第十天-字符串：编程世界的文本基石
在编程的广阔领域中，字符串是极为重要的数据类型，它就像一座桥梁，连接着人类的自然语言和计算机能够理解与处理的数字信息。下面，让我们深入探索字符串的世界。
一、字符串简介
字符串是由零个或多个字符组成的有序序列，它在程序中用于表示文本信息。在 Python 语言环境下，创建字符串简洁直观，例如：str = "Hello World" 。这里，str作为字符串变量名，就如同给一个装着文本内容的盒子贴上了标签；Hello World则是这个字符串所承载的值，它包含了 11 个字符，其中包括一个空格，通过len()函数能够轻松获取这一长度信息。从底层存储原理来讲，不同编程语言存储字符串的方式各有特点。多数情况下，字符串会以连续内存空间存储字符序列，像 C 语言中，常以字符数组存储字符串，并在末尾添加'\0'作为结束标识，以此明确字符串边界，方便程序对其进行处理 。
二、字符串的比较
（一）字符串的比较操作
在程序开发中，判断字符串之间的关系是常见需求，比如判断两个字符串是否完全相同，或者比较它们的大小顺序。字符串的比较依赖于字符在字符集中的序号。以广泛应用的 ASCII 字符集为例，它为 128 个字符赋予了从 0 到 127 的唯一编号。在进行字符串比较时，程序会从两个字符串的首个字符开始，逐位对比对应字符的序号。一旦发现某个位置上字符的序号不同，序号较小字符所在的字符串就被判定为 “小于” 另一个字符串；若两个字符串的所有字符及其顺序都完全一致，且长度相等，那么这两个字符串相等。在 Python 语言里，使用==运算符可判断字符串是否相等，如"apple" == "apple"返回True；使用<等比较运算符可判断大小关系，"apple" < "banana"返回True，原因在于 ASCII 字符集中，'a'的序号 97 小于'b'的序号 98 。
（二）字符串的字符编码
字符编码是字符与计算机可处理数字代码之间转换的规则体系。除了 ASCII 字符集，Unicode 作为国际标准字符集，几乎涵盖了全球所有字符，为每个字符分配了独一无二的码点，极大地方便了跨语言、跨平台的文本数据交换。Python 默认采用 Unicode 编码，这使得处理包含多种语言字符的字符串变得轻松自如，如str = "你好，世界"这样的中文内容，Python 能够准确存储和处理。在实际应用中，不同字符编码在存储和传输字符串时表现各异。例如 UTF - 8 编码，它采用可变长度编码方式，对于常用的 ASCII 字符仅用 1 个字节表示，而对于其他非 ASCII 字符，根据字符类型不同，可能占用 2 到 4 个字节，这种设计在满足字符表示需求的同时，有效节省了存储空间 。
三、字符串的存储结构
字符串的存储结构主要有顺序存储和链式存储两种，它们各自适用于不同的应用场景。顺序存储将字符串中的字符依次存放在连续的内存单元中，类似数组的存储方式。这种存储结构的优势在于访问速度快，通过索引能直接定位到字符串中的任意字符，时间复杂度为\(O(1)\)。C 语言中以字符数组存储字符串并以'\0'结尾，就是典型的顺序存储应用，这种方式适合频繁读取和查找操作的场景。链式存储则把字符串的每个字符存于独立节点，节点间通过指针连接形成链表结构。其优点是插入和删除操作便捷，无需大量移动字符，时间复杂度为\(O(1)\)（不考虑查找插入或删除位置的时间），但访问特定位置字符时需从头遍历链表，时间复杂度为\(O(n)\)，n为字符串长度，常用于频繁进行插入和删除操作的场景 。
四、字符串匹配问题
（一）单模式串匹配问题
单模式串匹配是在长文本字符串中查找特定模式字符串的过程。例如，在一篇长篇小说文本中查找某个特定单词。假设文本字符串text = "I like apples. Apples are delicious."，模式字符串pattern = "apples"，此时需要判断pattern是否在text中出现。解决这类问题的算法多样，不同算法在时间复杂度和空间复杂度上存在差异，开发者需根据实际场景选择合适算法 。
（二）多模式串匹配问题
多模式串匹配则更为复杂，它要求在一个文本字符串中同时查找多个模式字符串。例如在一篇新闻资讯文章中，需要同时检索 “经济”“科技”“环保” 等多个关键词。由于要同时处理多个模式，高效找到所有匹配位置颇具挑战，因此需要借助更为复杂的算法，这些算法通常会利用特殊数据结构优化匹配过程，提升匹配效率 。
五、单模式串朴素匹配算法
单模式串朴素匹配算法，也叫暴力匹配算法，是最基础的字符串匹配方法。其原理简单直接，从文本字符串的首字符开始，依次与模式字符串的首字符比较。若相等，则继续比较后续字符，直至模式字符串所有字符匹配成功，或者出现不相等字符。一旦发现不相等，就将模式字符串向后移动一个字符，重新从首字符开始与文本字符串的下一个位置比较。例如，文本字符串text = "ABABDABACDABABCABAB"，模式字符串pattern = "ABABCABAB"，首次比较时，从text的'A'与pattern的'A'开始，逐个字符对比，当比较到text的第 5 个字符'D'和pattern的第 5 个字符'C'时不相等，此时将pattern向后移动一位，重新从text的第 2 个字符开始比较。该算法在最坏情况下，时间复杂度为\(O(m \times n)\)，m为模式字符串长度，n为文本字符串长度，因为在极端情况下，模式字符串可能要在文本字符串的每个位置进行比较 。
六、单模式串 KMP 匹配算法
KMP（Knuth - Morris - Pratt）匹配算法是对单模式串匹配的优化，它通过预处理模式字符串，利用部分匹配信息减少不必要的字符比较，大幅提升匹配效率。KMP 算法的关键在于构建部分匹配表（前缀函数），该表记录了模式字符串每个位置前最长相同前缀和后缀的长度。以模式字符串"ABABCABAB"为例，其部分匹配表为[0, 0, 1, 2, 0, 1, 2, 3, 4]。在匹配过程中，当遇到字符不相等时，KMP 算法不会简单地将模式字符串后移一位，而是依据部分匹配表，尽可能多地后移模式字符串，充分利用已匹配部分，减少比较次数。其时间复杂度为\(O(m + n)\)，在处理长文本和模式字符串时，相比朴素匹配算法优势显著 。
字符串作为编程中不可或缺的部分，其相关知识对于开发者深入理解程序运行机制、优化代码性能至关重要。无论是字符串的基本操作，还是复杂的匹配算法，都值得我们深入学习和研究，以便在编程实践中灵活运用，开发出更高效、更强大的程序。