Реализации алгоритмов/Алгоритм Ахо — Корасик

Материал из Викиучебника — открытых книг для открытого мира
Перейти к навигации Перейти к поиску

Алгоритм Ахо — Корасик — алгоритм поиска подстроки, разработанный Альфредом Ахо и Маргарет Корасик. Алгоритм реализует поиск множества подстрок из словаря в данной строке.

C++[править]

# include <iostream>
# include <map>
# include <vector>
# include <string>
# include <queue>

using std::string;
using std::map;
using std::vector;
using std::queue;
using std::cin;
using std::cout;
using std::endl;

class BorNode;
typedef map<const char, BorNode *> LinksMap;

// Следующий класс может быть целесообразно поместить внутрь автомата среди приватных полей.
class BorNode {
public:
    LinksMap links;
    BorNode *fail;  // Предыдущее состояние для функции отката. Только для root равно NULL.
    BorNode *term; // Ближайшее терминальное состояние. Если отстутствует - NULL
    int out;

public:
    BorNode(BorNode *fail_node = NULL)
        : fail(fail_node)
        , term(NULL) 
        , out(-1)
    { }

    BorNode* getLink(const char c) const 
    {
        LinksMap::const_iterator iter = links.find(c);
        if (iter != links.cend()) {
            return iter->second;
        }
        else {
            return NULL;
        }
    }

    bool isTerminal() const 
    {
        return (out >= 0);
    }
};

class AhoCorasick
{
public:
    typedef void (*Callback) (const char* substr);
    BorNode root;
    vector<string> words;
    BorNode* current_state;

public:
    void addString(const char* const str) 
    {
        BorNode *current_node = &root;
        for(const char *cp = str; *cp; ++cp) {
            BorNode *child_node = current_node->getLink(*cp);
            if (!child_node) {
                child_node = new BorNode(&root);
                current_node->links[*cp] = child_node;
            }
            current_node = child_node;
        }
        current_node->out = words.size();
        words.push_back(str);
    }

    void init() 
    {
        queue<BorNode *> q;
        q.push(&root);
        while (!q.empty()) {
            BorNode *current_node = q.front();
            q.pop();
            for (LinksMap::const_iterator iter = current_node->links.cbegin();
                 iter != current_node->links.cend(); ++iter)
            {
                const char symbol = iter->first;
                BorNode *child = iter->second;

                // Defining .fail for the childnode
                BorNode *temp_node = current_node->fail;
                while (temp_node) {
                    BorNode *fail_candidate = temp_node->getLink(symbol);
                    if (fail_candidate) {
                        child->fail = fail_candidate;
                        break;
                    }
                    temp_node = temp_node->fail;
                }

                // Defining .term for the childnode using .term of current node
                    if (child->fail->isTerminal()) {
                        child->term = child->fail;
                    }
                    else {
                        child->term = child->fail->term;
                    }
                q.push(child);
            }
        }
    }

    void step(const char c) 
    {
        while (current_state) {
            BorNode *candidate = current_state->getLink(c);
            if (candidate) {
                current_state = candidate;
                return;
            }
            current_state = current_state->fail;
        }
        current_state = &root;
    }

    void printTermsForCurrentState(Callback callback) const 
    {
        if (current_state->isTerminal()) {
            callback(words[current_state->out].c_str());
        }
        BorNode *temp_node = current_state->term;
        while (temp_node) {
            callback(words[temp_node->out].c_str()); 
            temp_node = temp_node->term;
        }
    }

    void search(const char* str, Callback callback) 
    {
        current_state = &root;
        for(; *str; ++str) {
            cout << *str << ':' << endl;
            step(*str);
            printTermsForCurrentState(callback);
         }
    }
};

void print(const char* str)
{
    cout << "found substring " << str << "\n";
}

int main()
{
    AhoCorasick ak;

    ak.addString("test");
    ak.addString("rok");
    ak.addString("roka");
    ak.addString("strok");
    ak.addString("t");

    ak.init();

    ak.search("testovaya_stroka!", print);

    cin.get();

    return 0;
}

Python[править]

# -*- coding: utf-8 -*-


class AhoNode:
    ''' Вспомогательный класс для построения дерева
    '''
    def __init__(self):
        self.goto = {}
        self.out = []
        self.fail = None


def aho_create_forest(patterns):
    '''Создать бор - дерево паттернов
    '''
    root = AhoNode()

    for path in patterns:
        node = root
        for symbol in path:
            node = node.goto.setdefault(symbol, AhoNode())
        node.out.append(path)
    return root


def aho_create_statemachine(patterns):
    '''Создать автомат Ахо-Корасика.
    Фактически создает бор и инициализирует fail-функции
    всех узлов, обходя дерево в ширину.
    '''
    # Создаем бор, инициализируем
    # непосредственных потомков корневого узла
    root = aho_create_forest(patterns)
    queue = []
    for node in root.goto.itervalues():
        queue.append(node)
        node.fail = root

    # Инициализируем остальные узлы:
    # 1. Берем очередной узел (важно, что проход в ширину)
    # 2. Находим самую длинную суффиксную ссылку для этой вершины - это и будет fail-функция
    # 3. Если таковой не нашлось - устанавливаем fail-функцию в корневой узел
    while len(queue) > 0:
        rnode = queue.pop(0)

        for key, unode in rnode.goto.iteritems():
            queue.append(unode)
            fnode = rnode.fail
            while fnode is not None and key not in fnode.goto:
                fnode = fnode.fail
            unode.fail = fnode.goto[key] if fnode else root
            unode.out += unode.fail.out

    return root


def aho_find_all(s, root, callback):
    '''Находит все возможные подстроки из набора паттернов в строке.
    '''
    node = root

    for i in xrange(len(s)):
        while node is not None and s[i] not in node.goto:
            node = node.fail
        if node is None:
            node = root
            continue
        node = node.goto[s[i]]
        for pattern in node.out:
            callback(i - len(pattern) + 1, pattern)


############################
# Демонстрация работы алгоритма
def on_occurence(pos, patterns):
    print "At pos %s found pattern: %s" % (pos, patterns)

patterns = ['a', 'ab', 'abc', 'bc', 'c', 'cba']
s = "abcba"
root = aho_create_statemachine(patterns)
aho_find_all(s, root, on_occurence)

Вывод скрипта:

At pos 0 found pattern: a
At pos 0 found pattern: ab
At pos 0 found pattern: abc
At pos 1 found pattern: bc
At pos 2 found pattern: c
At pos 2 found pattern: cba
At pos 4 found pattern: a

Ссылки[править]