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正则表达式：字符串模式匹配的利器
正则表达式（Regular Expression，简称Regex）是一种强大的文本处理工具，用于描述字符串模式。它可以高效地进行字符串匹配、查找、替换和分割，广泛应用于文本处理、数据验证、搜索引擎等领域。本文将全面解析正则表达式的核心语法、Java实现及常见应用场景。
一、正则表达式基础语法
1. 元字符（Metacharacters）
元字符是正则表达式中具有特殊含义的字符，用于定义匹配规则。
| 元字符 | 描述 | 示例 | 匹配结果 |
|---|---|---|---|
. | 匹配任意单个字符（除换行符） | a.c | abc, aac, a1c |
^ | 匹配字符串开头 | ^Hello | Hello world |
$ | 匹配字符串结尾 | world$ | Hello world |
* | 匹配前面的元素0次或多次 | ab* | a, ab, abb |
+ | 匹配前面的元素1次或多次 | ab+ | ab, abb |
? | 匹配前面的元素0次或1次 | ab? | a, ab |
{n} | 匹配前面的元素恰好n次 | a{3} | aaa |
{n,} | 匹配前面的元素至少n次 | a{2,} | aa, aaa |
{n,m} | 匹配前面的元素n到m次 | a{2,3} | aa, aaa |
2. 字符类（Character Classes）
字符类用于匹配一组字符中的任意一个。
| 语法 | 描述 | 示例 | 匹配结果 |
|---|---|---|---|
[abc] | 匹配a、b或c中的任意一个 | [abc]at | aat, bat, cat |
[^abc] | 匹配除a、b、c外的任意字符 | [^0-9] | 非数字字符 |
[a-z] | 匹配小写字母范围 | [a-z]+ | hello, world |
[0-9] | 匹配数字范围 | [0-9]{3} | 123, 456 |
[A-Za-z] | 匹配大小写字母 | [A-Za-z0-9]+ | 字母数字组合 |
3. 预定义字符类
Java预定义了一些常用的字符类，简化正则表达式的编写。
| 预定义字符类 | 等价于 | 描述 |
|---|---|---|
\d | [0-9] | 匹配数字 |
\D | [^0-9] | 匹配非数字 |
\w | [a-zA-Z0-9_] | 匹配字母、数字或下划线 |
\W | [^a-zA-Z0-9_] | 匹配非字母、数字或下划线 |
\s | [ \t\n\r\f] | 匹配空白字符（空格、制表符等） |
\S | [^ \t\n\r\f] | 匹配非空白字符 |
4. 分组与捕获
使用圆括号()进行分组，可以对匹配结果进行捕获和引用。
| 语法 | 描述 | 示例 |
|---|---|---|
(ab) | 将ab作为一个分组 | (ab)+ 匹配ab, abab |
\1 | 引用第一个分组的内容 | (a)\1 匹配aa |
(?:ab) | 非捕获组，不保存匹配结果 | (?:ab)+ |
5. 量词与贪婪模式
正则表达式默认采用贪婪模式（尽可能多匹配），可通过?转为非贪婪模式。
| 语法 | 描述 | 示例 | 匹配字符串 | 结果 |
|---|---|---|---|---|
.* | 贪婪匹配任意字符 | <.*> | <html><body> | <html><body> |
.*? | 非贪婪匹配任意字符 | <.*?> | <html><body> | <html>, <body> |
二、Java中的正则表达式实现
1. 核心类
Java通过java.util.regex包提供正则表达式支持，主要涉及两个类：
Pattern：编译后的正则表达式对象。Matcher：对输入字符串进行匹配操作的引擎。
2. 基本用法示例
import java.util.regex.*;public class RegexExample {public static void main(String[] args) {// 1. 编译正则表达式Pattern pattern = Pattern.compile("a.c");// 2. 创建Matcher对象Matcher matcher = pattern.matcher("abc");// 3. 执行匹配boolean isMatch = matcher.matches();System.out.println(isMatch); // true}
}
3. 常用方法
| 方法 | 描述 |
|---|---|
Pattern.compile(String regex) | 编译正则表达式，生成Pattern对象。 |
Matcher.matches() | 尝试将整个输入序列与模式匹配。 |
Matcher.find() | 查找输入序列中是否存在下一个匹配项。 |
Matcher.group() | 返回当前匹配的子串。 |
Matcher.start() | 返回当前匹配的起始位置。 |
Matcher.end() | 返回当前匹配的结束位置（最后一个字符的索引+1）。 |
String.replaceAll(String regex, String replacement) | 使用正则表达式替换匹配的子串。 |
String.split(String regex) | 根据正则表达式分割字符串。 |
三、典型应用场景
1. 数据验证
// 验证邮箱地址
String email = "test@example.com";
boolean isValid = email.matches("^[a-zA-Z0-9._%+-]+@[a-zA-Z0-9.-]+\\.[a-zA-Z]{2,}$");// 验证手机号（中国大陆）
String phone = "13800138000";
boolean isValidPhone = phone.matches("^1[3-9]\\d{9}$");
2. 文本提取
// 提取HTML中的链接
String html = "<a href='https://example.com'>Example</a>";
Pattern pattern = Pattern.compile("<a href='(.*?)'>");
Matcher matcher = pattern.matcher(html);while (matcher.find()) {System.out.println("链接: " + matcher.group(1)); // 输出: https://example.com
}
3. 字符串替换
// 替换所有数字为*
String text = "Hello123World456";
String result = text.replaceAll("\\d", "*");
System.out.println(result); // 输出: Hello***World***
4. 分割字符串
// 按逗号或空格分割字符串
String input = "apple,banana grape;orange";
String[] items = input.split("[,;\\s]+");
// 结果: ["apple", "banana", "grape", "orange"]
四、高级特性
1. 零宽断言（Lookaround）
零宽断言用于匹配特定位置，而不消耗字符。
| 语法 | 描述 | 示例 | 匹配结果 |
|---|---|---|---|
(?=pattern) | 正向先行断言（后面必须匹配pattern） | \w+(?=@) | test in test@example.com |
(?!pattern) | 负向先行断言（后面不能匹配pattern） | \d+(?!\.) | 123 in 123abc |
(?<=pattern) | 正向后行断言（前面必须匹配pattern） | (?<=\$)\d+ | 100 in $100 |
(?<!pattern) | 负向后行断言（前面不能匹配pattern） | (?<!\$)\d+ | 100 in 100元 |
2. 标志位（Flags）
编译正则表达式时可指定标志位，修改匹配行为。
| 标志 | 描述 | 示例 |
|---|---|---|
Pattern.CASE_INSENSITIVE | 忽略大小写 | Pattern.compile("a.c", Pattern.CASE_INSENSITIVE) |
Pattern.MULTILINE | 多行模式，^和$匹配行首行尾 | Pattern.compile("^Hello", Pattern.MULTILINE) |
Pattern.DOTALL | 点号匹配所有字符（包括换行符） | Pattern.compile(".*", Pattern.DOTALL) |
3. 回溯引用（Backreferences）
通过\1, \2等引用前面的捕获组。
// 匹配重复单词（如"hello hello"）
String text = "hello hello world";
Pattern pattern = Pattern.compile("(\\b\\w+\\b)\\s+\\1");
Matcher matcher = pattern.matcher(text);
if (matcher.find()) {System.out.println("重复单词: " + matcher.group()); // 输出: hello hello
}
五、性能考量
-
预编译模式
- 频繁使用的正则表达式应编译为
Pattern对象，避免重复编译开销。
// 推荐做法 private static final Pattern EMAIL_PATTERN = Pattern.compile("^[a-zA-Z0-9._%+-]+@[a-zA-Z0-9.-]+\\.[a-zA-Z]{2,}$"); - 频繁使用的正则表达式应编译为
-
避免过度回溯
- 复杂的量词组合（如
.*）可能导致回溯爆炸，性能急剧下降。
// 低效：可能产生大量回溯 "a*a".matches("aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa"); - 复杂的量词组合（如
-
优先使用String方法
- 简单匹配（如
startsWith()、contains()）比正则表达式效率更高。
- 简单匹配（如
六、注意事项
-
转义字符
- 正则表达式中的特殊字符（如
\,.,*）需要用\转义。
// 匹配点号 Pattern.compile("\\."); - 正则表达式中的特殊字符（如
-
Unicode支持
- 默认情况下，
\w,\d等预定义字符类仅匹配ASCII字符。若需匹配Unicode字符，需使用标志位：
Pattern.compile("\\p{L}+", Pattern.UNICODE_CHARACTER_CLASS); // 匹配所有语言的字母 - 默认情况下，
-
正则表达式调试
- 复杂正则表达式建议使用工具（如Regex101）进行测试和调试。
七、面试常见问题
-
正则表达式中
.*和.*?的区别是什么？.*是贪婪模式，尽可能多匹配；.*?是非贪婪模式，尽可能少匹配。
-
如何在Java中编译和使用正则表达式？
- 通过
Pattern.compile()编译正则表达式，通过Matcher执行匹配。
- 通过
-
正则表达式的零宽断言有哪些？
- 正向先行断言
(?=pattern)、负向先行断言(?!pattern)、正向后行断言(?<=pattern)、负向后行断言(?<!pattern)。
- 正向先行断言
-
如何优化正则表达式的性能？
- 预编译模式、避免过度回溯、优先使用String方法。
总结
正则表达式是处理字符串的强大工具，掌握其核心语法（元字符、字符类、量词、分组）和Java实现（Pattern、Matcher），能高效解决文本匹配、提取和替换等问题。在实际应用中，需注意性能优化和边界情况处理，避免因正则表达式过于复杂导致的效率问题。合理运用零宽断言、标志位等高级特性，可进一步提升正则表达式的表达能力。