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深入浅出——正则表达式教程(二)

08
六月

前言:
  本文是前一片文章《深入浅出之正则表达式(一)》的续篇,在本文中讲述了正则表达式中的组与向后引用,先前向后查看,条件测试,单词边界,选择符等表达式及例子,并分析了正则引擎在执行匹配时的内部机理。
  本文是Jan Goyvaerts为RegexBuddy写的教程的译文,版权归原作者所有,欢迎转载。但是为了尊重原作者和译者的劳动,请注明出处!谢谢!

9.  单词边界

元字符<<\b>>也是一种对位置进行匹配的“锚”。这种匹配是0长度匹配。

有4种位置被认为是“单词边界”:

  1)在字符串的第一个字符前的位置(如果字符串的第一个字符是一个“单词字符”)
  2)在字符串的最后一个字符后的位置(如果字符串的最后一个字符是一个“单词字符”)
  3)在一个“单词字符”和“非单词字符”之间,其中“非单词字符”紧跟在“单词字符”之后
  4) 在一个“非单词字符”和“单词字符”之间,其中“单词字符”紧跟在“非单词字符”后面

  “单词字符”是可以用“\w”匹配的字符,“非单词字符”是可以用“\W”匹配的字符。在大多数的正则表达式实现中,“单词字符”通常包括<<[a-zA-Z0-9_]>>。

例如:<<\b4\b>>能够匹配单个的4而不是一个更大数的一部分。这个正则表达式不会匹配“44”中的4。
换种说法,几乎可以说<<\b>>匹配一个“字母数字序列”的开始和结束的位置。

“单词边界”的取反集为<<\B>>,他要匹配的位置是两个“单词字符”之间或者两个“非单词字符”之间的位置。

·  深入正则表达式引擎内部

  让我们看看把正则表达式<<\bis\b>>应用到字符串“This island is beautiful”。引擎先处理符号<<\b>>。因为\b是0长度 ,所以第一个字符T前面的位置会被考察。因为T是一个“单词字符”,而它前面的字符是一个空字符(void),所以\b匹配了单词边界。接着<<i>>和第一个字符“T”匹配失败。匹配过程继续进行,直到第五个空格符,和第四个字符“s”之间又匹配了<<\b>>。然而空格符和<<i>>不匹配。继续向后,到了第六个字符“i”,和第五个空格字符之间匹配了<<\b>>,然后<<is>>和第六、第七个字符都匹配了。然而第八个字符和第二个“单词边界”不匹配,所以匹配又失败了。到了第13个字符i,因为和前面一个空格符形成“单词边界”,同时<<is>>和“is”匹配。引擎接着尝试匹配第二个<<\b>>。因为第15个空格符和“s”形成单词边界,所以匹配成功。引擎“急着”返回成功匹配的结果。

10.  选择符

  正则表达式中“|”表示选择。你可以用选择符匹配多个可能的正则表达式中的一个。

  如果你想搜索文字“cat”或“dog”,你可以用<<cat|dog>>。如果你想有更多的选择,你只要扩展列表<<cat|dog|mouse|fish>>。

  选择符在正则表达式中具有最低的优先级,也就是说,它告诉引擎要么匹配选择符左边的所有表达式,要么匹配右边的所有表达式。你也可以用圆括号来限制选择符的作用范围。如<<\b(cat|dog)\b>>,这样告诉正则引擎把(cat|dog)当成一个正则表达式单位来处理。

·  注意正则引擎的“急于表功”性

  正则引擎是急切的,当它找到一个有效的匹配时,它会停止搜索。因此在一定条件下,选择符两边的表达式的顺序对结果会有影响。假设你想用正则表达式搜索一个编程语言的函数列表:Get,GetValue,Set或SetValue。一个明显的解决方案是<<Get|GetValue|Set|SetValue>>。让我们看看当搜索SetValue时的结果。

  因为<<Get>>和<<GetValue>>都失败了,而<<Set>>匹配成功。因为正则导向的引擎都是“急切”的,所以它会返回第一个成功的匹配,就是“Set”,而不去继续搜索是否有其他更好的匹配。

  和我们期望的相反,正则表达式并没有匹配整个字符串。有几种可能的解决办法。一是考虑到正则引擎的“急切”性,改变选项的顺序,例如我们使用<<GetValue|Get|SetValue|Set>>,这样我们就可以优先搜索最长的匹配。我们也可以把四个选项结合起来成两个选项:<<Get(Value)?|Set(Value)?>>。因为问号重复符是贪婪的,所以SetValue总会在Set之前被匹配。

  一个更好的方案是使用单词边界:<<\b(Get|GetValue|Set|SetValue)\b>>或<<\b(Get(Value)?|Set(Value)?\b>>。更进一步,既然所有的选择都有相同的结尾,我们可以把正则表达式优化为<<\b(Get|Set)(Value)?\b>>。

11.  组与向后引用

  把正则表达式的一部分放在圆括号内,你可以将它们形成组。然后你可以对整个组使用一些正则操作,例如重复操作符。

  要注意的是,只有圆括号“()”才能用于形成组。“[]”用于定义字符集。“{}”用于定义重复操作。

  当用“()”定义了一个正则表达式组后,正则引擎则会把被匹配的组按照顺序编号,存入缓存。当对被匹配的组进行向后引用的时候,可以用“\数字”的方式进行引用。<<\1>>引用第一个匹配的后向引用组,<<\2>>引用第二个组,以此类推,<<\n>>引用第n个组。而<<\0>>则引用整个被匹配的正则表达式本身。我们看一个例子。

  假设你想匹配一个HTML标签的开始标签和结束标签,以及标签中间的文本。比如<B>This is a test</B>,我们要匹配<B>和</B>以及中间的文字。我们可以用如下正则表达式:“<([A-Z][A-Z0-9]*)[^>]*>.*?</\1>”

  首先,“<”将会匹配“<B>”的第一个字符“<”。然后[A-Z]匹配B,[A-Z0-9]*将会匹配0到多次字母数字,后面紧接着0到多个非“>”的字符。最后正则表达式的“>”将会匹配“<B>”的“>”。接下来正则引擎将对结束标签之前的字符进行惰性匹配,直到遇到一个“</”符号。然后正则表达式中的“\1”表示对前面匹配的组“([A-Z][A-Z0-9]*)”进行引用,在本例中,被引用的是标签名“B”。所以需要被匹配的结尾标签为“</B>”

  你可以对相同的后向引用组进行多次引用,<<([a-c])x\1x\1>>将匹配“axaxa”、“bxbxb”以及“cxcxc”。如果用数字形式引用的组没有有效的匹配,则引用到的内容简单的为空。

  一个后向引用不能用于它自身。<<([abc]\1)>>是错误的。因此你不能将<<\0>>用于一个正则表达式匹配本身,它只能用于替换操作中。

  后向引用不能用于字符集内部。<<(a)[\1b]>>中的<<\1>>并不表示后向引用。在字符集内部,<<\1>>可以被解释为八进制形式的转码。

  向后引用会降低引擎的速度,因为它需要存储匹配的组。如果你不需要向后引用,你可以告诉引擎对某个组不存储。例如:<<Get(?:Value)>>。其中“(”后面紧跟的“?:”会告诉引擎对于组(Value),不存储匹配的值以供后向引用。

· 重复操作与后向引用

  当对组使用重复操作符时,缓存里后向引用内容会被不断刷新,只保留最后匹配的内容。例如:<<([abc]+)=\1>>将匹配“cab=cab”,但是<<([abc])+=\1>>却不会。因为([abc])第一次匹配“c”时,“\1”代表“c”;然后([abc])会继续匹配“a”和“b”。最后“\1”代表“b”,所以它会匹配“cab=b”。

  应用:检查重复单词–当编辑文字时,很容易就会输入重复单词,例如“the the”。使用<<\b(\w+)\s+\1\b>>可以检测到这些重复单词。要删除第二个单词,只要简单的利用替换功能替换掉“\1”就可以了。

·  组的命名和引用

  在PHP,Python中,可以用<<(?P<name>group)>>来对组进行命名。在本例中,词法?P<name>就是对组(group)进行了命名。其中name是你对组的起的名字。你可以用(?P=name)进行引用。

·  .NET的命名组

  .NET framework也支持命名组。不幸的是,微软的程序员们决定发明他们自己的语法,而不是沿用Perl、Python的规则。目前为止,还没有任何其他的正则表达式实现支持微软发明的语法。

下面是.NET中的例子:

 程序代码
(?<first>group)(?’second’group)

  正如你所看到的,.NET提供两种词法来创建命名组:一是用尖括号“<>”,或者用单引号“’’”。尖括号在字符串中使用更方便,单引号在ASP代码中更有用,因为ASP代码中“<>”被用作HTML标签。

  要引用一个命名组,使用\k<name>或\k’name’.

  当进行搜索替换时,你可以用“${name}”来引用一个命名组。

12.  正则表达式的匹配模式

  本教程所讨论的正则表达式引擎都支持三种匹配模式:

  <</i>>使正则表达式对大小写不敏感,

  <</s>>开启“单行模式”,即点号“.”匹配新行符

  <</m>>开启“多行模式”,即“^”和“$”匹配新行符的前面和后面的位置。

· 在正则表达式内部打开或关闭模式

如果你在正则表达式内部插入修饰符(?ism),则该修饰符只对其右边的正则表达式起作用。(?-i)是关闭大小写不敏感。你可以很快的进行测试。<<(?i)te(?-i)st>>应该匹配TEst,但是不能匹配teST或TEST.

13.  原子组与防止回溯

在一些特殊情况下,因为回溯会使得引擎的效率极其低下。

让我们看一个例子:要匹配这样的字串,字串中的每个字段间用逗号做分隔符,第12个字段由P开头。

我们容易想到这样的正则表达式<<^(.*?,){11}P>>。这个正则表达式在正常情况下工作的很好。但是在极端情况下,如果第12个字段不是由P开头,则会发生灾难性的回溯。如要搜索的字串为“1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13”。首先,正则表达式一直成功匹配直到第12个字符。这时,前面的正则表达式消耗的字串为“1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,”,到了下一个字符,<<P>>并不匹配“12”。所以引擎进行回溯,这时正则表达式消耗的字串为“1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11”。继续下一次匹配过程,下一个正则符号为点号<<.>>,可以匹配下一个逗号“,”。然而<<,>>并不匹配字符“12”中的“1”。匹配失败,继续回溯。大家可以想象,这样的回溯组合是个非常大的数量。因此可能会造成引擎崩溃。

用于阻止这样巨大的回溯有几种方案:

一种简单的方案是尽可能的使匹配精确。用取反字符集代替点号。例如我们用如下正则表达式<<^([^,\r\n]*,){11}P>>,这样可以使失败回溯的次数下降到11次。

另一种方案是使用原子组。

原子组的目的是使正则引擎失败的更快一点。因此可以有效的阻止海量回溯。原子组的语法是<<(?>正则表达式)>>。位于(?>)之间的所有正则表达式都会被认为是一个单一的正则符号。一旦匹配失败,引擎将会回溯到原子组前面的正则表达式部分。前面的例子用原子组可以表达成<<^(?>(.*?,){11})P>>。一旦第十二个字段匹配失败,引擎回溯到原子组前面的<<^>>。

14.  向前查看与向后查看

  Perl 5 引入了两个强大的正则语法:“向前查看”和“向后查看”。他们也被称作“零长度断言”。他们和锚定一样都是零长度的(所谓零长度即指该正则表达式不消耗被匹配的字符串)。不同之处在于“前后查看”会实际匹配字符,只是他们会抛弃匹配只返回匹配结果:匹配或不匹配。这就是为什么他们被称作“断言”。他们并不实际消耗字符串中的字符,而只是断言一个匹配是否可能。

几乎本文讨论的所有正则表达式的实现都支持“向前向后查看”。唯一的一个例外是Javascript只支持向前查看。

· 肯定和否定式的向前查看

  如我们前面提过的一个例子:要查找一个q,后面没有紧跟一个u。也就是说,要么q后面没有字符,要么后面的字符不是u。采用否定式向前查看后的一个解决方案为<<q(?!u)>>。否定式向前查看的语法是<<(?!查看的内容)>>。

  肯定式向前查看和否定式向前查看很类似:<<(?=查看的内容)>>。

  如果在“查看的内容”部分有组,也会产生一个向后引用。但是向前查看本身并不会产生向后引用,也不会被计入向后引用的编号中。这是因为向前查看本身是会被抛弃掉的,只保留匹配与否的判断结果。如果你想保留匹配的结果作为向后引用,你可以用<<(?=(regex))>>来产生一个向后引用。

·  肯定和否定式的先后查看

  向后查看和向前查看有相同的效果,只是方向相反

  否定式向后查看的语法是:<<(?<!查看内容)>>

  肯定式向后查看的语法是:<<(?<=查看内容)>>

  我们可以看到,和向前查看相比,多了一个表示方向的左尖括号。

例:<<(?<!a)b>>将会匹配一个没有“a”作前导字符的“b”。

值得注意的是:向前查看从当前字符串位置开始对“查看”正则表达式进行匹配;向后查看则从当前字符串位置开始先后回溯一个字符,然后再开始对“查看”正则表达式进行匹配。

· 深入正则表达式引擎内部

让我们看一个简单例子。

  把正则表达式<<q(?!u)>>应用到字符串“Iraq”。正则表达式的第一个符号是<<q>>。正如我们知道的,引擎在匹配<<q>>以前会扫过整个字符串。当第四个字符“q”被匹配后,“q”后面是空字符(void)。而下一个正则符号是向前查看。引擎注意到已经进入了一个向前查看正则表达式部分。下一个正则符号是<<u>>,和空字符不匹配,从而导致向前查看里的正则表达式匹配失败。因为是一个否定式的向前查看,意味着整个向前查看结果是成功的。于是匹配结果“q”被返回了。

  我们在把相同的正则表达式应用到“quit”。<<q>>匹配了“q”。下一个正则符号是向前查看部分的<<u>>,它匹配了字符串中的第二个字符“i”。引擎继续走到下个字符“i”。然而引擎这时注意到向前查看部分已经处理完了,并且向前查看已经成功。于是引擎抛弃被匹配的字符串部分,这将导致引擎回退到字符“u”。

  因为向前查看是否定式的,意味着查看部分的成功匹配导致了整个向前查看的失败,因此引擎不得不进行回溯。最后因为再没有其他的“q”和<<q>>匹配,所以整个匹配失败了。

  为了确保你能清楚地理解向前查看的实现,让我们把<<q(?=u)i>>应用到“quit”。<<q>>首先匹配“q”。然后向前查看成功匹配“u”,匹配的部分被抛弃,只返回可以匹配的判断结果。引擎从字符“i”回退到“u”。由于向前查看成功了,引擎继续处理下一个正则符号<<i>>。结果发现<<i>>和“u”不匹配。因此匹配失败了。由于后面没有其他的“q”,整个正则表达式的匹配失败了。

· 更进一步理解正则表达式引擎内部机制

  让我们把<<(?<=a)b>>应用到“thingamabob”。引擎开始处理向后查看部分的正则符号和字符串中的第一个字符。在这个例子中,向后查看告诉正则表达式引擎回退一个字符,然后查看是否有一个“a”被匹配。因为在“t”前面没有字符,所以引擎不能回退。因此向后查看失败了。引擎继续走到下一个字符“h”。再一次,引擎暂时回退一个字符并检查是否有个“a”被匹配。结果发现了一个“t”。向后查看又失败了。

  向后查看继续失败,直到正则表达式到达了字符串中的“m”,于是肯定式的向后查看被匹配了。因为它是零长度的,字符串的当前位置仍然是“m”。下一个正则符号是<<b>>,和“m”匹配失败。下一个字符是字符串中的第二个“a”。引擎向后暂时回退一个字符,并且发现<<a>>不匹配“m”。

  在下一个字符是字符串中的第一个“b”。引擎暂时性的向后退一个字符发现向后查看被满足了,同时<<b>>匹配了“b”。因此整个正则表达式被匹配了。作为结果,正则表达式返回字符串中的第一个“b”。

· 向前向后查看的应用

  我们来看这样一个例子:查找一个具有6位字符的,含有“cat”的单词。

  首先,我们可以不用向前向后查看来解决问题,例如:

 程序代码
<< cat\w{3}|\wcat\w{2}|\w{2}cat\w|\w{3}cat>>
  足够简单吧!但是当需求变成查找一个具有6-12位字符,含有“cat”,“dog”或“mouse”的单词时,这种方法就变得有些笨拙了。

  我们来看看使用向前查看的方案。在这个例子中,我们有两个基本需求要满足:一是我们需要一个6位的字符,二是单词含有“cat”。

  满足第一个需求的正则表达式为<<\b\w{6}\b>>。满足第二个需求的正则表达式为
 程序代码
<<\b\w*cat\w*\b>>
把两者结合起来,我们可以得到如下的正则表达式:

 程序代码
<<(?=\b\w{6}\b)\b\w*cat\w*\b>>
  具体的匹配过程留给读者。但是要注意的一点是,向前查看是不消耗字符的,因此当判断单词满足具有6个字符的条件后,引擎会从开始判断前的位置继续对后面的正则表达式进行匹配。

最后作些优化,可以得到下面的正则表达式:

 程序代码
<<\b(?=\w{6}\b)\w{0,3}cat\w*>>
15.  正则表达式中的条件测试

  条件测试的语法为<<(?ifthen|else)>>。“if”部分可以是向前向后查看表达式。如果用向前查看,则语法变为:<<(?(?=regex)then|else)>>,其中else部分是可选的。

  如果if部分为true,则正则引擎会试图匹配then部分,否则引擎会试图匹配else部分。

  需要记住的是,向前先后查看并不实际消耗任何字符,因此后面的then与else部分的匹配时从if测试前的部分开始进行尝试。

16.  为正则表达式添加注释

在正则表达式中添加注释的语法是:

 程序代码
<<(?#comment)>>
例:为用于匹配有效日期的正则表达式添加注释:

 程序代码
(?#year)(19|20)\d\d[- /.](?#month)(0[1-9]|1[012])[- /.](?#day)(0[1-9]|[12][0-9]|3[01])

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