正则基础之——反向引用
1 概述
捕获组捕获到的内容，不仅可以在正则表达式外部通过程序进行引用，也可以在正则表达式内部进行引用，这种引用方式就是反向引用。要了解反向引用，首先要了解捕获组，关于捕获组，参考 正则基础之——捕获组（capture group）。
反向引用的作用通常是用来查找或限定重复、查找或限定指定标识配对出现等等。
对于普通捕获组和命名捕获组的引用，语法如下：
普通捕获组反向引用：\k<number>，通常简写为\number
命名捕获组反向引用：\k<name>或者\k'name'
普通捕获组反向引用中number是十进制的数字，即捕获组的编号；命名捕获组反向引用中的name为命名捕获组的组名。
2 反向引用匹配原理
捕获组(Expression)在匹配成功时，会将子表达式匹配到的内容，保存到内存中一个以数字编号的组里，可以简单的认为是对一个局部变量进行了赋值，这时就可以通过反向引用方式，引用这个局部变量的值。一个捕获组(Expression)在匹配成功之前，它的内容可以是不确定的，一旦匹配成功，它的内容就确定了，反向引用的内容也就是确定的了。
反向引用必然要与捕获组一同使用的，如果没有捕获组，而使用了反向引用的语法，不同语言的处理方式不一致，有的语言会抛异常，有的语言会当作普通的转义处理。
2.1 从一个简单例子说起
源字符串：abcdebbcde
正则表达式：([ab])\1
对于正则表达式“([ab])\1”，捕获组中的子表达式“[ab]”虽然可以匹配“a”或者“b”，但是捕获组一旦匹配成功，反向引用的内容也就确定了。如果捕获组匹配到“a”，那么反向引用也就只能匹配“a”，同理，如果捕获组匹配到的是“b”，那么反向引用也就只能匹配“b”。由于后面反向引用“\1”的限制，要求必须是两个相同的字符，在这里也就是“aa”或者“bb”才能匹配成功。
考察一下这个正则表达式的匹配过程，在位置0处，由“([ab])”匹配“a”成功，将捕获的内容保存在编号为1的组中，然后把控制权交给“\1”，由于此时捕获组已记录了捕获内容为“a”，“\1”也就确定只有匹配到“a”才能匹配成功，这里显然不满足，“\1”匹配失败，由于没有可供回溯的状态，整个表达式在位置0处匹配失败。
正则引擎向前传动，在位置5之前，“([ab])”一直匹配失败。传动到位置5处时，，“([ab])”匹配到“b”，匹配成功，将捕获的内容保存在编号为1的组中，然后把控制权交给“\1”，由于此时捕获组已记录了捕获内容为“b”，“\1”也就确定只有匹配到“b”才能匹配成功，满足条件，“\1”匹配成功，整个表达式匹配成功，匹配结果为“bb”，匹配开始位置为5，结束位置为7。
扩展一下，正则表达式“([a-z])\1{2}”也就表达连续三个相同的小写字母。
2.2 一个复杂例子的分析
详细的分析讨论参考：正则表达式正向预搜索的问题。
源字符串：aaa bbbb ffffff 999999999
正则表达式：(\w)((?=\1\1\1)(\1))+
测试代码：
string test = "aaa bbbb ffffff 999999999";
Regex reg = new Regex(@"(\w)((?=\1\1\1)(\1))+");
MatchCollection mc = reg.Matches(test);
foreach (Match m in mc)
{
richTextBox2.Text += "匹配结果：" + m.Value.PadRight(12, ' ') + "匹配开始位置：" + m.Index + "\n";
}
//输出
匹配结果：bb 匹配开始位置：4
匹配结果：ffff 匹配开始位置：9
匹配结果：9999999 匹配开始位置：16
匹配结果分析：
正则表达式(\w)((?=\1\1\1)(\1))+从匹配结果上分析，其实就等价于 (\w)(\1)*(?=\1\1\1)(\1) ，这个会相对好理解一些，下面讨论下分析过程。
因为“+”等价于“{1,}”，表示至少匹配1次，下面把子表达式“((?=\1\1\1)(\1))+”展开来看下规律，下表中的“次数”表示子表达式“((?=\1\1\1)(\1))+”匹配成功的次数 。
| 次数 |
等价表达式 |
| 1 |
(\w)((?=\1\1\1)(\1)) |
| 2 |
(\w)((?=\1\1\1)(\1))((?=\1\1\1)(\1)) |
| 3 |
(\w)((?=\1\1\1)(\1))((?=\1\1\1)(\1))((?=\1\1\1)(\1)) |
| … |
… |
如果最后一个“((?=\1\1\1)(\1))”匹配成功，那么中间的“((?=\1\1\1)(\1))”一定可以匹配成功，所以中间的限制条件(?=\1\1\1)就没有意义了，这时就可以简写为“(\1)”，也就是
| 次数 |
等价表达式 |
| 1 |
(\w)((?=\1\1\1)(\1)) |
| 2 |
(\w)(\1)((?=\1\1\1)(\1)) |
| 3 |
(\w)(\1)(\1)((?=\1\1\1)(\1)) |
| … |
… |
可以归纳为等价于
(\w)(\1)*((?=\1\1\1)(\1))
因为“((?=\1\1\1)(\1))”开始和结尾的()原来是用作量词+修饰范围的，这里已经没有什么意义了，所以表达式最后可以归纳为等价于
(\w)(\1)*(?=\1\1\1)(\1)
分析这个表达式就容易多了。“(\w)”匹配一个字符，占一位，“\1”是对“\w”匹配内容的引用，“(\1)*”可以匹配0到无穷多个“(\w)”匹配到的字符，“(?=\1\1\1)(\1)”只占一位，但是“(?=\1\1\1)”要求所在位置右侧有三个连续相同的“(\w)”匹配到的字符，所以在“(?=\1\1\1)”这个位置右侧应该有三个字符，不过只有这个位置右侧的一个字符计入最后的匹配结果，最后两个只作为限制条件，不计入最后的匹配结果 。
以“999999999”为例，第一个“9”由“(\w)”匹配，第二到第六个“9”由“(\1)*”来匹配，第七个“9”由“(?=\1\1\1)(\1)”中最后的“(\1)”来匹配，而第七、八、九这三个“9”是用来保证满足“(?=\1\1\1)”这个条件的。
2.3 反向引用的编号
对于普通捕获组的反向引用，是通过捕获组的编号来实现的，那么对于一些可能存在歧义的语法又是如何解析的呢？对于正则表达式
([ab])\10
这里的“\10”会被解析成第10个捕获组的反向引用，还是第1个捕获组的反向引用加一个普通字符“0”呢?不同语言的处理方式是不一样的。
string test = "ab0cdebb0cde";
richTextBox2.Text = Regex.Match(test, @"([ab])\10").Value;
在.NET中，以上测试代码输出为空，说明这里的“\10”被解析成第10个捕获组的反向引用，而这个表达式中是不存在第10个捕获组的，所以匹配结果为空。
<script type="text/javascript">
var str = "ab0cdebb0cde";
var reg = /([ab])\10/;
var arr = str.match(reg);
if(arr != null)
{
document.write(arr[0]);
}
</script>
/*--------输出--------
bb0
*/
而在JavaScript中，由于浏览器解析引擎的不同，得到的结果也不一样，以上为IE下是可以得到匹配结果“bb0”，说明在IE的浏览器引擎中，“\10”被解析成第1个捕获组的反向引用加一个普通字符“0”。而在Firefox、Opera等浏览器中，得到的结果为空，说明“\10”被解析成第10个捕获组的反向引用，而这个表达式中是不存在第10个捕获组的。
string test = "ab0cdebb0cde";
richTextBox2.Text = Regex.Match(test, @"([ab])\10", RegexOptions.ECMAScript).Value;
/*--------输出--------
bb0
*/
而在.NET中，如果正则表达式加了RegexOptions.ECMAScript参数，则这里的“\10”被解析成第1个捕获组的反向引用加一个普通字符“0”。
至于正则表达式中确实有10个以上的捕获组时，“\10”的具体意义留给有兴趣的读者去测试了，因为在实际应用当中，如果你的正则表达式中用到了10个以上捕获组，而同时又用到了第10个以上捕获组的反向引用时，就要注意分析一下，你的正则是否需要进行优化，甚至于这里是否适合使用正则表达式了。
出于对现实应用场景的分析，第10个以上捕获组的反向引用几乎不存在，对它的研究通常仅存在于理论上。而对于10个以内捕获组反向引用后面还有数字，容易造成混淆的情况，可以通过非捕获组来解决。
([ab])\1(?:0)
这样就可以明确，是对第1个捕获组的反向引用，后面跟一个普通字符“0”。也就不会产生混淆了。
string test = "ab0cdebb0cde";
richTextBox2.Text = Regex.Match(test, @"([ab])\1(?:0)").Value;
/*--------输出--------
bb0
*/
而事实上，即使是这样用的场景也非常少，至今为止，只在日期正则表达式中用到过。
^(?:(?!0000)[0-9]{4}([-/.]?)(?:(?:0?[1-9]|1[0-2])\1(?:0?[1-9]|1[0-9]|2[0-8])|(?:0?[13-9]|1[0-2])\1(?:29|30)|(?:0?[13578]|1[02])\1(?:31))|(?:[0-9]{2}(?:0[48]|[2468][048]|[13579][26])|(?:0[48]|[2468][048]|[13579][26])00)([-/.]?)0?2\2(?:29))$
这一节讨论的内容，了解一下就可以了，在实际应用当中，如果遇到，注意一下不要出现混淆而导致匹配结果错误就可以了。
3 反向引用应用场景分析
反向引用的作用通常是用来查找或限定重复、查找或限定指定标识配对出现等等。以下以实例进行场景分析及应用讲解。
3.1 查找重复
查找重复通常的应用场景是查找或验证源字符串中，是否有重复单词、重复项等等。
3.1.1 验证数字元素重复项
需求描述：
验证源字符串中以“,”分隔的数字是否有重复项。
代码实现：
string[] test = new string[] { "1,2,3,123,32,13", "12,56,89,123,56,98", "8,2,9,10,38,29,2,9", "8,3,9,238,93,23" };
Regex reg = new Regex(@"\b(\d+)\b.*?\b\1\b");
foreach (string s in test)
{
richTextBox2.Text += "源字符串： " + s.PadRight(20, ' ') + "验证结果： " + reg.IsMatch(s) + "\n";
}
/*--------输出--------
源字符串： 1,2,3,123,32,13 验证结果： False
源字符串： 12,56,89,123,56,98 验证结果： True
源字符串： 8,2,9,10,38,29,2,9 验证结果： True
源字符串： 8,3,9,238,93,23 验证结果： False
*/
源字符串的规则比较明确，就是用“,”分隔的数字，类似于这种查找是否有重复的需求，最简单的就是用反向引用来解决了。
由于要验证的是用“,”分隔的元素的整体是否有重复，所以“(\d+)”两侧的“\b”就是必须的，用来保证取到的数字子串是一个元素整体，而不是“123”中的“1”，当然，这里前后两个“\b”分别换成“(?<!\d)”和“(?!\d)”是一个效果，可能意义上更明确。后面的两个“\b”也是一样的作用。
3.1.2 验证连续数字是否有重复
参考 问两个正则表达式。
需求描述：
数据:
1985aaa1985bb
bcae1958fiefadf1955fef
atijc1944cvkd
df2564isdjfef2564d
实现1:匹配第一次出现的四个数字.然后后面也存在这四个数字的
如:
1985aaa1985bb
第一次出现的四个数字是1985.然后后面也存在这四个数字,所以这个匹配
bcae1958fiefadf1955fef
第一次出现的四个数字是1958.然后后面不存在这四个数字.所以不匹配
-----
所以实现1.应该匹配
1985aaa1985bb
df2564isdjfef2564d
代码实现：
//如果是验证第一个出现的连续4个数字是否有重复
string[] test = new string[] { "1985aaa1985bb", "bcae1958fiefadf1955fef", "atijc1944cvkd", "df2564isdjfef2564d", "abc1234def5678ghi5678jkl" };
Regex reg = new <sp