字符串匹配算法在Java中的扩展：实现多模式匹配的进阶之路

# 1. 字符串匹配算法基础**

字符串匹配算法是计算机科学中的一类算法，用于在给定的文本中查找特定模式。在Java中，字符串匹配算法广泛用于各种应用中，例如文本搜索、代码分析和生物信息学。

字符串匹配算法的基本原理是将模式与文本进行比较，以确定模式是否出现在文本中。最简单的字符串匹配算法是朴素算法，它逐个字符地比较模式和文本。然而，朴素算法的时间复杂度为 O(mn)，其中 m 是模式的长度，n 是文本的长度，对于大规模文本来说效率较低。

为了提高字符串匹配算法的效率，已经开发了多种高级算法。这些算法利用了模式和文本的结构，以减少比较次数。在下一章中，我们将探讨多模式匹配算法，它允许同时在文本中查找多个模式。

# 2. 多模式匹配算法**

**2.1 基于自动机的多模式匹配算法**

基于自动机的多模式匹配算法通过构建一个确定有限自动机（DFA）来解决多模式匹配问题。DFA由状态集合、输入符号集、初始状态、接受状态和状态转移函数组成。

**2.1.1 Aho-Corasick算法**

Aho-Corasick算法是一种基于DFA的多模式匹配算法，它通过构建一个失配树（failure tree）来提高匹配效率。失配树是一个树形结构，其中每个节点代表一个模式的前缀。当匹配过程中遇到失配时，算法会跳转到失配树中对应的节点，继续匹配过程。

**代码块：**

public class AhoCorasick {

    private Node root;

    public AhoCorasick() {
        root = new Node();
    }

    public void addPattern(String pattern) {
        Node currentNode = root;
        for (char c : pattern.toCharArray()) {
            if (!currentNode.children.containsKey(c)) {
                currentNode.children.put(c, new Node());
            }
            currentNode = currentNode.children.get(c);
        }
        currentNode.isTerminal = true;
    }

    public List<Match> findMatches(String text) {
        List<Match> matches = new ArrayList<>();
        Node currentNode = root;
        for (int i = 0; i < text.length(); i++) {
            char c = text.charAt(i);
            if (currentNode.children.containsKey(c)) {
                currentNode = currentNode.children.get(c);
                if (currentNode.isTerminal) {
                    matches.add(new Match(i - currentNode.patternLength + 1, i));
                }
            } else {
                currentNode = currentNode.failure;
            }
        }
        return matches;
    }

    private static class Node {
        Map<Character, Node> children = new HashMap<>();
        Node failure;
        boolean isTerminal;
        int patternLength;
    }
}

**逻辑分析：**

* `addPattern`方法将模式添加到Aho-Corasick算法中。
* `findMatches`方法在给定文本中查找所有匹配的模式。
* `Node`类表示DFA中的状态。

**参数说明：**

* `pattern`：要添加到Aho-Corasick算法的模式。
* `text`：要搜索模式的文本。

**2.1.2 Knuth-Morris-Pratt算法**

Knuth-Morris-Pratt（KMP）算法也是一种基于DFA的多模式匹配算法。它通过构建一个称为“前缀函数”的数组来提高匹配效率。前缀函数表示模式的前缀与后缀之间的最大匹配长度。

**代码块：**

public class KnuthMorrisPratt {

    public int[] buildPrefixFunction(String pattern) {
        int[] prefixFunction = new int[pattern.length()];
        int i = 1, j = 0;
        while (i < pattern.length()) {
            if (pattern.charAt(i) == pattern.charAt(j)) {
                prefixFunction[i] = j + 1;
                i++;
                j++;
            } else if (j > 0) {
                j = prefixFunction[j - 1];
            } else {
                prefixFunction[i] = 0;
                i++;
            }
        }
        return prefixFunction;
    }

    public List<Match> findMatches(String text, String pattern) {
        List<Match> matches = new ArrayList<>();
        int[] prefixFunction = buildPrefixFunction(pattern);
        int i = 0, j = 0;
        while (i < text.length()) {
            if (text.charAt(i) == pattern.charAt(j)) {
                i++;
                j++;
                if (j == pattern.length()) {
                    matches.add(new Match(i - j, i - 1));
                    j = prefixFunction[j - 1];
                }
            } else if (j > 0) {
                j = prefixFunction[j - 1];
            } else {
                i++;
            }
        }
        return matches;
    }

    private static class Match {
        int start;
        int end;

        public Match(int start, int end) {
            this.start = start;
            this.end = end;
        }
    }
}

**逻辑分析：**

* `buildPrefixFunction`方法构建模式的前缀函数。
* `findMatches`方法在给定文本中查找所有匹配的模式。
* `Match`类表示匹配的结果。

**参数说明：**

* `pattern`：要搜索的模式。
* `text`：要搜索模式的文本。

**2.2 基于哈希表的快速多模式匹配算法**

基于哈希表的快速多模式匹配算法通过将模式哈希化并存储在哈希表中来提高匹配效率。当匹配过程中遇到模式时，算法会计算模式的哈希值并将其与哈希表中的哈希值进行比较。

**2.2.1 Rabin-Karp算法**

Rabin-Karp算法是一种基于哈希表的快速多模式匹配算法。它使用滚动哈希技术来计算模式和文本的哈希值。滚动哈希技术允许算法在文本中移动模式时高效地更新哈希值。

**代码块：**

public class RabinKarp {

    private static final int BASE = 101;

    public List<Match> findMatches(String text, String pattern) {
        List<Match> matches = new ArrayList<>();
        int patternHash = hash(pattern);
        int rollingHash = hash(text.substring(0, pattern.length()));
        for (int i = pattern.length(); i < text.length(); i++) {
            rollingHash = rehash(rollingHash, text.charAt(i - pattern.length()), text.charAt(i));
            if (rollingHash == patternHash) {