面试题：复杂Fortran字符串模式匹配及替换优化

Question

假设有一个非常长的文本字符串text，以及一组复杂的模式字符串pattern_list，模式字符串可以包含通配符（例如'?'代表任意单个字符，'*'代表任意多个字符）。要求编写一个高效的Fortran程序，在text中查找所有匹配pattern_list中模式的子串，并将其替换为对应的替换字符串replace_list中的字符串。请详细说明算法设计思路，如何优化性能以应对大数据量的情况，并给出核心的Fortran代码实现。

Answer 1

算法设计思路

1. 模式匹配算法选择：对于包含通配符的模式匹配，采用扩展的KMP算法或者BM算法的变体来提高匹配效率。这些算法通过预处理模式字符串，减少不必要的字符比较。
2. 预处理：对每个模式字符串，构建一个状态转移表或者坏字符表、好后缀表等（取决于采用的算法），以加快匹配过程。
3. 并行处理：考虑到大数据量，可以利用Fortran的并行计算能力，例如OpenMP，对text进行分块处理，每个线程处理一部分text，同时匹配所有模式。
4. 缓存优化：合理利用缓存，减少内存访问次数。例如，将频繁访问的模式字符串和状态表等数据放在缓存友好的内存区域。

性能优化

1. 减少字符串拷贝：在替换子串时，尽量避免不必要的字符串拷贝操作，通过指针操作直接修改原字符串。
2. 批量处理：对于多次替换操作，尽量批量执行，减少字符串操作的次数。
3. 使用高效数据结构：如哈希表来存储模式字符串及其对应的替换字符串，以加快查找速度。

核心Fortran代码实现

program pattern_replacement
    implicit none
    character(len=:), allocatable :: text, replace_str
    character(len=100), dimension(:), allocatable :: pattern_list, replace_list
    integer :: i, j, text_len, pattern_len, replace_len
    logical :: match

   ! 假设已经初始化了text, pattern_list, replace_list
    text_len = len(text)

    do i = 1, size(pattern_list)
        pattern_len = len(pattern_list(i))
        replace_len = len(replace_list(i))
        do j = 1, text_len - pattern_len + 1
            match =.true.
            do k = 1, pattern_len
                if (pattern_list(i)(k:k) == '?') then
                    cycle
                else if (pattern_list(i)(k:k) == '*') then
                    do l = 0, text_len - j - pattern_len + 1
                        if (match_pattern(text(j + l:j + l + pattern_len - 1), pattern_list(i), l + 1)) then
                            replace_str = replace_list(i)
                           ! 进行替换操作
                            text(j:j + l + pattern_len - 1) = replace_str
                            j = j + len(replace_str) - 1
                            match =.false.
                            exit
                        end if
                    end do
                else if (text(j + k - 1:j + k - 1) /= pattern_list(i)(k:k)) then
                    match =.false.
                    exit
                end if
            end do
            if (match) then
                replace_str = replace_list(i)
               ! 进行替换操作
                text(j:j + pattern_len - 1) = replace_str
                j = j + len(replace_str) - 1
            end if
        end do
    end do
contains
    function match_pattern(sub_text, pattern, start) result(is_match)
        character(len=*), intent(in) :: sub_text, pattern
        integer, intent(in) :: start
        logical :: is_match
        integer :: i, j
        is_match =.true.
        i = 1
        j = start
        do while (i <= len(pattern).and.j <= len(sub_text))
            if (pattern(i:i) == '?') then
                i = i + 1
                j = j + 1
            else if (pattern(i:i) == '*') then
                do while (j <= len(sub_text))
                    if (match_pattern(sub_text(j:), pattern(i + 1:), 1)) then
                        is_match =.true.
                        return
                    end if
                    j = j + 1
                end do
                is_match =.false.
                return
            else if (sub_text(j:j) /= pattern(i:i)) then
                is_match =.false.
                return
            else
                i = i + 1
                j = j + 1
            end if
        end do
        if (i <= len(pattern)) then
            is_match =.false.
        end if
    end function match_pattern
end program pattern_replacement

上述代码中：

1. 外层循环遍历pattern_list中的每个模式字符串。
2. 内层循环遍历text，尝试匹配模式。
3. match_pattern函数用于判断子字符串是否匹配模式字符串，考虑了通配符的处理。
4. 匹配成功后，直接在text中进行替换操作。

请注意，这只是一个基本的实现框架，实际应用中可能需要根据具体需求进行更多的优化和完善，例如并行处理、缓存优化等。