TrieTree介紹及其C#實(shí)現(xiàn)

作者：Tony Qu

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在自然語言處理（NLP）研究中，NGram是最基本但也是最有用的一種比對(duì)方式，這里的N是需要比對(duì)的字符串的長(zhǎng)度，而今天我介紹的TrieTree，正是和NGram密切相關(guān)的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，有人稱之為字典樹。TrieTree簡(jiǎn)單的說是一種多叉樹，每個(gè)節(jié)點(diǎn)保存一個(gè)字符，這么做的好處是當(dāng)我們要做NGram比對(duì)時(shí)，只需要直接從樹的根節(jié)點(diǎn)開始沿著某個(gè)樹叉遍歷下去，就能完成比對(duì)；如果沒找到，停止本次遍歷。這話講得有些抽象，我們來看一個(gè)實(shí)際的例子。

假設(shè)我們現(xiàn)在詞庫(kù)里面有以下一些詞：

上海市
上海灘
上海人
上海公司
北京
北斗星
楊柳
楊浦區(qū)

Trie Tree介紹及其C#實(shí)現(xiàn)

如圖所示：掛在根節(jié)點(diǎn)上的字有上、北、楊，

如果我們現(xiàn)在對(duì)“上海市楊浦區(qū)”這個(gè)詞做3gram就有上海市、海市楊、市楊浦、楊浦區(qū)，現(xiàn)在我們要知道哪些詞是能夠被這個(gè)字典識(shí)別的，通常我們可以用NGram來做分詞。有了這顆樹，我們只需要依次取每個(gè)字符，從根開始進(jìn)行比對(duì)，比如上海市，我們能夠匹配上->海->市，這個(gè)路徑，所以匹配；比如海市楊，由于沒有“海”字掛在根節(jié)點(diǎn)上，所以停止；市楊浦也無法匹配；最終匹配楊浦區(qū)，得到楊->浦->區(qū) 這個(gè)路徑，匹配。

最終我們可以把“上海市楊浦區(qū)”切分為上海市|楊浦區(qū)。

盡管TrieTree要比普通字符串?dāng)?shù)組節(jié)省很多時(shí)間，但這并不是沒有代價(jià)的，因?yàn)槟阋雀鶕?jù)字典構(gòu)建這棵樹，這個(gè)代價(jià)并不低，當(dāng)然對(duì)于某個(gè)應(yīng)用來說一旦TrieTree構(gòu)建完成就可以重復(fù)使用，所以針對(duì)大規(guī)模比對(duì)來說，性能提升還是很客觀的。

下面是TrieTree的C#實(shí)現(xiàn)。

   public class TrieTree
    {
        TrieNode _root = null;

        private TrieTree()
        {
            _root = new TrieNode(char.MaxValue,0);
            charCount = 0;
        }
        static TrieTree _instance = null;
        public static TrieTree GetInstance()
        {
            if (_instance == null)
            {
                _instance = new TrieTree();
            }
            return _instance;
        }
        public TrieNode Root 
        {
            get { return _root; }
        }
        public void AddWord(char ch)
        {
            TrieNode newnode=_root.AddChild(ch);
            newnode.IncreaseFrequency();
            newnode.WordEnded = true;
        }
        int charCount;
        public void AddWord(string word)
        {
            if (word.Length == 1)
            {
                AddWord(word[0]);
                charCount++;
            }
            else
            { 
                char[] chars=word.ToCharArray();
                TrieNode node = _root;
                charCount += chars.Length;
                for (int i = 0; i < chars.Length; i++)
                {
                    TrieNode newnode=node.AddChild(chars[i]);
                    newnode.IncreaseFrequency();
                    node = newnode;
                }
                node.WordEnded = true;
            }
        }
        public int GetFrequency(char ch)
        {
            TrieNode matchedNode = _root.Children.FirstOrDefault(n => n.Character == ch);
            if (matchedNode == null)
            {
                return 0;
            }
            return matchedNode.Frequency;             
        }
        public int GetFrequency(string word)
        {
            if (word.Length == 1)
            {
                return GetFrequency(word[0]); 
            }
            else
            {
                char[] chars = word.ToCharArray();
                TrieNode node = _root;
                for (int i = 0; i < chars.Length; i++)
                {
                    if (node.Children == null)
                        return 0;
                    TrieNode matchednode = node.Children.FirstOrDefault(n => n.Character == chars[i]);
                    if (matchednode == null)
                    {
                        return 0;
                    }
                    node = matchednode;
                }
                if (node.WordEnded == true)
                    return node.Frequency;
                else
                    return -1;
            }
        }
    }

這里我們使用了單例模式，因?yàn)門rieTree類似緩存，不需要重復(fù)創(chuàng)建。下面是TreeNode的實(shí)現(xiàn)：

    public class TrieNode
    {
        public TrieNode(char ch,int depth)
        {
            this.Character=ch;
            this._depth=depth;
        }


        public char Character;

        int _depth;
        public int Depth
        {
            get{return _depth;}
        }

        TrieNode _parent=null;
        public TrieNode Parent 
        {
            get { return _parent; }
            set { _parent = value; }
        }

        public bool WordEnded = false;


        HashSet<TrieNode> _children=null;
        public HashSet<TrieNode> Children
        {
            get { return _children; }
        }

        public TrieNode GetChildNode(char ch)
        {
            if (_children != null)
                return _children.FirstOrDefault(n => n.Character == ch);
            else
                return null;
        }

        public TrieNode AddChild(char ch)
        {
            TrieNode matchedNode=null;
            if (_children != null)
            {
                matchedNode = _children.FirstOrDefault(n => n.Character == ch);
            }
            if (matchedNode != null)    //found the char in the list
            {
                //matchedNode.IncreaseFrequency();
                return matchedNode;
            }
            else
            {   //not found
                TrieNode node = new TrieNode(ch, this.Depth + 1);
                node.Parent = this;
                //node.IncreaseFrequency();
                if (_children == null)
                    _children = new HashSet<TrieNode>();
                _children.Add(node);
                return node;
            }
        }

        int _frequency = 0;
        public int Frequency
        {
            get { return _frequency; }
        }

        public void IncreaseFrequency()
        {
            _frequency++;
        }

        public string GetWord()
        { 
            TrieNode tmp=this;
            string result = string.Empty;
            while(tmp.Parent!=null) //until root node
            {
                result = tmp.Character + result;
                tmp = tmp.Parent;
            }
            return result;
        }

        public override string ToString()
        {
            return Convert.ToString(this.Character);
        }
    }

最后提供一個(gè)能工作的演示代碼，供大家參考，點(diǎn)擊這里下載。

名稱欄目：TrieTree介紹及其C#實(shí)現(xiàn)
本文URL：http://chinadenli.net/article42/jgghec.html

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