索模糊搜索，根据用户输入的关键词，在文档中查找与关键词相似的文档模糊搜索可以提高搜索的准确性相似度计算相似度计算，计算两个文档之间的相似程度相似度计算可以用于文档聚类、推荐系统等序列匹配DNA特殊匹配特殊的匹配算法，例如Smith-2Waterman算法、Needleman-Wunsch生物应用算法等，用于处理DNA序列的特殊性，1例如插入、删除、突变等生物信息学中的应用，用于分析DNA序列，例如查找基因、比较序列等DNA数据处理序列匹配是生物信息学中的重要研究方向大规模数据处理，需要处理大量的DNA序列数据，需要高效的算法和数据结3构大规模数据处理是DNA序列匹配中的挑战之一串匹配算法的进阶算法Rabin-Karp1算法2Sunday算法3Boyer-Moore算法Boyer-Moore基本思想1从右向左比较，与BF算法和KMP算法不同，Boyer-Moore算法从模式串的末尾开始比较规则2坏字符规则和好后缀规则，用于指导模式串的移动坏字符规则根据主串中不匹配的字符，将模式串向右移动一定的距离好后缀规则根据模式串中已匹配的后缀，将模式串向右移动一定的距离时间复杂度3时间复杂度分析，在最坏情况下，Boyer-Moore算法的时间复杂度为Om*n，但在平均情况下，Boyer-Moore算法的时间复杂度优于BF算法和KMP算法算法Sunday特点实现原理算法比较简单高效，易于实现，不需要复杂的预根据主串中与模式串对齐的下一个字与其他算法的比较，Sunday算法在平均处理和数据结构Sunday算法是一种改符，将模式串向右移动一定的距离情况下具有较好的性能，但在最坏情况进的字符串匹配算法Sunday算法的移动距离取决于模式串中下，其性能可能不如KMP算法是否包含该字符，以及该字符在模式串中的位置算法Rabin-Karp哈希函数滚动哈希12哈希函数的应用，将字符串映滚动哈希技术，用于快速计算射为哈希值，用于快速比较字子串的哈希值滚动哈希技术符串是否相等哈希函数需要可以减少计算量，提高匹配效具有良好的分布性，以避免哈率希冲突模式匹配3多模式串匹配，Rabin-Karp算法可以用于多模式串匹配，即在一个主串中查找多个模式串压缩算法中的串应用编码和Huffman LZ77LZ78Huffman编码，一种无损压缩算LZ77和LZ78算法，两种经典的法，根据字符出现的频率，构建无损压缩算法，利用字符串的重Huffman树，生成变长编码复性进行压缩LZ77算法使用滑Huffman编码可以有效地压缩文动窗口，LZ78算法使用字典本数据游程编码游程编码（RLE），一种简单的无损压缩算法，将连续重复的字符替换为字符和重复次数游程编码适用于压缩包含大量重复字符的数据字符串哈希函数设计冲突处理字符串匹配哈希函数设计，需要选冲突处理，当不同的字在字符串匹配中的应择合适的哈希函数，以符串具有相同的哈希值用，可以使用字符串哈保证字符串的哈希值具时，需要使用冲突处理希快速比较字符串是否有良好的分布性，避免方法解决冲突常用的相等字符串哈希可以哈希冲突常用的哈希冲突处理方法包括链地提高字符串匹配的效函数包括多项式哈希函址法、开放地址法等率数、FNV哈希函数等树（字典树）Trie结构特点1结构特点，Trie树是一种树形数据结构，用于存储字符串集合Trie树的每个结点表示一个字符，从根结点到叶子结点的路径表示一个字符串构建过程2构建过程，将字符串逐个插入到Trie树中插入字符串时，从根结点开始，逐个字符地遍历Trie树，如果遇到不存在的字符，则创建新的结点字符串处理3在字符串处理中的应用，Trie树可以用于字符串的查找、前缀匹配、自动补全等Trie树可以高效地处理大量的字符串数据自动机AC多模式串多模式串匹配，AC自动机可以用于多模式串匹配，即在一个主串中查找多个模式串树与Trie KMPTrie树与KMP的结合，AC自动机结合了Trie树和KMP算法的优点，可以高效地进行多模式串匹配文本过滤在文本过滤中的应用，AC自动机可以用于文本过滤，例如过滤敏感词、广告等后缀数组和后缀树作用2在字符串处理中的作用，后缀数组和后定义和构造缀树可以用于字符串的查找、最长公共子串、最长重复子串等定义和构造，后缀数组和后缀树是用于1存储字符串后缀的数据结构后缀数组是字符串所有后缀的排序结果，后缀树实际应用是字符串所有后缀的树形表示实际应用案例，后缀数组和后缀树在生3物信息学、文本处理等领域有广泛的应用字符串处理的效率优化并行处理1算法选择2内存管理3大规模字符串处理流式处理1外部存储2分布式系统3字符串处理的未来发展量子计算技术新型结构AI量子计算在字符串匹配中的应用，量子AI技术与自然语言处理，AI技术可以用于新型数据结构的探索，探索新型数据结计算可以提高字符串匹配的效率，例如自然语言处理，例如文本分类、情感分构，以提高字符串处理的效率例如，使用Grover算法进行字符串匹配析、机器翻译等AI技术可以提高字符基于神经网络的数据结构可以用于字符串处理的智能化水平串处理实践练习题目分析实现要点优化建议123经典题目分析，分析经典的字符串编程实现要点，总结编程实现字符常见错误和优化建议，总结常见的处理题目，例如最长公共子串、最串处理题目的要点，例如字符串的字符串处理题目中的错误，并提出长重复子串等通过分析经典题存储结构、字符串处理函数的使优化建议，以提高代码的效率和鲁目，可以提高解决实际问题的能用、算法的选择等棒性力串结构在工程中的应用案例搜索引擎拼写检查搜索引擎的实现，搜索引擎需要拼写检查器的设计，拼写检查器使用大量的字符串处理技术，例需要使用字符串的相似度计算技如关键词匹配、模糊搜索、相似术，例如编辑距离、Jaro-度计算等搜索引擎是串结构在Winkler距离等拼写检查器可工程中的重要应用案例以提高文本的准确性数据压缩数据压缩软件的开发，数据压缩软件需要使用字符串的压缩算法，例如Huffman编码、LZ77算法、LZ78算法等数据压缩软件可以减少存储空间和传输带宽总结回顾概念算法比较发展方向串的基本概念和操作，主要匹配算法比较，比高级应用和发展方向，回顾串的定义、特点、较BF算法、KMP算法、展望字符串处理技术在存储结构和基本操作Boyer-Moore算法、未来的发展方向，例如理解串的基本概念和操Sunday算法和Rabin-量子计算、AI技术和新作是掌握字符串处理技Karp算法的优缺点选型数据结构关注字符术的基础择合适的匹配算法可以串处理技术的未来发展提高字符串匹配的效可以保持技术的先进率性问答环节资源推荐1学习资源推荐，推荐学习字符串处理技术的书籍、网站和课程选择合适的学习资源可以提高学习效率学习建议2进一步学习建议，建议学习更高级的字符串处理技术，例如后缀数组、后缀树和AC自动机学习更高级的字符串处理技术可以提高解决复杂问题的能力互动讨论3互动讨论，与听众进行互动讨论，解答听众的问题，加深听众对字符串处理技术的理解互动讨论可以提高学习效果。