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C++如何进行快速最长公共子序列(LCS)计算?(动态规划优化)

冰火之心

冰火之心

发布时间:2026-02-21 13:13:35

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来源于php中文网

原创

用一维滚动数组可将lcs长度计算优化至o(min(m,n))空间,核心是短串作列、从右往左更新并用prev保存左上状态,避免二维vector的内存不连续与缓存失效问题。

c++如何进行快速最长公共子序列(lcs)计算?(动态规划优化)

为什么 std::vector 二维 DP 表在 LCS 里容易拖慢速度?

因为标准二维 DP 需要 O(m*n) 空间和时间,而多数实际场景中字符串很长(比如 >10⁴),内存分配和缓存不友好会明显拖慢。更关键的是,std::vector<:vector>></:vector> 的每行内存不连续,CPU 预取失效,实测比一维滚动数组慢 2–3 倍。

  • 优先用一维数组 + 临时变量滚动更新:dp[j] 表示当前行第 j 列,用 prev 记录左上角值
  • 避免嵌套 vector:改用 std::vector<int> dp(n + 1)</int> 和一个 int prev 就够
  • 如果只要长度不要路径,绝对不用二维表;如果要重构路径,再考虑空间换时间(如只存两行)

如何用滚动数组实现 O(min(m,n)) 空间 LCS 长度计算?

核心是把状态压缩到一行,并在每轮迭代中复用上一轮的“左上”信息。注意必须让短字符串做列方向,否则空间仍是大串长度。

  • s1 为较短串(长度 m),s2 为较长串(长度 n),申请 std::vector<int> dp(m + 1)</int>
  • 遍历 s2 每个字符时,从右往左更新 dp[j](避免覆盖还未用的 dp[j-1]
  • prev 保存上一轮 dp[j-1] 的值,即“左上角”状态
int lcs_length(const string& s1, const string& s2) {
    if (s1.size() > s2.size()) return lcs_length(s2, s1);
    int m = s1.size(), n = s2.size();
    vector<int> dp(m + 1, 0);
    for (int i = 0; i < n; ++i) {
        int prev = 0; // dp[i-1][j-1]
        for (int j = 1; j <= m; ++j) {
            int tmp = dp[j];
            if (s1[j-1] == s2[i]) dp[j] = prev + 1;
            else dp[j] = max(dp[j], dp[j-1]);
            prev = tmp;
        }
    }
    return dp[m];
}

重构 LCS 字符串时,为什么不能直接用滚动数组?

滚动数组只保留最后一行状态,丢失了中间决策路径,无法回溯。强行记录所有行就回到 O(m*n) 空间 —— 这不是优化,是退化。

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  • 若必须返回子序列字符串,且内存允许,用两行数组:prev_rowcurr_row,只存最近两行
  • 更省空间的做法:先算长度,再用分治 + 空间线性扫描(Hirschberg 算法),但实现复杂、常数大,仅当 n 达 10⁶ 以上才值得
  • 常见误操作:在滚动循环里保存 path 向量——它会在每次内层循环被反复 push/pop,性能崩坏

std::string_view 能否加速 LCS 输入处理?

能,但只在传参和比较阶段省拷贝,不影响 DP 主循环。很多人以为用了 string_view 就自动变快,其实瓶颈永远在双重循环本身。

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  • 函数签名建议写成 int lcs_length(string_view s1, string_view s2),避免构造临时 string
  • 内部仍要用 s1.data() 或下标访问,string_view::at() 有边界检查开销,别用
  • 注意:如果输入来自 std::cin 或文件流,先读进 string 再转 string_view,别指望流直接给 view
LCS 的真正瓶颈从来不在语法或容器选择,而在你是否意识到:90% 的业务场景其实只需要长度,而不是具体子序列;一旦接受这点,滚动数组就是最干净、最不容易出错的解法。

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