计算机程序的思惟逻辑 (88) - 正则表达式 (上)

时间 2019-11-17

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本系列文章经补充和完善，已修订整理成书《Java编程的逻辑》（马俊昌著），由机械工业出版社华章分社出版，于2018年1月上市热销，读者好评如潮！各大网店和书店有售，欢迎购买：京东自营连接 html

上节咱们提到了正则表达式，它提高了文本处理的表达能力，本节就来讨论正则表达式，它是什么？有什么用？各类特殊字符都是什么含义？如何用Java借助正则表达式处理文本？都有哪些经常使用正则表达式？因为内容较多，咱们分为三节进行探讨，本节先简要探讨正则表达式的语法。git

正则表达式是一串字符，它描述了一个文本模式，利用它能够方便的处理文本，包括文本的查找、替换、验证、切分等。正则表达式

正则表达式中的字符有两类，一类是普通字符，就是匹配字符自己，另外一类是元字符，这些字符有特殊含义，这些元字符及其特殊含义就构成了正则表达式的语法。编程

正则表达式有一个比较长的历史，各类与文本处理有关的工具、编辑器和系统都支持正则表达式，大部分编程语言也都支持正则表达式。虽然都叫正则表达式，但因为历史缘由，不一样语言、系统和工具的语法不太同样，本文主要针对Java语言，其余语言可能有所差异。bash

下面，咱们就来简要介绍正则表达式的语法，咱们先分为如下部分分别介绍：微信

单个字符
字符组
量词
分组
特殊边界匹配
环视边界匹配

最后针对转义、匹配模式和各类语法进行总结。编程语言

单个字符

大部分的单个字符就是用字符自己表示的，好比字符'0','3','a','马'等，但有一些单个字符使用多个字符表示，这些字符都以斜杠''开头，好比：编辑器

特殊字符，好比tab字符'\t'，换行符'\n'，回车符'\r'等；
八进制表示的字符，以\0开头，后跟1到3位数字，好比\0141，对应的是ASCII编码为97的字符，即字符'a'；
十六进制表示的字符，以\x开头，后跟两位字符，好比\x6A，对应的是ASCII编码为106的字符，即字符'j'；
Unicode编号表示的字符，以\u开头，后跟四位字符，好比\u9A6C，表示的是中文字符'马'，这只能表示编号在0xFFFF如下的字符，若是超出0XFFFF，使用\x{...}形式，好比对于字符'💎'，可使用\x{1f48e}；
斜杠\自己，斜杠\是一个元字符，若是要匹配它自身，使用两个斜杠表示，即'\\'；
元字符自己，除了''，正则表达式中还有不少元字符，好比. * ? +等，要匹配这些元字符自身，须要在前面加转义字符''，好比'\.'。

字符组

任意字符

点号字符'.'是一个元字符，默认模式下，它匹配除了换行符之外的任意字符，好比正则表达式：工具

a.f
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既匹配字符串"abf"，也匹配"acf"。性能

能够指定另一种匹配模式，通常称为单行匹配模式或者叫点号匹配模式，在此模式下，'.'匹配任意字符，包括换行符。

能够有两种方式指定匹配模式，一种是在正则表达式中，以(?s)开头，s表示single line，即单行匹配模式，好比：

(?s)a.f
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另一种是在程序中指定，在Java中，对应的模式常量是Pattern.DOTALL，下节咱们再介绍Java API。

指定的多个字符之一

在单个字符和任意字符之间，有一个字符组的概念，匹配组中的任意一个字符，用中括号[]表示，好比：

[abcd]
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匹配a, b, c, d中的任意一个字符。

[0123456789]
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匹配任意一个数字字符。

字符区间

为方便表示连续的多个字符，字符组中可使用连字符'-'，好比：

[0-9]
[a-z]
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能够有多个连续空间，能够有其余普通字符，好比：

[0-9a-zA-Z_]
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在字符组中，'-'是一个元字符，若是要匹配它自身，可使用转义，即'-'，或者把它放在字符组的最前面，好比：

[-0-9]
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排除型字符组

字符组支持排除的概念，在[后紧跟一个字符^，好比：

[^abcd]
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表示匹配除了a, b, c, d之外的任意一个字符。

[^0-9]
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表示匹配一个非数字字符。

排除不是不能匹配，而是匹配一个指定字符组之外的字符，要表达不能匹配的含义，须要使用后文介绍的环视语法。

^只有在字符组的开头才是元字符，若是不在开头，就是普通字符，匹配它自身，好比：

[a^b]
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就是匹配字符a, ^或b。

字符组内的元字符

在字符组中，除了^ - [ ] \外，其余在字符组外的元字符再也不具有特殊含义，变成了普通字符，好比'.'，[.*]就是匹配'.'或者'*'自己。

字符组运算

字符组内能够包含字符组，好比：

[[abc][def]]
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最后的字符组等同于[abcdef]，内部多个字符组等同于并集运算。

字符组内还支持交集运算，语法是使用&&，好比：

[a-z&&[^de]]
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匹配的字符是a到z，但不能是d或e。

须要注意的是，其余语言可能不支持字符组运算。

预约义的字符组

有一些特殊的以\开头的字符，表示一些预约义的字符组，好比：

\d：d表示digit，匹配一个数字字符，等同于[0-9] ;
\w：w表示word，匹配一个单词字符，等同于[a-zA-Z_0-9];
\s：s表示space，匹配一个空白字符，等同于[ \t\n\x0B\f\r]。

它们都有对应的排除型字符组，用大写表示，即：

\D：匹配一个非数字字符，即[^\d] ;
\W：匹配一个非单词字符，即[^\w];
\S：匹配一个非空白字符，即[^\s]。

POSIX字符组

还有一类字符组，称为POSIX字符组，POSIX是一个标准，POSIX字符组是POSIX标准定义的一些字符组，在Java中，这些字符组的形式是\p{...}，好比：

\p{Lower}：小写字母，等同于[a-z]；
\p{Upper}：大写字母，等同于[A-Z];
\p{Digit}：数字，等同于[0-9]；
\p{Punct} ：标点符号，匹配!"#$%&'()*+,-./:;<=>?@[\]^_`{|}~中的一个。

POSIX字符组比较多，本文就不列举了。

量词

经常使用量词 + * ?

量词指的是指定出现次数的元字符，有三个常见的元字符+ * ?：

+：表示前面字符的一次或屡次出现，好比正则表达式ab+c，既能匹配abc，也能匹配abbc，或abbbc；
*：表示前面字符的零次或屡次出现，好比正则表达式ab*c，既能匹配abc，也能匹配ac，或abbbc；
?：表示前面字符可能出现，也可能不出现，好比正则表达式ab?c，既能匹配abc，也能匹配ac，但不能匹配abbc。

通用量词 {m,n}

更为通用的表示出现次数的语法是{m,n}，出现次数从m到n，包括m和n，若是n没有限制，能够省略，若是m和n同样，能够写为{m}，好比：

ab{1,10}c：b能够出现1次到10次
ab{3}c：b必须出现三次，即只能匹配abbbc
ab{1,}c：与ab+c同样
ab{0,}c：与ab*c同样
ab{0,1}c：与ab?c同样

须要注意的是，语法必须是严格的{m,n}形式，逗号左右不能有空格。

?, *, +, {是元字符，若是要匹配这些字符自己，须要使用''转义，好比

a\*b
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匹配字符串"a*b"。

这些量词出如今字符组中时，不是元字符，好比表达式

[?*+{]
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就是匹配其中一个字符自己。

贪婪与懒惰

关于量词，它们的默认匹配是贪婪的，什么意思呢？看个例子，正则表达式是：

<a>.*</a>
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若是要处理的字符串是：

<a>first</a><a>second</a>
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目的是想获得两个匹配，一个匹配：

<a>first</a>
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另外一个匹配：

<a>second</a>
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但默认状况下，获得的结果却只有一个匹配，匹配全部内容。

这是由于.*能够匹配第一个<a>和最后一个</a>之间的全部字符，只要能匹配，.*就尽可能日后匹配，它是贪婪的。若是但愿在碰到第一个匹配时就中止呢？应该使用懒惰量词，在量词的后面加一个符号'?'，针对上例，将表达式改成：

<a>.*?</a>
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就能获得指望的结果。

全部量词都有对应的懒惰形式，好比：x??, x*?, x+?, x{m,n}?等。

分组

表达式能够用括号()括起来，表示一个分组，好比a(bc)d，bc就是一个分组，分组能够嵌套，好比a(de(fg))。

捕获分组

分组默认都有一个编号，按照括号的出现顺序，从1开始，从左到右依次递增，好比表达式：

a(bc)((de)(fg))
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字符串abcdefg匹配这个表达式，第1个分组为bc，第2个为defg，第3个为de，第4个为fg。分组0是一个特殊分组，内容是整个匹配的字符串，这里是abcdefg。

分组匹配的子字符串能够在后续访问，好像被捕获了同样，因此默认分组被称为捕获分组。关于如何在Java中访问和使用捕获分组，咱们下节再介绍。

分组量词

能够对分组使用量词，表示分组的出现次数，好比a(bc)+d，表示bc出现一次或屡次。

分组多选

中括号[]表示匹配其中的一个字符，括号()和元字符'|'一块儿，能够表示匹配其中的一个子表达式，好比

(http|ftp|file)
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匹配http或ftp或file。

须要注意区分|和[]，|用于[]中再也不有特殊含义，好比

[a|b]
```
它的含义不是匹配a或b，而是a或|或b。

### 回溯引用

在正则表达式中，可使用斜杠\加分组编号引用以前匹配的分组，这称之为<span style="color:blue">回溯引用</span>，好比：
```
<(\w+)>(.*)</\1>
```
\1匹配以前的第一个分组(\w+)，这个表达式能够匹配相似以下字符串：
```
<title>bc</title>
```
这里，第一个分组是"title"。

### 命名分组

使用数字引用分组，可能容易出现混乱，能够对分组进行命名，经过名字引用以前的分组，对分组命名的语法是`(?<name>X)`，引用分组的语法是`\k<name>`，好比，上面的例子能够写为：
```
<(?<tag>\w+)>(.*)</\k<tag>>
```
### 非捕获分组

默认分组都称之为捕获分组，即分组匹配的内容被捕获了，能够在后续被引用，实现捕获分组有必定的成本，为了提升性能，若是分组后续不须要被引用，能够改成<span style="color:blue">非捕获分组</span>，语法是(?:...)，好比：
```
(?:abc|def)
```
## 特殊边界匹配

在正则表达式中，除了能够指定字符需知足什么条件，还能够指定字符的边界需知足什么条件，或者说匹配特定的边界，经常使用的表示特殊边界的元字符有^, $, \A, \Z, \z和\b。

### 边界 ^

默认状况下，^匹配整个字符串的开始，^abc表示整个字符串必须以abc开始。

须要注意的是^的含义，在字符组中它表示排除，但在字符组外，它匹配开始，好比表达式^[^abc]，表示以一个不是a,b,c的字符开始。

### 边界 $

默认状况下，$匹配整个字符串的结束，不过，若是整个字符串以换行符结束，$匹配的是换行符以前的边界，好比表达式abc$，表示整个表达式以abc结束，或者以abc\r\n或abc\n结束。

### 多行匹配模式

以上^和$的含义是默认模式下的，能够指定另一种匹配模式，<span style="color:blue">多行匹配模式</span>，在此模式下，会以行为单位进行匹配，^匹配的是行开始，$匹配的是行结束，好比表达式是^abc$，字符串是"abc\nabc\r\n"，就会有两个匹配。

能够有两种方式指定匹配模式，一种是在正则表达式中，以(?m)开头，m表示multiline，即多行匹配模式，上面的正则表达式能够写为：
```
(?m)^abc$
```
另一种是在程序中指定，在Java中，对应的模式常量是Pattern.MULTILINE，下节咱们再介绍Java API。

须要说明的是，多行模式和以前介绍的单行模式容易混淆，其实，它们之间没有关系，<span style="color:blue">单行模式影响的是字符'.'的匹配规则</span>，使得'.'能够匹配换行符，<span style="color:blue">多行模式影响的是^和$的匹配规则</span>，使得它们能够匹配行的开始和结束，两个模式能够一块儿使用。

### 边界 \A

\A与^相似，但无论什么模式，它匹配的老是整个字符串的开始边界。

### 边界 \Z和\z

\Z和\z与$相似，但无论什么模式，它们匹配的老是整个字符串的结束，\Z与\z的区别是，若是字符串以换行符结束，\Z与$同样，匹配的是换行符以前的边界，而\z匹配的老是结束边界。在进行输入验证的时候，为了确保输入最后没有多余的换行符，可使用\z进行匹配。

### 单词边界 \b

\b匹配的是单词边界，好比\bcat\b，匹配的是完整的单词cat，它不能匹配category，<span style="color:blue">\b匹配的不是一个具体的字符，而是一种边界，这种边界知足一个要求，即一边是单词字符，另外一边不是单词字符</span>。在Java中，\b识别的单词字符除了\w，还包括中文字符。

## 到底什么是边界匹配？

边界匹配可能难以理解，咱们强调下，到底什么是边界匹配。<span style="color:red">边界匹配不一样于字符匹配，能够认为，在一个字符串中，每一个字符的两边都是边界，而上面介绍的这些特殊字符，匹配的都不是字符，而是特定的边界</span>，看个例子：

![](https://lc-gold-cdn.xitu.io/ffc991471704495a6e9b.jpg)
上面的字符串是"a cat\n"，咱们用粗线显示出了每一个字符两边的边界，而且显示出了每一个边界与哪些边界元字符匹配。

## 环视边界匹配

### 定义

对于边界匹配，除了使用上面介绍的边界元字符，还有一种更为通用的方式，那就是环视，<span style="color:red">环视的字面意思就是左右看看，须要左右符合一些条件，本质上，它也是匹配边界，对边界有一些要求，这个要求是针对左边或右边的字符串的</span>，根据要求不一样，分为四种环视：

-    <span style="color:blue">确定顺序环视</span>，语法是(?=...)，要求右边的字符串匹配指定的表达式，好比表达式abc(?=def)，(?=def)在字符c右面，即匹配c右面的边界，对这个边界的要求是，它的右边有def，好比abcdef，若是没有，好比abcd，则不匹配；
-    <span style="color:blue">否认顺序环视</span>，语法是(?!...)，要求右边的字符串不能匹配指定的表达式，好比表达式s(?!ing)，匹配通常的s，但不匹配后面有ing的s；
-    <span style="color:blue">确定逆序环视</span>，语法是(?<=...)，要求左边的字符串匹配指定的表达式，好比表达式(?<=\s)abc，(?<=\s)在字符a左边，即匹配a左边的边界，对这个边界的要求是，它的左边必须是空白字符；
-    <span style="color:blue">否认逆序环视</span>，语法是(?<!...)，要求左边的字符串不能匹配指定的表达式，好比表达式(?<!\w)cat，(?<!\w)在字符c左边，即匹配c左边的边界，对这个边界的要求是，它的左边不能是单词字符。

能够看出，环视也使用括号()，不过，它不是分组，不占用分组编号。

这些环视结构也被称为<span style="color:blue">断言，断言的对象是边界，边界不占用字符，没有宽度，因此也被称为零宽度断言</span>。

### 否认顺序环视与排除型字符组

关于否认顺序环视，咱们要避免与排除型字符组混淆，即区分s(?!ing)与s[^ing]，s[^ing]匹配的是两个字符，第一个是s，第二个是i, n, g之外的任意一个字符。还要注意，写法s(^ing)是不对的，^匹配的是起始位置。

### 出如今左边的顺序环视

顺序环视也能够出如今左边，好比表达式：
```
(?=.*[A-Z])\w+
```
这个表达式是什么意思呢？

\w+匹配多个单词字符，(?=.*[A-Z])匹配单词字符的左边界，这是一个确定顺序环视，对这个边界的要求是，它右边的字符串匹配表达式：
```
.*[A-Z]
```
也就是说，它右边至少要有一个大写字母。

### 出如今右边的逆序环视

逆序环视也能够出如今右边，好比表达式：
```
[\w.]+(?<!\.)
```
[\w.]+匹配单词字符和字符'.'构成的字符串，好比"hello.ma"。`(?<!\.)`匹配字符串的右边界，这是一个逆序否认环视，对这个边界的要求是，它左边的字符不能是'.'，也就是说，若是字符串以'.'结尾，则匹配的字符串中不能包括这个'.'，好比，若是字符串是"hello.ma."，则匹配的子字符串是"hello.ma"。

### 并行环视

<span style="color:blue">环视匹配的是一个边界，里面的表达式是对这个边界左边或右边字符串的要求，对同一个边界，能够指定多个要求</span>，即写多个环视，好比表达式：
```
(?=.*[A-Z])(?=.*[0-9])\w+
```
\w+的左边界有两个要求，`(?=.*[A-Z])`要求后面至少有一个大写字母，`(?=.*[0-9])`要求后面至少有一位数字。

## 转义与匹配模式

### 转义

咱们知道，字符'\'表示转义，转义有两种：

-   <span style="color:blue">把普通字符转义，使其具有特殊含义</span>，好比```'\t', '\n', '\d', '\w', '\b', '\A'```等，也就是说，这个转义把普通字符变为了元字符；
-   <span style="color:blue">把元字符转义，使其变为普通字符</span>，好比```'\.', '\*', '\?','\(', '\\'```等。

记住全部的元字符，并在须要的时候进行转义，这是比较困难的，有一个简单的办法，能够将全部元字符看作普通字符，就是在开始处加上\Q，在结束处加上\E，好比：
```
\Q(.*+)\E
```
\Q和\E之间的全部字符都会被视为普通字符。

正则表达式用字符串表示，在Java中，字符'\'也是字符串语法中的元字符，这使得正则表达式中的'\'，在Java字符串表示中，要用两个'\'，即```'\\'```，而要匹配字符'\'自己，在Java字符串表示中，要用四个'\'，即```'\\\\'```，关于这点，下节咱们会进一步说明。

### 匹配模式

前面提到了两种匹配模式，还有一种经常使用的匹配模式，就是不区分大小写的模式，指定方式也有两种，一种是在正则表达式开头使用(?i)，i为ignore，好比：
```
(?i)the
```
既能够匹配the，也能够匹配THE，还能够匹配The。

也能够在程序中指定，Java中对应的变量是Pattern.CASE_INSENSITIVE。

须要说明的是，匹配模式间不是互斥的关系，它们能够一块儿使用，在正则表达式中，能够指定多个模式，好比(?smi)。

### 语法总结

下面，咱们用表格的形式简要汇总下正则表达式的语法。

![](https://lc-gold-cdn.xitu.io/ee3aa3c3bffb7ddc9bef.jpg)

![](https://lc-gold-cdn.xitu.io/db2ff0d463eb55e03173.jpg)

![](https://lc-gold-cdn.xitu.io/37a735bc02b5dee04f8d.jpg)

![](https://lc-gold-cdn.xitu.io/5ed8f72b41a7c5fd6c91.jpg)

![](https://lc-gold-cdn.xitu.io/512efeb05dc0e8fbb576.jpg)

![](https://lc-gold-cdn.xitu.io/c8869193c2f6acbf5d5f.jpg)

## 小结

本节简要介绍了正则表达式中的语法，下一节，咱们来探讨相关的Java API。

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