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正则表达式从入门到放弃v0.1

Posted by Hi@Yoese on Saturday, November 28, 2020

正则表达式从入门到放弃

在编写处理字符串的程序或网页时，经常会有查找符合某些复杂规则的字符串的需要。正则表达式就是用于描述这些规则的工具。换句话说，正则表达式就是记录文本规则的代码。

很可能你使用过Windows/Dos下用于文件查找的通配符(wildcard)，也就是和?。如果你想查找某个目录下的所有的Word文档的话，你会搜索.doc。在这里，*会被解释成任意的字符串。和通配符类似，正则表达式也是用来进行文本匹配的工具，只不过比起通配符，它能更精确地描述你的需求——当然，代价就是更复杂——比如你可以编写一个正则表达式，用来查找所有以0开头，后面跟着2-3个数字，然后是一个连字号“-”，最后是7或8位数字的字符串(像010-12345678或0376-7654321)。

字符是计算机软件处理文字时最基本的单位，可能是字母，数字，标点符号，空格，换行符，汉字等等。字符串是0个或更多个字符的序列。文本也就是文字，字符串。说某个字符串匹配某个正则表达式，通常是指这个字符串里有一部分（或几部分分别）能满足表达式给出的条件。

\b是正则表达式规定的一个特殊代码（好吧，某些人叫它元字符，metacharacter），代表着单词的开头或结尾，也就是单词的分界处。虽然通常英文的单词是由空格，标点符号或者换行来分隔的，但是\b并不匹配这些单词分隔字符中的任何一个，它只匹配一个位置。

如果需要更精确的说法，\b匹配这样的位置：它的前一个字符和后一个字符不全是(一个是,一个不是或不存在)\w。

假如你要找的是hi后面不远处跟着一个Lucy，你应该用\bhi\b.*\bLucy\b。

这里，.是另一个元字符，匹配除了换行符以外的任意字符。同样是元字符，不过它代表的不是字符，也不是位置，而是数量——它指定前边的内容可以连续重复使用任意次以使整个表达式得到匹配。因此，.连在一起就意味着任意数量的不包含换行的字符。现在\bhi\b.\bLucy\b的意思就很明显了：先是一个单词hi,然后是任意个任意字符(但不能是换行)，最后是Lucy这个单词。

换行符就是’\n’,ASCII编码为10(十六进制0x0A)的字符。

如果你不觉得正则表达式很难读写的话，要么你是一个天才，要么，你不是地球人。正则表达式的语法很令人头疼，即使对经常使用它的人来说也是如此。由于难于读写，容易出错，所以找一种工具对正则表达式进行测试是很有必要的。

不同的环境下正则表达式的一些细节是不相同的，本教程介绍的是微软 .Net Framework 4.x 下正则表达式的行为，所以，我向你推荐我编写的.Net下的工具 Regester。请参考该页面的说明来安装和运行该软件。

下面是Regester运行时的截图：

Regester

6. 元字符

现在你已经知道几个很有用的元字符了，如\b,.,*，还有\d.正则表达式里还有更多的元字符，比如\s匹配任意的空白符，包括空格，制表符(Tab)，换行符，中文全角空格等。\w匹配字母或数字或下划线或汉字等。

对中文/汉字的特殊处理是由.Net提供的正则表达式引擎支持的，其它环境下的具体情况请查看相关文档。

下面来看看更多的例子：

\ba\w*\b匹配以字母a开头的单词——先是某个单词开始处(\b)，然后是字母a,然后是任意数量的字母或数字(\w*)，最后是单词结束处(\b)。

\d+匹配1个或更多连续的数字。这里的+是和类似的元字符，不同的是匹配重复任意次(可能是0次)，而+则匹配重复1次或更多次。

\b\w{6}\b 匹配刚好6个字符的单词。

元字符^（和数字6在同一个键位上的符号）和$都匹配一个位置，这和\b有点类似。^匹配你要用来查找的字符串的开头，$匹配结尾。这两个代码在验证输入的内容时非常有用，比如一个网站如果要求你填写的QQ号必须为5位到12位数字时，可以使用：^\d{5,12}$。

这里的{5,12}和前面介绍过的{2}是类似的，只不过{2}匹配只能不多不少重复2次，{5,12}则是重复的次数不能少于5次，不能多于12次，否则都不匹配。

因为使用了^和$，所以输入的整个字符串都要用来和\d{5,12}来匹配，也就是说整个输入必须是5到12个数字，因此如果输入的QQ号能匹配这个正则表达式的话，那就符合要求了。

和忽略大小写的选项类似，有些正则表达式处理工具还有一个处理多行的选项。如果选中了这个选项，^和$的意义就变成了匹配行的开始处和结束处。

正则表达式引擎通常会提供一个“测试指定的字符串是否匹配一个正则表达式”的方法，如JavaScript里的RegExp.test()方法或.NET里的Regex.IsMatch()方法。这里的匹配是指是字符串里有没有符合表达式规则的部分。如果不使用^和$的话，对于\d{5,12}而言，使用这样的方法就只能保证字符串里包含5到12连续位数字，而不是整个字符串就是5到12位数字。

7. 字符转义

8. 重复

9. 字符类

10. 分枝条件（逻辑：或）（文档已修复）

不幸的是，刚才那个表达式也能匹配 010)12345678 或 (022-87654321 这样的“不正确”的格式。要解决这个问题，我们需要用到分枝条件。

正则表达式里的分枝条件指的是有几种规则，如果满足其中任意一种规则都应该当成匹配，具体方法是用|把不同的规则分隔开。

听不明白？没关系，看例子：

0\d{2}-\d{8}|0\d{3}-\d{7} 

这个表达式能匹配两种以连字号分隔的电话号码：

  • 一种是： 三位区号，8位本地号(如010-12345678)，
  • 一种是： 4位区号，7位本地号(0376-2233445)。
\(0\d{2}\)[- ]?\d{8}|0\d{2}[- ]?\d{8}

这个表达式匹配2 种情况

  • 一种是：用（3位区号）的电话号码，其中区号可以用小括号括起来，
    • (021)12345678
    • (021) 12345678
    • (021)-12345678
  • 一种是：区号没有（），与本地号间可以用连字号或空格间隔，也可以没有间隔。
    • 02112345678
    • 021 12345678
    • 021-12345678

你可以试试用分枝条件把这个表达式扩展成也支持4位区号的。


\d{5}-\d{4}|\d{5}

这个表达式用于匹配美国的邮政编码。美国邮编的规则 有两种，。

  • 用 “-” 间隔的9位数字：12345-1234
  • 5位数字：12345

之所以要给出这个例子是因为它能说明一个问题：使用分枝条件时，要注意各个条件的顺序。如果你把它改成\d{5}|\d{5}-\d{4}的话，那么就只会匹配5位的邮编(以及9位邮编的前5位)。

原因是匹配分枝条件时，将会从左到右地测试每个条件，如果满足了某个分枝的话，就不会去再管其它的条件了。

11. 分组

我们已经提到了怎么重复单个字符（直接在字符后面加上限定符就行了）。 但如果想要重复多个字符又该怎么办？

你可以用 “(条件)” 来指定子表达式(也叫做分组)，然后你就可以指定这个子表达式的重复次数 "{重复次数} " 了，完整表达： "(条件){重复次数} " 。

举例：IP地址匹配表达式（不完整，存在异常情况）

(\d{1,3}\.){3}\d{1,3}

/// 要理解这个表达式，请按下列顺序分析它：
/// ip地址 111.222.333.444

\d{1,3} // 匹配1到3位的数字，
(\d{1,3}\.){3} // 匹配三位数字加上一个英文句号(这个整体也就是这个分组)重复3次，
               // 匹配 111.222.333
(\d{1,3}) // 匹配 444

不幸的是，它也将匹配 256.300.888.999 这种不可能存在的IP地址。

如果能使用算术比较的话，或许能简单地解决这个问题，但是正则表达式中并不提供关于数学的任何功能，所以只能使用冗长的分组，选择，字符类来描述一个正确的IP地址：

举例：IP地址匹配表达式1

((2[0-4]\d|25[0-5]|[01]?\d\d?)\.){3}(2[0-4]\d|25[0-5]|[01]?\d\d?)

(2[0-4]\d|25[0-5]|[01]?\d\d?)
2[0-4]\d // 200 - 249
25[0-5]  // 250 - 255

[01]?\d\d? 
    [01]? // 0xx 或 1xx 或 xx, xx = \d\d? 
    \d\d? // 0-9
          // 00-99

理解这个表达式的关键是理解2[0-4]\d|25[0-5]|[01]?\d\d?，这里我就不细说了，你自己应该能分析得出来它的意义。

举例：IP地址匹配表达式2

一个合法的IPv4地址由4组数字组成，每组数字之间以.分隔，且取值范围是0-255。每组许可范围总结为以下4点：

所以IPv4的每组数字可表示为：

(\d{1,2})|(1\d{2})|(2[0-4]\d)|(25[0-5])

/// 解释
\d{1,2}  // 任何一个1位或2位数字, 0-99
1\d{2}   // 任何一个以1开头的3位数字 100-199
2[0-4]\d // 任何一个以2开头、第2位数字是0-4之间的3位数字 200-249
25[0-5]  // 任何一个以25开头，第3位数字在0-5之间的3位数字 250-255

/// 完整I**P地址匹配表达式**
(((\d{1,2})|(1\d{2})|(2[0-4]\d)|(25[0-5]))\.){3}((\d{1,2})|(1\d{2})|(2[0-4]\d)|(25[0-5]))

IP地址中每个数字都不能大于255. 经常有人问我, 01.02.03.04 这样前面带有0的数字, 是不是正确的IP地址呢? 答案是: 是的, IP 地址里的数字可以包含有前导 0 (leading zeroes).

12. 反义

反义，即去除

有时需要查找不属于某个能简单定义的字符类的字符。比如想查找除了数字以外，其它任意字符都行的情况，这时需要用到反义。

表3.常用的反义代码

例子：

\S+       // 匹配不包含空白符的字符串。
<a[^>]+>  // 匹配用尖括号括起来的以a开头的字符串。

13. 后向引用

使用小括号指定一个子表达式后，匹配这个子表达式的文本(也就是此分组捕获的内容)可以在表达式或其它程序中作进一步的处理。

默认情况下，每个分组会自动拥有一个组号，规则是：从左向右，以分组的左括号为标志，第一个出现的分组的组号为1，第二个为2，以此类推。

呃……其实,组号分配还不像我刚说得那么简单：分组0对应整个正则表达式。实际上组号分配过程是要从左向右扫描两遍的：第一遍只给未命名组分配，第二遍只给命名组分配－－因此所有命名组的组号都大于未命名的组号

你可以使用(?:exp)这样的语法来剥夺一个分组对组号分配的参与权．

后向引用 用于重复搜索前面某个分组匹配的文本。例如，\1代表分组1匹配的文本。难以理解？

请看示例：

匹配重复的单词，像go go, 或者kitty kitty。

\b(\w+)\b\s+\1\b

这个表达式首先是一个单词，也就是单词开始处和结束处之间的多于一个的字母或数字(\b(\w+)\b)，这个单词会被捕获到编号为1的分组中，然后是1个或几个空白符(\s+)，最后是分组1中捕获的内容（也就是前面匹配的那个单词）(\1)。

你也可以自己指定子表达式的组名。要指定一个子表达式的组名，请使用这样的语法：

(?\w+)(或者把尖括号换成’也行：(?‘Word’\w+)),

这样就把\w+的组名指定为Word了。

要反向引用这个分组捕获的内容，你可以使用\k,所以上一个例子也可以写成这样：

\b(?\w+)\b\s+\k\b。

使用小括号的时候，还有很多特定用途的语法。下面列出了最常用的一些：

表4.常用分组语法

我们已经讨论了前两种语法。第三个(?:exp)不会改变正则表达式的处理方式，只是这样的组匹配的内容不会像前两种那样被捕获到某个组里面，也不会拥有组号。“我为什么会想要这样做？”——好问题，你觉得为什么呢？

14. 零宽断言

接下来的四个用于查找在某些内容(但并不包括这些内容)之前或之后的东西，也就是说它们像\b,^,$那样用于指定一个位置，这个位置应该满足一定的条件(即断言)，因此它们也被称为零宽断言。最好还是拿例子来说明吧：

断言用来声明一个应该为真的事实。正则表达式中只有当断言为真时才会继续进行匹配。

(?=exp) 也叫零宽度正预测先行断言

它断言自身出现的位置的后面能匹配表达式exp。

比如\b\w+(?=ing\b)，匹配以ing结尾的单词的前面部分(除了ing以外的部分)，如查找*I’m singing while you’re dancing.*时，它会匹配sing和danc。

(?<=exp) 也叫零宽度正回顾后发断言

它断言自身出现的位置的前面能匹配表达式exp。比如

(?<=\bre)\w+\b

会匹配以re开头的单词的后半部分(除了re以外的部分)，例如在查找reading a book时，它匹配ading。

假如你想要给一个很长的数字中每三位间加一个逗号(当然是从右边加起了)，你可以这样查找需要在前面和里面添加逗号的部分：

((?<=\d)\d{3})+\b，

用它对1234567890进行查找时结果是234567890。

下面这个例子同时使用了这两种断言：

(?<=\s)\d+(?=\s)

匹配以空白符间隔的数字(再次强调，不包括这些空白符)。

15. 负向零宽断言

前面我们提到过怎么查找不是某个字符或不在某个字符类里的字符的方法(反义)。

但是如果我们只是想要确保某个字符没有出现，但并不想去匹配它时怎么办？

例如，

如果我们想查找这样的单词，它里面出现了字母 q , 但是 q 后面跟的不是字母u。

我们可以尝试这样：

\b\w*q[^u]\w*\b

匹配包含后面不是字母u的字母q的单词。

但是如果多做测试(或者你思维足够敏锐，直接就观察出来了)，你会发现，如果q出现在单词的结尾的话，像Iraq,Benq，这个表达式就会出错。

这是因为[^u]总要匹配一个字符，所以如果q是单词的最后一个字符的话，后面的[^u]将会匹配q后面的单词分隔符(可能是空格，或者是句号或其它的什么)，后面的\w*\b将会匹配下一个单词，于是\b\wq[^u]\w\b就能匹配整个Iraq fighting。

负向零宽断言能解决这样的问题，因为它只匹配一个位置，并不消费任何字符。现在，我们可以这样来解决这个问题：

\b\w*q(?!u)\w*\b

零宽度负预测先行断言(?!exp)，断言此位置的后面不能匹配表达式exp。例如：

\d{3}(?!\d)       // 匹配三位数字，而且这三位数字的后面不能是数字；
\b((?!abc)\w)+\b  // 匹配不包含连续字符串abc的单词。

同理，我们可以用(?<!exp),零宽度负回顾后发断言来断言此位置的前面不能匹配表达式exp：(?<![a-z])\d{7}匹配前面不是小写字母的七位数字。

一个更复杂的例子：

(?<=<(\w+)>).*(?=<\/\1>)匹配不包含属性的简单HTML标签内里的内容。
(?<=<(\w+)>)指定了这样的**前缀**：被尖括号括起来的单词(比如可能是<b>)，然后是.*(任意的字符串),最后是一个**后缀**(?=<\/\1>)。注意后缀里的\/，它用到了前面提过的字符转义；\1则是一个反向引用，引用的正是捕获的第一组，前面的(\w+)匹配的内容，这样如果前缀实际上是<b>的话，后缀就是</b>了。整个表达式匹配的是<b>和</b>之间的内容(再次提醒，不包括前缀和后缀本身)。

16. 注释

小括号的另一种用途是通过语法(?#comment)来包含注释。例如：

2[0-4]\d(?#200-249)|25[0-5](?#250-255)|[01]?\d\d?(?#0-199)。

要包含注释的话，最好是启用“忽略模式里的空白符”选项，这样在编写表达式时能任意的添加空格，Tab，换行，而实际使用时这些都将被忽略。

启用这个选项后，在#后面到这一行结束的所有文本都将被当成注释忽略掉。 例如，我们可以前面的一个表达式写成这样：

(?<=    # 断言要匹配的文本的前缀
<(\w+)> # 查找尖括号括起来的内容
        # (即HTML/XML标签)
)       # 前缀结束
.*      # 匹配任意文本
(?=     # 断言要匹配的文本的后缀
<\/\1>  # 查找尖括号括起来的内容
        # 查找尖括号括起来的内容
)       # 后缀结束

17. 贪婪与懒惰

贪婪匹配

当正则表达式中包含能接受重复的限定符时，通常的行为是（在使整个表达式能得到匹配的前提下）匹配尽可能多的字符。这被称为贪婪匹配。

以这个表达式为例：

a.*b

它将会匹配最长的以a开始，以b结束的字符串。

如果用它来搜索aabab的话，它会匹配整个字符串aabab。

懒惰匹配

有时，我们更需要懒惰匹配，也就是匹配尽可能少的字符。前面给出的限定符都可以被转化为懒惰匹配模式，只要在它后面加上一个问号?。这样.*?就意味着匹配任意数量的重复，但是在能使整个匹配成功的前提下使用最少的重复。现在看看懒惰版的例子吧：

a.*?b

匹配最短的，以a开始，以b结束的字符串。如果把它应用于aabab的话，它会匹配aab（第一到第三个字符）和ab（第四到第五个字符）。

为什么第一个匹配是aab（第一到第三个字符）而不是ab（第二到第三个字符）？简单地说，因为正则表达式有另一条规则，比懒惰／贪婪规则的优先级更高：最先开始的匹配拥有最高的优先权——The match that begins earliest wins。

表5.懒惰限定符

18. 处理选项

上面介绍了几个选项如忽略大小写，处理多行等，这些选项能用来改变处理正则表达式的方式。下面是.Net中常用的正则表达式选项：

表6.常用的处理选项

在C#中，你可以使用Regex(String, RegexOptions)构造函数来设置正则表达式的处理选项。如：Regex regex = new Regex(@"\ba\w{6}\b", RegexOptions.IgnoreCase);

一个经常被问到的问题是：

是不是只能同时使用多行模式和单行模式中的一种？

答案是：不是。

这两个选项之间没有任何关系，除了它们的名字比较相似（以至于让人感到疑惑）以外。事实上，为了避免混淆，在最新的 JavaScript 中，单行模式其实名叫 dotAll，意为点可以匹配所有字符，然而在指定该选项时，用的还是 Singleline 的首字母 s.

目前（2019/06），只有基于 Webkit/Chromium 的浏览器（如 Chrome, Safari等）才支持 dotAll 选项。

19. 平衡组/递归匹配

有时我们需要匹配像( 100 * ( 50 + 15 ) )这样的可嵌套的层次性结构，这时简单地使用(.+)则只会匹配到最左边的左括号和最右边的右括号之间的内容(这里我们讨论的是贪婪模式，懒惰模式也有下面的问题)。

假如原来的字符串里的左括号和右括号出现的次数不相等，比如( 5 / ( 3 + 2 ) ) )，那我们的匹配结果里两者的个数也不会相等。有没有办法在这样的字符串里匹配到最长的，配对的括号之间的内容呢？

这里介绍的平衡组语法是由.Net Framework支持的；其它语言／库不一定支持这种功能，或者支持此功能但需要使用不同的语法。

为了避免(和(把你的大脑彻底搞糊涂，我们还是用尖括号代替圆括号吧。现在我们的问题变成了如何把xx <aa aa> yy这样的字符串里，最长的配对的尖括号内的内容捕获出来？

这里需要用到以下的语法构造：

  • (?‘group’) 把捕获的内容命名为group,并压入堆栈(Stack)
  • (?’-group’) 从堆栈上弹出最后压入堆栈的名为group的捕获内容，如果堆栈本来为空，则本分组的匹配失败
  • (?(group)yes|no) 如果堆栈上存在以名为group的捕获内容的话，继续匹配yes部分的表达式，否则继续匹配no部分
  • (?!) 零宽负向先行断言，由于没有后缀表达式，试图匹配总是失败

我们需要做的是每碰到了左括号，就在压入一个"Open",每碰到一个右括号，就弹出一个，到了最后就看看堆栈是否为空－－如果不为空那就证明左括号比右括号多，那匹配就应该失败。正则表达式引擎会进行回溯(放弃最前面或最后面的一些字符)，尽量使整个表达式得到匹配。

<                   #最外层的左括号
  [^<>]*            #它后面非括号的内容
  (
      (
        (?'Open'<)  #左括号，压入"Open"
        [^<>]*      #左括号后面的内容
      )+
      (
        (?'-Open'>) #右括号，弹出一个"Open"
        [^<>]*      #右括号后面的内容
      )+
  )*
  (?(Open)(?!))     #最外层的右括号前检查
                    #若还有未弹出的"Open"
                    #则匹配失败

>                #最外层的右括号

平衡组的一个最常见的应用就是匹配HTML,下面这个例子可以匹配嵌套的<div>标签：

<div[^>]*>[^<>]*(((?'Open'<div[^>]*>)[^<>]*)+((?'-Open'</div>)[^<>]*)+)*(?(Open)(?!))</div>.

如果你不是一个程序员（或者你自称程序员但是不知道堆栈是什么东西），你就这样理解上面的三种语法吧：第一个就是在黑板上写一个"group"，第二个就是从黑板上擦掉一个"group"，第三个就是看黑板上写的还有没有"group"，如果有就继续匹配yes部分，否则就匹配no部分。

还有些什么东西没提到

上边已经描述了构造正则表达式的大量元素，但是还有很多没有提到的东西。下面是一些未提到的元素的列表，包含语法和简单的说明。你可以在网上找到更详细的参考资料来学习它们–当你需要用到它们的时候。如果你安装了MSDN Library,你也可以在里面找到.Net下正则表达式详细的文档。这里的介绍很简略，如果你需要更详细的信息，而又没有在电脑上安装MSDN Library,可以查看关于正则表达式语言元素的MSDN在线文档。

正则表达式语言 - 快速参考

表7.尚未详细讨论的语法

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