先看下最长公共子序列(Longest Common Subsequence)的问题描述。
给定两个字符串,求两者的最长公共子序列的长度。
子序列是指从字符串中按特定顺序(从左向右或从右向左,可以有间隔)选取的一些字符组成的序列。例如“ABCDEF”中ABC、ACD、AE、AF都是子序列。而公共子序列,就是两个字符串中相同的子序列。
例如字符串“ABC”和“BCD”构成的子序列如图-1:
图-1
可以看到公共子序列有B、C、BC,因此最长的就是BC。
我们先分析下这个问题,能否从动态规划角度解决。如图-2,求两个字符串s1=“ABCE” 和 s2=“ACD”的最长公共子序列:
图-2
明显能看出来答案是“AC”,对应长度为2。我们说的“看”,其实是经过不同组合比较后得到的。
首先这两个字符串都是“A”开头,所以公共子序列中必然包括“A”,即最长公共子序列的长度至少是1,无论后续字符如何比较,都不会影响这个A。
接下来,继续对比剩余部分的BCE、CD,这时B不等于C,一种组合是继续用BCE中的字符B和CD中的D比较。
还有一种组合是用CD中的C继续和BCE中的下一个字符C比较。这里产生出两种组合。后续对比中参考同样方法:字符相同记录下来再跳过该字符,不同则继续组合……过程如图-3:
图-3
在比较过程中,发现相等的我们就放置到表格左列。最终可以看到,在第一次出现B!=C左侧最底层分支的公共子序列仍然为“A”,而右侧最底层分支为“AC”,因此最长公共子序列为“AC”。我们用如下代码模拟此过程。
1 public class LongestCommonSubsequence { 2 public static void main(String[] args) { 3 String[] a = {"A", "B", "C", "E",}; 4 String[] b = {"A", "C", "D"}; 5 //从第一个字符开始比较 6 System.out.println(compare(a, b, 0, 0)); 7 } 8 9 public static int compare(String[] a, String[] b, int m, int n) { 10 if (m == a.length || n == b.length) { 11 return 0; 12 } 13 System.out.printf("%d=%s %d=%s\n", m, a[m], n, b[n]); 14 //相等则两个字符串都跳转到下一个字符 15 if (a[m].equals(b[n])) { 16 //公共子序列长度+1 17 return 1 + compare(a, b, m + 1, n + 1); 18 } else { 19 //字符串a的当前字符位置不变,b从下一个字符开始比较 20 int x = compare(a, b, m, n + 1); 21 //字符串b的当前字符位置不变,a从下一个字符开始比较 22 int y = compare(a, b, m + 1, n); 23 //取两者的最大值 24 return Math.max(x, y); 25 } 26 } 27 }
输出如下
0=A 0=A 1=B 1=C 1=B 2=D 2=C 2=D 3=E 2=D 2=C 1=C 3=E 2=D 2
可以看到代码通过递归不断向右侧移动字符,直到对比完毕。同时输出中存在重复比较(3=E 2=D)。因此可以尝试用动态规划的思路来优化,依照如下规则从最左侧字符开始向右移动计算:
规则1 字符相等时,取之前的匹配结果的子序列长度加1
规则2 字符不等时,取拆分出来的两种组合中的最大值。
代码如下,增加compareDp方法
1 public static int compareDp(String[] a, String[] b) { 2 //由于第一个字符需要和一个空字符比较,相当于两个字符串长度都加1,所以多申请一个长度 3 int[][] dp = new int[a.length + 1][b.length + 1]; 4 //dp数据初始化:由于每个字符串增加一个逻辑意义上的空字符,而空字符和非空字符不相等,所以都设置为0 5 for (int i = 0; i < a.length + 1; i++) { 6 dp[i][0] = 0; 7 } 8 for (int j = 0; j < b.length + 1; j++) { 9 dp[0][j] = 0; 10 } 11 12 //从下标为1的位置开始,方便和前一个字符比较 13 for (int i = 1; i <= a.length; i++) { 14 for (int j = 1; j <= b.length; j++) { 15 System.out.printf("%d-%d\n", i, j); 16 //相等则该位置对应的公共子序列长度为之前的公共子序列长度+1 17 if (a[i - 1].equals(b[j - 1])) { 18 dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1] + 1; 19 System.out.printf("\t%s=%s %d+1=%d\n", a[i - 1], b[j - 1], dp[i - 1][j - 1], dp[i][j]); 20 } else { 21 //从拆分的两种组合中获取一个最大的数值 22 dp[i][j] = Math.max(dp[i][j - 1], dp[i - 1][j]); 23 System.out.printf("\t%s!=%s %d %d\n", a[i - 1], b[j - 1], dp[i][j - 1], dp[i - 1][j]); 24 } 25 } 26 } 27 28 for (int i = 0; i < a.length + 1; i++) { 29 System.out.printf("%d: ", i); 30 for (int v : dp[i]) { 31 System.out.printf("%d ", v); 32 } 33 System.out.println(); 34 } 35 return dp[a.length][b.length]; 36 }
调用compareDp(a, b),输出如下
1-1 A=A 0+1=1 1-2 A!=C 1 0 1-3 A!=D 1 0 2-1 B!=A 0 1 2-2 B!=C 1 1 2-3 B!=D 1 1 3-1 C!=A 0 1 3-2 C=C 1+1=2 3-3 C!=D 2 1 4-1 E!=A 0 1 4-2 E!=C 1 2 4-3 E!=D 2 2 0: 0 0 0 0 1: 0 1 1 1 2: 0 1 1 1 3: 0 1 2 2 4: 0 1 2 2 2
计算依赖关系如图-4。第一行和第一列需要初始化为0。单个箭头表示字符相同时取之前部分的公共子序列长度加1,如dp[1][1]、dp[3][2]。两个箭头表示字符不同时取两种组合的最大值,如dp[1][2]、dp[1][3]
仅标识出了部分计算依赖,其他可参考此方法。
图-4
这里再说明下字符不等时的处理逻辑 dp[i][j] = Math.max(dp[i][j - 1], dp[i - 1][j])
如果参考之前的递归方法,直觉上是 Math.max(dp[i][j + 1], dp[i + 1][j]),但此时并未处理到后续的数据,读取结果必然是0。
正确的依赖应该是已计算过的数据。
例如,处理dp[3][3]时,表面看对比的字符为C和D,其实对应的完整字符串是“ABC”和“ACD”,对比的是这两个字符串中最后的字符C和D,这时要取C!=D产生的两种组合,即
组合1:ABC和AC,即dp[3][2]
组合2:AB和ACD,即dp[2][3]
而这两种组合的结果是之前已经计算过的,因此对应的dp数组下标值要减1。
另外可以考虑下,如果递归时从右侧向左处理结果会如何?
参考资料
Longest Common Subsequence | DP-4