正则表达式匹配解析过程探讨分析(正则表达式匹配原理)

已经有多篇关于正则表达式介绍的文章，随着我们越来越多使用正则表达式，想对性能做优化、减少我们正则表达式书写匹配Bug。我们不得不进一步深入了解正则表达式执行过程了。下面我们一起学习，分析下正则表达式执行过程。我们会用regexbuddy测试工具分解执行过程，具体工具使用，可以看：正则表达式性能测试工具推荐、优化工具推荐(regexbuddy推荐)。要了解正则表达式解析过程前，我们先来熟悉几个概念。

常见正则表达式引擎
引擎决定了正则表达式匹配方法及内部搜索过程，了解它至关重要的。目前主要流行引擎有：DFA,NFA两种引擎，我们比较区分下。

引擎	区别点
DFA Deterministic finite automaton 确定型有穷自动机	DFA引擎它们不要求回溯（并因此它们永远不测试相同的字符两次），所以匹配速度快！DFA引擎还可以匹配最长的可能的字符串。不过DFA引擎只包含有限的状态，所以它不能匹配具有反向引用的模式，还不可以捕获子表达式。代表性有：awk,egrep,flex,lex,MySQL,Procmail
NFA Non-deterministic finite automaton　非确定型有穷自动机，又分为传统NFA,Posix NFA	传统的NFA引擎运行所谓的“贪婪的”匹配回溯算法（longest-leftmost），以指定顺序测试正则表达式的所有可能的扩展并接受第一个匹配项。传统的NFA回溯可以访问完全相同的状态多次，在最坏情况下，它的执行速度可能非常慢，但它支持子匹配。代表性有：GNU Emacs,Java,ergp,less,more,.NET语言, PCRE library,Perl,PHP,Python,Ruby,sed,vi等，一般高级语言都采用该模式。

DFA以字符串字符，逐个在正则表达式匹配查找，而NFA以正则表达式为主，在字符串中逐一查找。尽管速度慢，但是对操作者来说更简单，因此应用更广泛！下面所有以NFA引擎举例说明，解析过程！

解析引擎眼中的字符串组成
对于字符串“DEF”而言，包括D、E、F三个字符和 0、1、2、3 四个数字位置：0D1E2F3，对于正则表达式而言所有源字符串，都有字符和位置。正则表达式会从0号位置，逐个去匹配的。

占有字符和零宽度
正则表达式匹配过程中，如果子表达式匹配到的是字符内容，而非位置，并被保存到最终的匹配结果中，那么就认为这个子表达式是占有字符的；如果子表达式匹配的仅仅是位置，或者匹配的内容并不保存到最终的匹配结果中，那么就认为这个子表达式是零宽度的。占有字符是互斥的，零宽度是非互斥的。也就是一个字符，同一时间只能由一个子表达式匹配，而一个位置，却可以同时由多个零宽度的子表达式匹配。常见零宽字符有：^，(?=)等

正则表达式匹配过程详解实例
我们掌握了上面几个概念，我们接下来分析下几个常见的解析过程。结合使用软件regexBuddy来分析。

Demo1: 源字符DEF,对应标记是：0D1E2F3，匹配正则表达式是：/DEF/

过程可以理解为：首先由正则表达式字符 /D/ 取得控制权，从位置0开始匹配，由 /D/ 来匹配“D”，匹配成功，控制权交给字符 /E/ ；由于“D”已被 /D/ 匹配，所以 /E/ 从位置1开始尝试匹配，由 /E/ 来匹配“E”，匹配成功，控制权交给 /F/ ；由 /F/ 来匹配“F”，匹配成功。

Demo2:源字符DEF,对应标记是：0D1E2F3，匹配正则表达式是：/D\w+F/

过程可以理解为：首先由正则表达式字符 /D/ 取得控制权，从位置0开始匹配，由 /D/ 来匹配“D”，匹配成功，控制权交给字符 /\w+/ ；由于“D”已被 /D/ 匹配，所以 /\w+/ 从位置1开始尝试匹配，\w+贪婪模式，会记录一个备选状态，默认会匹配最长字符，直接匹配到EF，并且匹配成功，当前位置3了。并且把控制权交给 /F/ ；由 /F/ 匹配失败，\w+匹配会回溯一位，当前位置变成2。并把控制权交个/F/，由/F/匹配字符F成功。因此\w+这里匹配E字符,匹配完成！

Demo3:源字符DEF,对应标记是：0D1E2F3，匹配正则表达式是：/^(?=D)[D-F]+$/

过程可以理解为：元字符 /^/ 和 /$/ 匹配的只是位置，顺序环视 /(?=D)/ （匹配当前位置，右边是否有字符“D”字符出现）只进行匹配，并不占有字符，也不将匹配的内容保存到最终的匹配结果，所以都是零宽度的。 首先由元字符 /^/ 取得控制权，从位置0开始匹配， /^/ 匹配的就是开始位置“位置0”，匹配成功，控制权交给顺序环视 /(?=D)/；/(?=D])/ 要求它所在位置右侧必须是字母”D”才能匹配成功，零宽度的子表达式之间是不互斥的，即同一个位置可以同时由多个零宽度子表达式匹配，所以它也是从位置0尝试进行匹配，位置0的右侧是字符“D”，符合要求，匹配成功，控制权交给 /[D-F]+/ ；因为 /(?=D)/ 只进行匹配，并不将匹配到的内容保存到最后结果，并且 /(?=D)/ 匹配成功的位置是位置0，所以 /[D-F]+/ 也是从位置0开始尝试匹配的， /[D-F]+/ 首先尝试匹配“D”，匹配成功，继续尝试匹配，直到匹配完”EF”，这时已经匹配到位置3，位置3的右侧已没有字符，这时会把控制权交给 /$/，元字符 /$/ 从位置3开始尝试匹配，它匹配的是结束位置，也就是“位置3”，匹配成功。此时正则表达式匹配完成，报告匹配成功。匹配结果为“DEF”，开始位置为0，结束位置为3。其中 /^/ 匹配位置0， /(?=D)/ 匹配位置0， /[D-F]+/ 匹配字符串“DEF”， /$/ 匹配位置3。

后记：上面这几个例子，我们分析了正则表达式普通匹配，还有回溯过程，然后零宽度字符，匹配过程。当然，给出的例子比较简单，实际过程中会遇到更长，更复杂的正则表达式。但是，思想是类似的。只要我们把我解析原理，都可以逐一分解的。好了，就到这里，欢迎交流！