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面试题 19. 正则表达式匹配

题目描述

请实现一个函数用来匹配包含'. '和'*'的正则表达式。模式中的字符'.'表示任意一个字符，而'*'表示它前面的字符可以出现任意次（含0次）。在本题中，匹配是指字符串的所有字符匹配整个模式。例如，字符串"aaa"与模式"a.a"和"ab*ac*a"匹配，但与"aa.a"和"ab*a"均不匹配。

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 = "a*"
输出: true
解释: 因为 '*' 代表可以匹配零个或多个前面的那一个元素, 在这里前面的元素就是 'a'。因此，字符串 "aa" 可被视为 'a' 重复了一次。

示例 3:

输入:
s = "ab"
p = ".*"
输出: true
解释: ".*" 表示可匹配零个或多个（'*'）任意字符（'.'）。

示例 4:

输入:
s = "aab"
p = "c*a*b"
输出: true
解释: 因为 '*' 表示零个或多个，这里 'c' 为 0 个, 'a' 被重复一次。因此可以匹配字符串 "aab"。

示例 5:

输入:
s = "mississippi"
p = "mis*is*p*."
输出: false
  • 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 *，无连续的 '*'。

注意：本题与主站 10 题相同：https://leetcode.cn/problems/regular-expression-matching/

解法

方法一：记忆化搜索

我们设计一个函数 $dfs(i, j)$，表示从 $s$ 的第 $i$ 个字符开始，和 $p$ 的第 $j$ 个字符开始是否匹配。那么答案就是 $dfs(0, 0)$。

函数 $dfs(i, j)$ 的计算过程如下：

  • 如果 $j$ 已经到达 $p$ 的末尾，那么如果 $i$ 也到达了 $s$ 的末尾，那么匹配成功，否则匹配失败。
  • 如果 $j$ 的下一个字符是 '*'，我们可以选择匹配 $0$ 个 $s[i]$ 字符，那么就是 $dfs(i, j + 2)$。如果此时 $i \lt m$ 并且 $s[i]$ 和 $p[j]$ 匹配，那么我们可以选择匹配 $1$ 个 $s[i]$ 字符，那么就是 $dfs(i + 1, j)$。
  • 如果 $j$ 的下一个字符不是 '*'，那么如果 $i \lt m$ 并且 $s[i]$ 和 $p[j]$ 匹配，那么就是 $dfs(i + 1, j + 1)$。否则匹配失败。

过程中，我们可以使用记忆化搜索，避免重复计算。

时间复杂度 $O(m \times n)$，空间复杂度 $O(m \times n)$。其中 $m$ 和 $n$ 分别是 $s$ 和 $p$ 的长度。

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class Solution:
    def isMatch(self, s: str, p: str) -> bool:
        @cache
        def dfs(i, j):
            if j >= n:
                return i == m
            if j + 1 < n and p[j + 1] == '*':
                return dfs(i, j + 2) or (
                    i < m and (s[i] == p[j] or p[j] == '.') and dfs(i + 1, j)
                )
            return i < m and (s[i] == p[j] or p[j] == '.') and dfs(i + 1, j + 1)

        m, n = len(s), len(p)
        return dfs(0, 0)

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class Solution {
    private Boolean[][] f;
    private String s;
    private String p;
    private int m;
    private int n;

    public boolean isMatch(String s, String p) {
        m = s.length();
        n = p.length();
        f = new Boolean[m + 1][n + 1];
        this.s = s;
        this.p = p;
        return dfs(0, 0);
    }

    private boolean dfs(int i, int j) {
        if (j >= n) {
            return i == m;
        }
        if (f[i][j] != null) {
            return f[i][j];
        }
        boolean res = false;
        if (j + 1 < n && p.charAt(j + 1) == '*') {
            res = dfs(i, j + 2)
                || (i < m && (s.charAt(i) == p.charAt(j) || p.charAt(j) == '.') && dfs(i + 1, j));
        } else {
            res = i < m && (s.charAt(i) == p.charAt(j) || p.charAt(j) == '.') && dfs(i + 1, j + 1);
        }
        return f[i][j] = res;
    }
}

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class Solution {
public:
    bool isMatch(string s, string p) {
        int m = s.size(), n = p.size();
        int f[m + 1][n + 1];
        memset(f, 0, sizeof f);
        function<bool(int, int)> dfs = [&](int i, int j) -> bool {
            if (j >= n) {
                return i == m;
            }
            if (f[i][j]) {
                return f[i][j] == 1;
            }
            int res = -1;
            if (j + 1 < n && p[j + 1] == '*') {
                if (dfs(i, j + 2) or (i < m and (s[i] == p[j] or p[j] == '.') and dfs(i + 1, j))) {
                    res = 1;
                }
            } else if (i < m and (s[i] == p[j] or p[j] == '.') and dfs(i + 1, j + 1)) {
                res = 1;
            }
            f[i][j] = res;
            return res == 1;
        };
        return dfs(0, 0);
    }
};

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func isMatch(s string, p string) bool {
    m, n := len(s), len(p)
    f := make([][]int, m+1)
    for i := range f {
        f[i] = make([]int, n+1)
    }
    var dfs func(i, j int) bool
    dfs = func(i, j int) bool {
        if j >= n {
            return i == m
        }
        if f[i][j] != 0 {
            return f[i][j] == 1
        }
        res := -1
        if j+1 < n && p[j+1] == '*' {
            if dfs(i, j+2) || (i < m && (s[i] == p[j] || p[j] == '.') && dfs(i+1, j)) {
                res = 1
            }
        } else if i < m && (s[i] == p[j] || p[j] == '.') && dfs(i+1, j+1) {
            res = 1
        }
        f[i][j] = res
        return res == 1
    }
    return dfs(0, 0)
}

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/**
 * @param {string} s
 * @param {string} p
 * @return {boolean}
 */
var isMatch = function (s, p) {
    const m = s.length;
    const n = p.length;
    const f = Array.from({ length: m + 1 }, () => Array(n + 1).fill(0));
    const dfs = (i, j) => {
        if (j >= n) {
            return i == m;
        }
        if (f[i][j]) {
            return f[i][j] == 1;
        }
        let res = -1;
        if (j + 1 < n && p[j + 1] === '*') {
            if (dfs(i, j + 2) || (i < m && (s[i] == p[j] || p[j] == '.') && dfs(i + 1, j))) {
                res = 1;
            }
        } else if (i < m && (s[i] == p[j] || p[j] == '.') && dfs(i + 1, j + 1)) {
            res = 1;
        }
        f[i][j] = res;
        return res == 1;
    };
    return dfs(0, 0);
};

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public class Solution {
    private string s;
    private string p;
    private int m;
    private int n;
    private int[,] f;

    public bool IsMatch(string s, string p) {
        m = s.Length;
        n = p.Length;
        f = new int[m + 1, n + 1];
        this.s = s;
        this.p = p;
        return dfs(0, 0);
    }

    private bool dfs(int i, int j) {
        if (j >= n) {
            return i == m;
        }
        if (f[i, j] != 0) {
            return f[i, j] == 1;
        }
        int res = -1;
        if (j + 1 < n && p[j + 1] == '*') {
            if (dfs(i, j + 2) || (i < m && (s[i] == p[j] || p[j] == '.') && dfs(i + 1, j))) {
                res = 1;
            }
        } else if (i < m && (s[i] == p[j] || p[j] == '.') && dfs(i + 1, j + 1)) {
            res = 1;
        }
        f[i, j] = res;
        return res == 1;
    }
}

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class Solution {
    private var memo: [[Bool?]] = []
    private var s: [Character] = []
    private var p: [Character] = []
    private var m: Int = 0
    private var n: Int = 0

    func isMatch(_ s: String, _ p: String) -> Bool {
        self.s = Array(s)
        self.p = Array(p)
        self.m = s.count
        self.n = p.count
        self.memo = Array(repeating: Array(repeating: nil, count: n + 1), count: m + 1)
        return dfs(0, 0)
    }

    private func dfs(_ i: Int, _ j: Int) -> Bool {
        if j >= n {
            return i == m
        }
        if let res = memo[i][j] {
            return res
        }
        var res = false
        if j + 1 < n && p[j + 1] == "*" {
            res = dfs(i, j + 2) || (i < m && (s[i] == p[j] || p[j] == ".") && dfs(i + 1, j))
        } else {
            res = i < m && (s[i] == p[j] || p[j] == ".") && dfs(i + 1, j + 1)
        }
        memo[i][j] = res
        return res
    }
}

方法二：动态规划

我们可以将方法一中的记忆化搜索转换为动态规划。

定义 $f[i][j]$ 表示字符串 $s$ 的前 $i$ 个字符和字符串 $p$ 的前 $j$ 个字符是否匹配。那么答案就是 $f[m][n]$。初始化 $f[0][0] = true$，表示空字符串和空正则表达式是匹配的。

与方法一类似，我们可以分情况来讨论。

  • 如果 $p[j - 1]$ 是 '*'，那么我们可以选择匹配 $0$ 个 $s[i - 1]$ 字符，那么就是 $f[i][j] = f[i][j - 2]$。如果此时 $s[i - 1]$ 和 $p[j - 2]$ 匹配，那么我们可以选择匹配 $1$ 个 $s[i - 1]$ 字符，那么就是 $f[i][j] = f[i][j] \lor f[i - 1][j]$。
  • 如果 $p[j - 1]$ 不是 '*'，那么如果 $s[i - 1]$ 和 $p[j - 1]$ 匹配，那么就是 $f[i][j] = f[i - 1][j - 1]$。否则匹配失败。

时间复杂度 $O(m \times n)$，空间复杂度 $O(m \times n)$。其中 $m$ 和 $n$ 分别是 $s$ 和 $p$ 的长度。

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class Solution:
    def isMatch(self, s: str, p: str) -> bool:
        m, n = len(s), len(p)
        f = [[False] * (n + 1) for _ in range(m + 1)]
        f[0][0] = True
        for i in range(m + 1):
            for j in range(1, n + 1):
                if p[j - 1] == "*":
                    f[i][j] = f[i][j - 2]
                    if i > 0 and (p[j - 2] == "." or s[i - 1] == p[j - 2]):
                        f[i][j] |= f[i - 1][j]
                elif i > 0 and (p[j - 1] == "." or s[i - 1] == p[j - 1]):
                    f[i][j] = f[i - 1][j - 1]
        return f[m][n]

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class Solution {
    public boolean isMatch(String s, String p) {
        int m = s.length(), n = p.length();
        boolean[][] f = new boolean[m + 1][n + 1];
        f[0][0] = true;
        for (int i = 0; i <= m; ++i) {
            for (int j = 1; j <= n; ++j) {
                if (p.charAt(j - 1) == '*') {
                    f[i][j] = f[i][j - 2];
                    if (i > 0 && (p.charAt(j - 2) == '.' || p.charAt(j - 2) == s.charAt(i - 1))) {
                        f[i][j] |= f[i - 1][j];
                    }
                } else if (i > 0
                    && (p.charAt(j - 1) == '.' || p.charAt(j - 1) == s.charAt(i - 1))) {
                    f[i][j] = f[i - 1][j - 1];
                }
            }
        }
        return f[m][n];
    }
}

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class Solution {
public:
    bool isMatch(string s, string p) {
        int m = s.size(), n = p.size();
        bool f[m + 1][n + 1];
        memset(f, false, sizeof f);
        f[0][0] = true;
        for (int i = 0; i <= m; ++i) {
            for (int j = 1; j <= n; ++j) {
                if (p[j - 1] == '*') {
                    f[i][j] = f[i][j - 2];
                    if (i && (p[j - 2] == '.' || p[j - 2] == s[i - 1])) {
                        f[i][j] |= f[i - 1][j];
                    }
                } else if (i && (p[j - 1] == '.' || p[j - 1] == s[i - 1])) {
                    f[i][j] = f[i - 1][j - 1];
                }
            }
        }
        return f[m][n];
    }
};

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func isMatch(s string, p string) bool {
    m, n := len(s), len(p)
    f := make([][]bool, m+1)
    for i := range f {
        f[i] = make([]bool, n+1)
    }
    f[0][0] = true
    for i := 0; i <= m; i++ {
        for j := 1; j <= n; j++ {
            if p[j-1] == '*' {
                f[i][j] = f[i][j-2]
                if i > 0 && (p[j-2] == '.' || p[j-2] == s[i-1]) {
                    f[i][j] = f[i][j] || f[i-1][j]
                }
            } else if i > 0 && (p[j-1] == '.' || p[j-1] == s[i-1]) {
                f[i][j] = f[i-1][j-1]
            }
        }
    }
    return f[m][n]
}

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/**
 * @param {string} s
 * @param {string} p
 * @return {boolean}
 */
var isMatch = function (s, p) {
    const m = s.length;
    const n = p.length;
    const f = Array.from({ length: m + 1 }, () => Array(n + 1).fill(false));
    f[0][0] = true;
    for (let i = 0; i <= m; ++i) {
        for (let j = 1; j <= n; ++j) {
            if (p[j - 1] === '*') {
                f[i][j] = f[i][j - 2];
                if (i && (p[j - 2] === '.' || p[j - 2] == s[i - 1])) {
                    f[i][j] |= f[i - 1][j];
                }
            } else if (i && (p[j - 1] === '.' || p[j - 1] == s[i - 1])) {
                f[i][j] = f[i - 1][j - 1];
            }
        }
    }
    return f[m][n];
};

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public class Solution {
    public bool IsMatch(string s, string p) {
        int m = s.Length, n = p.Length;
        bool[,] f = new bool[m + 1, n + 1];
        f[0, 0] = true;
        for (int i = 0; i <= m; ++i) {
            for (int j = 1; j <= n; ++j) {
                if (p[j - 1] == '*') {
                    f[i, j] = f[i, j - 2];
                    if (i > 0 && (p[j - 2] == '.' || p[j - 2] == s[i - 1])) {
                        f[i, j] |= f[i - 1, j];
                    }
                } else if (i > 0 && (p[j - 1] == '.' || p[j - 1] == s[i - 1])) {
                    f[i, j] = f[i - 1, j - 1];
                }
            }
        }
        return f[m, n];
    }
}

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