​LeetCode刷题实战44:通配符匹配

程序IT圈

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2020-09-21 09:02

算法的重要性,我就不多说了吧,想去大厂,就必须要经过基础知识和业务逻辑面试+算法面试。所以,为了提高大家的算法能力,这个公众号后续每天带大家做一道算法题,题目就从LeetCode上面选 !

今天和大家聊的问题叫做 通配符匹配,我们先来看题面:

https://leetcode-cn.com/problems/wildcard-matching/

Given an input string (s) and a pattern (p), implement wildcard pattern matching with support for '?' and '*'.

题意


给定一个字符串 (s) 和一个字符模式 (p) ,实现一个支持 '?' 和 '*' 的通配符匹配。
'?' 可以匹配任何单个字符。
'*' 可以匹配任意字符串(包括空字符串)。
两个字符串完全匹配才算匹配成功。
说明:
s 可能为空,且只包含从 a-z 的小写字母。
p 可能为空,且只包含从 a-z 的小写字母,以及字符 ? 和 *。

样例

示例 1:

输入:
s = "aa"
p = "a"
输出: false
解释: "a" 无法匹配 "aa" 整个字符串。

示例 2:

输入:
s = "aa"
p = "*"
输出: true
解释: '*' 可以匹配任意字符串。

示例 3:

输入:
s = "cb"
p = "?a"
输出: false
解释: '?' 可以匹配 'c', 但第二个 'a' 无法匹配 'b'

示例 4:

输入:
s = "adceb"
p = "*a*b"
输出: true
解释: 第一个 '*' 可以匹配空字符串, 第二个 '*' 可以匹配字符串 "dce".

示例 5:

输入:
s = "acdcb"
p = "a*c?b"
输出: false


解题

来源:
https://www.cnblogs.com/techflow/p/12590923.html

题意很简单,给定两个字符串s和p,其中s是母串,p是模式串。简单解释一下这两个概念,这两个概念一般出现在字符串匹配的问题当中。有些同学可能不太理解,我们打个不恰当的比方,我们可以把母串想象成锁,把模式串想象成钥匙。一些万能钥匙可以打开多把锁,也就是说钥匙是可以变化的,锁是固定的。我们要判断的就是模式串能不能匹配上母串,也就是钥匙能不能打开锁。
在模式串p当中可能出现两种特殊字符,一种是?,它表示匹配任何单一字符。还有一种是*,它表示匹配任何一串字符,包括空字符串。所以这个*看起来非常强大,一个可以任意匹配。但是这题当中有一个限制,s和p必须要是完全匹配,不能是部分匹配。也就是说p当中的所有字符都要用上,举个例子,s串是aab,p串是*c。虽然*就足够匹配s串的所有内容,但是由于之后跟了一个c没有用上,所以不能算是合法匹配。
为了简化说明,我们用si表示s串的第i个字符,pi表示p串的第i个字符。

搜索

我们还是先从简单的方法构思,最先思考暴力的解法,很容易发现在这道题当中没有办法简单粗暴地暴力计算。原因也很简单,因为当出现*这个符号的时候,我们不知道它究竟应该匹配多长的字符串。可以是0,也可以是长度任意一只匹配到结尾。
为了解决这个问题,最好的办法就是都试一试,枚举一下*这个符号应该匹配的长度。但是由于*的数量可能不止一个,如果出现多个的话,由于前后会互相影响,并且前后之间存在顺序,也就是说*这个符号如何匹配的决策不是一起做的,而是有先后的。就和八皇后当中的皇后不是一起摆放的,而是有先后顺序的,如果我们把*看成是皇后,其实这已经是比较明显的搜索问题了。
如果想通了,把这题当成是搜索问题来解决的话,其实并不算困难,其实就是简单的枚举。
我们搜索s和p串匹配的位置,我们用si表示s串当前需要匹配的字符,pi表示p串当前需要匹配的字符。如果pi位置的字符不是*,那么情况比较有限,我们只需要判断上下界以及是否匹配即可。如果pi的位置是*,那么情况会复杂一些,因为*的出现意味着三种决策。
第一种决策是不使用*来匹配当前位置的si,在这种情况下意味着我们抛弃这个*,但是si还是没有找到匹配的对象,所以si不能移动,从这点出发,我们可以得到下一个转移到的位置是si,pi+1。即p当中的指针移动了一位,但是s中的指针保持不动,等待继续匹配。
第二种决策是只匹配当前的si,不再匹配si之后的内容。在这种情况下,我们只需要把*当成是一个正常的字符处理就好了,那么我们应该转移到的位置是si+1,pi+1。也就是说s和p当中的指针各自移动了一位。
第三种决策是*不止匹配当前的si,并且还会继续往下匹配,在这种情况下我们需要保持pi的位置不动,只移动si,也就是说我们会转移到si+1和pi。
但是我们仔细分析一下,会发现其实这三种情况是可以合并的。在第二种情况中,我们只匹配当前位置,其实这等价于我们在当前位置执行第三种策略,在转移之后的位置执行策略1。
举个例子:比如s串是abc,p串是a*c。我们在匹配第二个字符的时候,执行策略3,于是跳转到2, 1。也就是si是c,pi仍然是*,这个时候我们再执行策略1,则会跳转到2,2,和我们在一开始的时候执行策略2是一致的。这样在*出现很多的时候可以减少决策过程,起到加速的作用。
最后,由于这是一道搜索答案存不存在的问题,并不需要我们找到所有的解。在这种情况下,使用bfs会比dfs效率更高,但遗憾的是这两种方法我都试过了,都无法通过,因为会超时。可能这是Python的原因(解释型语言执行效率低),因为我用C++是可以过的。
虽然过不了,但是思路是对的,不介意的话可以看下代码:
class Solution:

def isMatch(self, s: str, p: str) -> bool:
n, m = len(s), len(p)
if m == 1and p[0] == '*':
returnTrue
import queue
que = queue.Queue()
que.put((0, 0))
whilenot que.empty():
si, pi = que.get()
if si == n andpi == m:
returnTrue
# 如果s串已经匹配完了,p串还没结束
# 需要特判一下p串当中是否是*
# 如果p串的末尾都是*,那么也是可以匹配的
if si == n:
if p[pi] == '*':
que.put((si, pi + 1))
continue
continue
elifpi >= m:
continue
# 如果没有出现*,那么我们判断能否匹配
elif p[pi] == '?'or p[pi] == s[si]:
que.put((si + 1, pi + 1))
continue
# 否则的话分两种情况往下
elif p[pi] == '*':
que.put((si, pi + 1))
que.put((si+1, pi))
returnFalse

动态规划

虽然上面的方法无法通过,但其实已经给了我们很多启发了,如果我们把上面提到的si和pi看成是状态的话,虽然我们是用bfs实现的,但本质上已经是动态规划的思想了。
在一些动态规划的问题当中,我们也是通过队列来维护状态的。我们会将合法的状态全部存储在队列当中,当我们通过状态和决策转移到新的合法状态的时候,我们继续插入队列。所以从这个角度来说动态规划和搜索问题本质是类似的,或者更准确一点说动态规划只是一种思想,它实现的载体可以多种多样,既可以是使用数组递推,也可以是使用数据结构维护状态。这一点非常重要,也是我们动态规划进阶的基础。
我们为什么会超时?
如果我们把刚才搜索的思路看成是动态规划的话,会发现这是一个顺推的动态规划。简单介绍一下,动态规划的状态和转移虽然每题当中都不尽相同,但是整体的思路只有两种。一种叫做顺推,一种是逆推
在顺推思路当中,我们记录所有合法的状态,然后从合法的状态出发,通过决策进行转移,将转移得到的状态记录下来留待后续继续转移。如果我们把这些状态串联起来的话,会发现我们是顺着一个逻辑上的顺序执行的,所以称为顺推。逆推则恰恰相反,我们遍历未知的状态,通过状态之间的转移关系,探索它的源头,从而确定当前未知状态的结果。也就是说一个是从已知到未知,另一个是先获得未知再探索它已知的来源。
为什么在这题当中顺推不行呢?因为当*出现的时候,我们继续往下推进的状态当中仍然有*。比如当我们决定使用*来匹配si的时候,我们会转移到si+1,pi状态。在后序的状态当中同样包含了*,又会面临更多的状态。这些状态中间很多会出现重叠,并且这些重叠的状态当中有很多是剪枝也无法解决的,比如p串当中一连串的*。这个时候我们就可以换换角度思考一下逆推了。
常规套路,我们用dp[i][j]记录s[:i+1]和p[:j+1]匹配的状态,那么这个dp[i][j]可能是哪些状态转移过来的呢?其实非常有限,如果si和pi能够匹配,那么它可以从dp[i-1][j-1]转移过来。如果不匹配,我们需要判断一下pi是否是*。如果是的话,则有两种情况,一种是*匹配空,把si交给pi-1,所以可以从dp[i][j-1]转移得到。另一种是匹配si,由于*可以匹配的数量不止一个,所以这时候可以从dp[i-1][j]转移得到。由于每个i,j的状态来源非常有限,只有有限的几种,所以我们完全可以枚举所有的i,j进行倒推,这样的复杂度就是O(nm),是完全可控的。
把上面这段话梳理清楚的话,这就是一个非常明显的动态规划问题了。
我们来看代码,从代码当中获得更多细节吧。
class Solution:

def isMatch(self, s: str, p: str) -> bool:
n, m = len(s), len(p)
if m == 1and p[0] == '*':
return True
s = ' ' + s
p = ' ' + p
# 注意下标,第一个range里的是列数,第二个range里的是行数
# 申请一个dp[n][m]的数组
dp = [[False for _ in range(m+2)] for _ in range(n+2)]
dp[0][0] = True
# i从0开始,因为p的开头出现*可以匹配空串
for i in range(0, n+1):
for j in range(1, m+1):
# si和pj匹配
if s[i] == p[j] or p[j] == '?':
dp[i][j] = dp[i-1][j-1] if i > 0elseFalse
continue
# pj出现*,这时候判断上游能否有合法的转移
if p[j] == '*':
dp[i][j] = (dp[i-1][j] if i > 0elseFalse) | dp[i][j-1]
return dp[n][m]
这段代码虽然短,但是其中的细节不少,包括下标以及边界等条件。所以建议大家理解思路之后上手写过再来对照代码进行思考,相信会有更多收获。因为很多细节可能是需要看到了错误的case进行思考之后才会明白,这也是LeetCode当中一个比较好的点,可以看到测试数据,可以知道自己错在哪里。

好了,今天的文章就到这里,如果觉得有所收获,请顺手点个在看或者转发吧,你们的支持是我最大的动力。


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