字符串学习笔记·哈希(Hash)与字典树(Trie)

时间:2022-12-30 14:40:01

这篇博客我打算皮一下qwq,适合初学者阅读(因为讲的是在太细了)

一、首先理解字符串操作的意义:

没意义

emmmmmm其实字符串操作的意义是很浅显的,比如百度的推荐搜索啊,比如查找比对一篇题解里有多少个相同或者不同的脏字然后kkksc03再根据其数量、恶劣程度决定用多大的刀将博主kill掉。。。所以字符串操作很重要啊喂qwq。

再来考虑时间:如果百度对于一个人的一次“常搜”推荐需要10s,那么对于全国网友来说,同时上网的人群基数很高,那么如果服务器性能不好的话,怕不是要三星note7 qwq???

所以啊,打造高效的字符串算法是很有必要滴!

二、言归正传,浅析字符串哈希

哈希其实是所有字符串操作中,笔者认为最简单的操作了(except输入输出qwq)。哈希的过程,其实可以看作对一个串的单向加密过程,并且需要保证所加的密不能高概率重复(就像不能让隔壁老王轻易地用它家的钥匙打开你家门一样qwq),通过这种方式来替代一些很费时间的操作。

比如,最常见的,当然就是通过哈希数组来判断几个串是否相同(洛谷P3370)。此处的操作呢,很简单,就是对于每个串,我们通过一个固定的转换方式,将相同的串使其的“密”一定相同,不同的串 尽量 不同。

此处有人指出:那难道不能先比对字符串长度,然后比对ASCLL码之和吗?事实上显然是不行的(比如ab和ba,并不是同一个串,但是如是做却会让其认为是qwq)。这种情况就叫做 h a s h 冲突,并且在如此的单向加密哈希中, h a s h 冲突的情况在所难免(bzoj就有这种让你给出一组样例,使得一段哈希代码冲突的题,读者可以尝试尝试)。

而我们此处介绍的,即是最常见的一种哈希:进制哈希。进制哈希的核心便是给出一个固定进制 b a s e ,将一个串的每一个元素看做一个进制位上的数字,所以这个串就可以看做一个 b a s e 进制的数,那么这个数就是这个串的哈希值;则我们通过比对每个串的的哈希值,即可判断两个串是否相同

奉上 P 3370 a c 代码(单哈希):

 #include<iostream>
#include<cstring>
#include<algorithm>
#include<cstdio>
using namespace std;
typedef unsigned long long ull;
ull base=131;
ull a[10010];
char s[10010];
int n,ans=1;
int prime=233317;
ull mod=212370440130137957ll;
ull hashe(char s[])
{
int len=strlen(s);
ull ans=0;
for (int i=0;i<len;i++)
ans=(ans*base+(ull)s[i])%mod+prime;
return ans;
}
int main()
{
scanf("%d",&n);
for(int i=1;i<=n;i++)
{
scanf("%s",s);
a[i]=hashe(s);
}
sort(a+1,a+n+1);
for(int i=1;i<n;i++)
{
if(a[i]!=a[i+1])
ans++;
}
printf("%d",ans);
}

当然,再好的哈希也会有冲突,此时有两种做法可以解决或者降低哈希冲突的可能性.

1、无错哈希

其实原理很简单,就是我们要记录每一个已经诞生的哈希值,然后对于每一个新的哈希值,我们都可以来判断是否和已有的哈希值冲突,如果冲突,那么可以将这个新的哈希值不断加上一个大质数,直到不再冲突(比如somebody’s birthday qwq)。

先贴代码:

for(int i=1;i<=m;i++)//m个串
{
cin>>str;//下一行的check为bool型
if(check[hash(str)])hash[i]+=19260817;
hash[i]+= hash(str) ;
}

当然啦,如果你用递归的形式加上大质数,直到不能加也是极好的啦!其实就是懒得写

但是,这种方法类似桶查找,但是桶查找的弊端2就会很恶心——数据过大, c h e c k 数组无能为力来支持上亿个空间(弊端1是由于数据具有跳跃性,浪费最后的统计次数,但在此不是特别明显,就当我皮了一下qwq)

2、多重哈希

这其实就是你用不同的两种或多种方式哈希,然后分别比对每一种哈希值是否相同——显然是增加了空间和时间,但也确实增加了其正确性。

下面皮一个哈希自动机qwq(不用百度了,名字自己起的)

//哈希自动机,需要二维hash数组 
for伪代码排序,用来使哈希值单调(更好判断相/不同的数量)
for(int i=1;i<=m;i++)
{
check=1
for(int j=1;j<=qwq;j++)//皮一下
{
if(hash[j][i]==hash[j][i+1]){check=0;break;}
}
if(check)ans++;//此为判断相同个数
}

三、字典树浅析

1、简要介绍

首先要知道,字典树是一种假想数据结构(数据结构不都是
假想的吗qwq),那么问题来了——为什么是要用字典树呢?为什么不用类似字典链表之类的东西呢?很简单,所有树形结构
都有一个基本特点,就是

元素与元素间的关系为继承的一对多关系

拿字典树来说,每一个元素都可以有几个子元素,作为它之后的字母;而倘若要比对两个字符串是否相同,只需要比对在这棵字典树上,这两个串最后一个元素的祖先链是否相同,并且对于祖先链来说,并不用逐个比较,只需要记录访问就行

(树的时间复杂度大多都是 l o g 级别的emmmm皮这一下很开心快)

2、字典树基础与如何建树(插入操作)

首先,关于字典树,我们不是用点来存储字符的,而是用边——为什么呢?之后再说(十分皮地卖个关子qwq)。

重新首先,一般来说,字典树是不会使用根节点的,原因很浅显,因为根节点的个数决定究竟有几棵字典树,而通常字典树是只有一棵的,否则产生森林会很麻烦(qwq你皮你就splay,并且如果有森林的话应该叫做“字典森林”啊喂)。

但是我们要知道,并不是一个题中所有的串都有公共前缀(肯定不会的吧qwq),可如果根节点唯一,就代表他们一定有公共前缀,并且公共前缀的长度必定大于等于1

其次,字典树中每个节点的子节点数量都肯定会小于某个数。

如果字典树里都是小写字母,那么“某个数”就是26;如果大小写都有,“某个数”就应该是52(证明过程:显然);

并且每个节点的所有的边都不同,这条性质可以便于我们判断在某一棵字典树到底有没有某条链:只要前缀不符合,就不需要再判断,因为必然没有(同一深度、同一父亲,边与边必定互异)

在这里,我选择用结构体来存树,具体解释见注释:

//建树(其实就是存点啦)
struct nodes{
int son[26];
//此处只考虑小写字母字典树
bool mark;
// 此为标记,作用下面说
}trie[10001];
int root=0,num=0;
//根节点永久为0 qwq
bool insert_check(char *str)
{
int position=root;//初始化位置,跟深度没有直接关系
for(int i=0;str[i];i++)
{
int symbol=(int)str[i]-'a';
/*此处实际是因为我们的trie都是存int的,如果贸然存char会
很别扭qwq,并且此处由于都是小写字母,所以 -‘a’ ,如果
存了别的类型的字符,需要特判,保证字符容易确定 */

if(!trie[position].son[symbol]) //还没有被编号
trie[position].son[symbol]=++num;//编一个号

position=trie[position].son[symbol] ;
//更新迭代位置,直到字符链的最末端
}
int temp=trie[position].mark;
trie[position].mark =1;
//将这条链的最末端置为1,如果还有重复的串,那么一定会出现
//最末端相同 ;反之,最末端节点的mark相同也可以推出链相同,
//借此来判断串是否相同
return temp!=0;
/*最后说一下为什么要编号:我们根据程序可以看出,字符串是
按秩插入树,所以一条链上的编号肯定满足单调,便于我们查找
和比对*/

}

于是便可以通过这种方式比对字符串,期望时间复杂度O(n)大多用于比对。

3、关于字典树的查找

查找前缀比较好写,只需要一边判断是否符合要求,一边判断是否继续迭代即可。

“`cpp
int root=0;
bool find(char* str)
{
int pos=root;
for(int i=0;str[i];i++)
{
int x=str[i]-‘a’;
if(trie[pos].son[x]==0)return false;
//如果在建完树之后这个点还没有被编号,
//那么就肯定不存在这条链。(互异性)
pos=trie[pos].son[x] ;//继续迭代
}
return true;
}

“`
其实查询单词和查询前缀差别不大,只是我们每次都需要维护一个 c h e c k [ i ] b o o l ,存在单词链的末尾

每当一个新字符已经被标记时(即所查询单词的这个字母及其前缀都在树的某条链上),我们使这个字符 c h e c k 异于它祖先们的 c h e c k ,最后判断该条匹配链结尾字符的 c h e c k 是否异于链上其他字符的 c h e c k 即可判断是否有这个单词(如果没有的话,末尾的 c h e c k 肯定与链上其他的相同啊qwq)

至于前缀出现次数,很简单,只要将每一个前缀的出现次数存到它相连的子节点,最后输出前缀最后一个字符所带的次数即可(可以用数组维护,也可以直接写在结构体里)

好啦,就是这样,希望对大家有所帮助

日拱一卒,功不唐捐!