在日常应用中,文本比较是一个比较常见的问题。文本比较算法也是一个老生常谈的话题。

文本比较的核心就是比较两个给定的文本(可以是字节流等)之间的差异。目前,主流的比较文本之间的差异主要有两大类。一类是基于编辑距离(Edit Distance)的,例如LD算法。一类是基于最长公共子串的(Longest Common Subsequence),例如Needleman/Wunsch算法等。

LD算法(Levenshtein Distance)又成为编辑距离算法(Edit Distance)。他是以字符串A通过插入字符、删除字符、替换字符变成另一个字符串B,那么操作的过程的次数表示两个字符串的差异。

例如:字符串A:kitten如何变成字符串B:sitting。

第一步:kitten——》sitten。k替换成s

第二步:sitten——》sittin。e替换成i

第三步:sittin——》sitting。在末尾插入g

故kitten和sitting的编辑距离为3

定义说明:

LD(A,B)表示字符串A和字符串B的编辑距离。很显然,若LD(A,B)=0表示字符串A和字符串B完全相同

Rev(A)表示反转字符串A

Len(A)表示字符串A的长度

A+B表示连接字符串A和字符串B

有下面几个性质:

LD(A,A)=0

LD(A,"")=Len(A)

LD(A,B)=LD(B,A)

0≤LD(A,B)≤Max(Len(A),Len(B))

LD(A,B)=LD(Rev(A),Rev(B))

LD(A+C,B+C)=LD(A,B)

LD(A+B,A+C)=LD(B,C)

LD(A,B)≤LD(A,C)+LD(B,C)(注:像不像“三角形,两边之和大于第三边”)

LD(A+C,B)≤LD(A,B)+LD(B,C)

为了讲解计算LD(A,B),特给予以下几个定义

A=a 1 a 2 ……a N ,表示A是由a 1 a 2 ……a N 这N个字符组成,Len(A)=N

B=b 1 b 2 ……b M ,表示B是由b 1 b 2 ……b M 这M个字符组成,Len(B)=M

定义LD(i,j)=LD(a 1 a 2 ……a i ,b 1 b 2 ……b j ),其中0≤i≤N,0≤j≤M

故:  LD(N,M)=LD(A,B)

LD(0,0)=0

LD(0,j)=j

LD(i,0)=i

对于1≤i≤N,1≤j≤M,有公式一

若a i =b j ,则LD(i,j)=LD(i-1,j-1)

若a i ≠b j ,则LD(i,j)=Min(LD(i-1,j-1),LD(i-1,j),LD(i,j-1))+1

举例说明:A=GGATCGA,B=GAATTCAGTTA,计算LD(A,B)

第一步:初始化LD矩阵

LD算法矩阵
Public Class clsLD
Private Shared mA() As Char
Private Shared mB() As Char

Public Shared Function LD( ByVal A As String , ByVal B As String ) As Integer

mA = A.ToCharArray
mB = B.ToCharArray

Dim L(A.Length, B.Length) As Integer
Dim i As Integer , j As Integer

For i = 1 To A.Length
L(i, 0) = i
Next
For j = 1 To B.Length
L(0, j) = j
Next

For i = 1 To A.Length
For j = 1 To B.Length
If mA(i - 1) = mB(j - 1) Then
L(i, j) = L(i - 1, j - 1)
Else
L(i, j) = Min(L(i - 1, j - 1), L(i - 1, j), L(i, j - 1)) + 1
End If
Next
Next

Return L(A.Length, B.Length)
End Function

Public Shared Function Min( ByVal A As Integer , ByVal B As Integer , ByVal C As Integer ) As Integer
Dim I As Integer = A
If I > B Then I = B
If I > C Then I = C
Return I
End Function
End Class

这个LD算法时间复杂度为O(MN),空间复杂度为O(MN),如果进行优化的话,空间复杂度可以为O(M),优化的代码这里不再详述了。参看“ 计算字符串的相似度(VB2005)

我们往往不仅仅是计算出字符串A和字符串B的编辑距离,还要能得出他们的匹配结果。

以上面为例A=GGATCGA,B=GAATTCAGTTA,LD(A,B)=5

他们的匹配为:

A: G G A _ T C _ G __ A

B: G A A T T C A G TT A

如上面所示,蓝色表示完全匹配,黑色表示编辑操作,_表示插入字符或者是删除字符操作。如上面所示,黑色字符有5个,表示编辑距离为5。

利用上面的LD矩阵,通过回溯,能找到匹配字串

第一步:定位在矩阵的右下角

LD算法矩阵

第三步:根据回溯路径,写出匹配字串

若回溯到左上角单元格,将a i 添加到匹配字串A,将b j 添加到匹配字串B

若回溯到上边单元格,将a i 添加到匹配字串A,将_添加到匹配字串B

若回溯到左边单元格,将_添加到匹配字串A,将b j 添加到匹配字串B

搜索晚整个匹配路径,匹配字串也就完成了

从上面可以看出,LD算法在不需要计算出匹配字串的话,时间复杂度为O(MN),空间复杂度经优化后为O(M)

不过,如果要计算匹配字符串的话,时间复杂度为O(MN),空间复杂度由于需要利用LD矩阵计算匹配路径,故空间复杂度仍然为O(MN)。这个在两个字符串都比较短小的情况下,能获得不错的性能。不过,如果字符串比较长的情况下,就需要极大的空间存放矩阵。例如:两个字符串都是20000字符,则LD矩阵的大小为20000*20000*2=800000000Byte=800MB。呵呵,这是什么概念?故,在比较长字符串的时候,还有其他性能更好的算法。留待后文详述。

作者: 万仓一黍
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