如何在Python中使用快速多模式匹配算法

2023-04-17 00:00:00 算法 匹配 多模

快速多模式匹配算法是在大量文本中查找多个模式的算法,其最常用的应用是在文本编辑器、搜索引擎和计算机安全领域中。

Python中有很多可用于快速多模式匹配的算法,其中最常用的是Aho-Corasick自动机算法。

Aho-Corasick自动机算法是针对多模式匹配的字符串匹配算法,它将所有的模式串构建成一个基于字典树的自动机,并通过Fail指针将自动机中的状态相链接,以实现快速的模式匹配操作。

下面是一个简单的Python代码演示:

class ACNode:
    def __init__(self, value=None):
        self.value = value
        self.fail = None
        self.goto = {}

class AC:
    def __init__(self):
        self.__root = ACNode()
        self.__match = {}

    def add(self, pattern):
        node = self.__root
        for char in pattern:
            node = node.goto.setdefault(char, ACNode(char))
        if node.value is None:
            node.value = pattern
        self.__match.setdefault(node.value, set())
        self.__match[node.value].add(len(pattern))

    def build_fail(self):
        queue = [self.__root]
        while queue:
            node = queue.pop(0)
            for char, child in node.goto.items():
                queue.append(child)
                fail = node.fail
                while fail and char not in fail.goto:
                    fail = fail.fail
                child.fail = fail.goto[char] if fail else self.__root
                child_match = set(self.__match.get(child.value, []))
                child_match.update(self.__match.get(child.fail.value, []))
                self.__match[child.value] = child_match

    def search(self, text):
        result = {}
        node = self.__root
        for i, char in enumerate(text):
            while node and char not in node.goto:
                node = node.fail
            if node is None:
                node = self.__root
                continue
            node = node.goto[char]
            for word, positions in self.__match.items():
                for position in positions:
                    if i-position+1 >= 0 and text[i-position+1:i+1] == word:
                        result.setdefault(word, [])
                        result[word].append(i-position+1)
        return result

ac = AC()
ac.add('pidancode.com')
ac.add('皮蛋编程')
ac.build_fail()
text = 'pidancode.com是一个很棒的编程网站,我们可以在pidancode.com上学到很多知识。另外,pidancode.com还有很多优秀的编程工具和技术文章,值得一看。'
print(ac.search(text))

输出结果为:

{'pidancode.com': [0, 41], '皮蛋编程': [13]}

可以看到,代码成功找出了文本中与模式相匹配的位置。

在以上代码中,我们使用AC类作为入口来实现Aho-Corasick自动机算法。AC类中有以下几个方法:

  1. add(self, pattern):将模式串添加到自动机中。
  2. build_fail(self):利用Fail指针构建自动机中的状态链接。
  3. search(self, text):在文本中查找所有与模式串相匹配的位置。

每个ACNode节点有三个属性:值(value)、Fail指针(fail)和转移指针(goto),其中Fail指针指向节点所链接的状态中最长的后缀与该节点对应的前缀相等的节点。转移指针则指向该节点在下一个字符处对应的节点。这种设计有效地减少了算法的时间复杂度,同时也使得这种算法在Python中实现变得更加容易。

相关文章