作者：Tony Qu
在自然语言处理（NLP）研究中，NGram是最基本但也是最有用的一种比对方式，这里的N是需要比对的字符串的长度，而今天我介绍的TrieTree，正是和NGram密切相关的一种数据结构，有人称之为字典树。TrieTree简单的说是一种多叉树，每个节点保存一个字符，这么做的好处是当我们要做NGram比对时，只需要直接从树的根节点开始沿着某个树叉遍历下去，就能完成比对；如果没找到，停止本次遍历。这话讲得有些抽象，我们来看一个实际的例子。
假设我们现在词库里面有以下一些词：
上海市
上海滩
上海人
上海公司
北京
北斗星
杨柳
杨浦区
如图所示：挂在根节点上的字有上、北、杨，
如果我们现在对“上海市杨浦区”这个词做3gram就有上海市、海市杨、市杨浦、杨浦区，现在我们要知道哪些词是能够被这个字典识别的，通常我们可以用NGram来做分词。有了这颗树，我们只需要依次取每个字符，从根开始进行比对，比如上海市，我们能够匹配 上->海->市，这个路径，所以匹配；比如海市杨，由于没有“海”字挂在根节点上，所以停止；市杨浦也无法匹配；最终匹配杨浦区，得到 杨->浦->区 这个路径，匹配。
最终我们可以把“上海市杨浦区”切分为 上海市|杨浦区。
尽管TrieTree要比普通字符串数组节省很多时间，但这并不是没有代价的，因为你要先根据字典构建这棵树，这个代价并不低，当然对于某个应用来说一旦TrieTree构建完成就可以重复使用，所以针对大规模比对来说，性能提升还是很客观的。
下面是TrieTree的C#实现。
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;
}
}
}
这里我们使用了单例模式，因为TrieTree类似缓存，不需要重复创建。下面是TreeNode的实现：
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);
}
}
最后提供一个能工作的演示代码，供大家参考，点击这里下载。
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