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正則表達式

形成搜索模式的字符序列 来自维基百科,自由的百科全书

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正則表達式(英語:regular expression,常簡寫為regexregexpRE),又稱規律表達式正則表示式正則表示法規則運算式常規表示法,是電腦科學概念,用簡單字串來描述、符合文中全部符合指定格式的字串,現在很多文字編輯器都支援用正則表達式搜尋、取代符合指定格式的字串。

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許多程式語言都支援用正則表達式操作字串,如Perl就內建功能強大的正則表達式引擎。正則表達式這概念最初由Unix的工具軟件(例如sedgrep)普及開。

譯名問題

描述字串規律表達式原應順理成章稱為規律表達式(pattern expression/rule expression),但卻叫成有欠準確的regular expression,導致現在有多種中譯名,如將regular譯成規律規則正規正則常規,將expression譯成表達式表示式表示法運算式等。

歷史

最初的正則表達式出現於理論電腦科學自動控制理論和形式化語言理論中。在這些領域中有對計算(自動控制)的模型和對形式化語言描述與分類的研究。

1940年,沃倫·麥卡洛克沃爾特·皮茨神經系統中的神經元描述成小而簡單的自動控制元。

1950年代,數學家斯蒂芬·科爾·克萊尼利用稱之為「正則集合」的數學符號來描述此模型。肯·湯普遜將此符號系統引入編輯器QED英語QED (text editor),隨後是Unix上的編輯器ed,並最終引入grep。自此以後,正則表達式被廣泛地應用於各種Unix類Unix系統的工具中。正則表達式的POSIX規範,分為基本型正則表達式(Basic Regular ExpressionBRE)和擴充型正則表達式(Extended Regular ExpressionERE)兩大流派。在相容POSIXUNIX系統上,grepegrep之類的工具都遵循POSIX規範,一些資料庫系統中的正則表達式也符合POSIX規範。grepvised都屬於BRE,是歷史最早的正則表達式,因此元字元必須轉譯之後才具有特殊含義。egrepawk則屬於ERE,元字元不用轉譯。

Perl的正則表達式源自於Henry Spencer英語Henry Spencer於1986年1月19日發布的regex,它已經演化成了PCREPerl相容正則表達式,Perl Compatible Regular Expressions英語PCRE),一個由Philip Hazel英語Philip Hazel開發的,為很多現代工具所使用的庫。

各程式語言之間關於正則表達式的整合,目前[何時?]開發進展得很差。Perl6的子專案Apocalypse的設計中已考慮到了這點。

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理論

正則表達式可以用形式化語言理論的方式來表達。正則表達式由常數和算子組成,它們分別表示字串的集合和在這些集合上的運算。給定有限字母表Σ定義了下列常數:

  • 空集表示集合
  • 空字串表示僅包含一個「不含任何字元、長度為0的字串」的集合。
  • 文字字元英語String literal表示僅包含一個元素的集合

定義了下列運算:

  • 串接 表示集合,這裏的表示將兩個字串按順序連接。例如:
  • 選擇 表示併集。例如:
  • 克萊尼(Kleene)星號 表示包含且在字串串接運算下閉合的最小超集。這是可以通過中零或有限個字串的串接得到所有字串的集合。例如:

上述常數和算子形成了克萊尼代數

很多課本使用對選擇使用符號替代豎線。

為了避免括號,假定Kleene星號有最高優先級,接着是串接,接着是併集。如果沒有歧義則可以省略括號。例如:(ab)c可以寫為abc,而a|(b(c*))可以寫為a|bc*

例子:

  • a|b*表示
  • (a|b)*表示包括空字串和任意數目個ab字元組成的所有字串的集合:
  • ab*(c|ε)表示開始於一個a接着零或多個b和最後一個可選的c組成的字串的集合:

為了使表達式更簡潔,正則表達式也定義了?+aa*等於a+,表示a出現至少一次;而(a|ε)等於a?,表示a出現1次或不出現。有的定義中增加了補算子表示在上但不在中的所有字串的集合。補算子在理論上並非必要,因為它可以使用其他算子來表達,但它可以使一些表達式變得更加簡潔。

這種意義上的正則表達式可以表達正則語言,是可被有限狀態自動機精確接受的語言類。但是在簡潔性上有重要區別。某類正則語言只能用大小指數增長的自動機來描述,而要求的正則表達式的長度只線性的增長。

正則表達式對應於喬姆斯基層級類型-3文法。但通常程式語言或其相關庫(例如PCRE)中實現的正則表達式的表達能力是喬姆斯基層級類型-3文法的超集[來源請求]。在另一方面,在正則表達式和不導致這種大小上的爆炸的非確定有限狀態自動機NFA)之間有簡單的對映;為此NFA經常被用作正則表達式的替表示式。

這種形式化中存在着冗餘,典型的體現是存在不同的正則表達式可以表達同樣的語言。有可能對兩個給定正則表達式寫一個演算法來判定它們所描述的語言是否本質上相等,即簡約每個表達式到極小確定有限自動機,確定它們是否同構(等價)。這種冗餘可以消減到什麼程度?我們可以找到仍有完全表達力的正則表達式的有趣的子集嗎?這提出了一個令人驚奇的困難問題。Kleene星號和併集明顯是需要的,但是我們或許可以限制它們的使用。由於正則表達式如此簡單,沒有辦法在語法上把它重寫成某種規範形式。過去公理化的缺乏導致了星號高度問題英語Star height problem。最近Dexter Kozen克萊尼代數公理化了正則表達式。[來源請求]

很多現實世界的「正則表達式」引擎實現了不能用正則表達式代數表達的特徵。[來源請求]

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基本語法

一個正則表達式通常被稱為一個模式pattern),為用來描述或者符合一系列符合某個句法規則的字串。例如:Handel、Händel和Haendel這三個字串,都可以由H(a|ä|ae)ndel這個模式來描述。大部分正則表達式的形式都有如下的結構:

選擇

  • 豎線|代表選擇(即或集),具有最低優先級。例如gray|grey可以符合greygray

數量限定

某個字元後的數量限定符用來限定前面這個字元允許出現的個數。最常見的數量限定符包括+?*(不加數量限定則代表出現一次且僅出現一次):

  • 加號+代表前面的字元必須至少出現一次。(1次或多次)。例如,goo+gle可以符合google、gooogle、goooogle等;
  • 問號?代表前面的字元最多只可以出現一次。(0次或1次)。例如,colou?r可以符合color或者colour;
  • 星號*代表前面的字元可以不出現,也可以出現一次或者多次。(0次、1次或多次)。例如,0*42可以符合42、042、0042、00042等。

符合

  • 圓括號()可以用來定義運算子的範圍和優先度。例如,gr(a|e)y等價於gray|grey(grand)?father符合father和grandfather。

上述這些構造子都可以自由組合,因此H(ae?|ä)ndelH(a|ae|ä)ndel是相同的,表示{"Handel", "Haendel", "Händel"}。

精確的語法可能因不同的工具或程式而異。

PCRE表達式全集

正則表達式有多種不同的風格。下表是在PCRE英語Perl_Compatible_Regular_Expressions中元字元及其在正則表達式上下文中的行為的一個完整列表,適用於Perl或者Python程式語言(grep或者egrep的正則表達式文法是PCRE的子集):

更多資訊 字元, 描述 ...
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Unicode處理

在.NET、JavaJavaScriptPython的正則表達式中,可以用\uXXXX表示一個Unicode字元,其中XXXX為四位16進制數字。

Unicode字元的三種性質:[5]

  • Unicode Property:字元屬於標點、空格、字母等等。每個Unicode字元只能屬於唯一Unicode Property。.NET、JavaPHPRuby等語言支援。具體分類為:
    • 字元\p{L}
      • \p{Ll}\p{Lowercase_Letter}:小寫字元(必須有大寫的形式)。
      • \p{Lu}\p{Uppercase_Letter}:大寫字元(必須有小寫的形式)。
      • \p{Lt}\p{Titlecase_Letter}:全詞首字母大寫的字元。
      • \p{L&}\p{Cased_Letter}:存在大小寫形式的字元(Ll, Lu, Lt的組合)。
      • \p{Lm}\p{Modifier_Letter}音標修飾字元
      • \p{Lo}\p{Other_Letter}:不具有大小寫的字元或字形。
    • 附加符號\p{M}
      • \p{Mn}\p{Non_Spacing_Mark}:與其他字元結合,不額外佔用空間的字元,例如日耳曼語元音變音
      • \p{Mc}\p{Spacing_Combining_Mark}:與其他字元結合,額外佔用空間的字元,例如馬拉雅拉姆文#元音字母及附標
      • \p{Me}\p{Enclosing_Mark}:包含其他字元的字元,例如圓圈、方塊。
    • 分隔符\p{Z}
      • \p{Zs}\p{Space_Separator}:不可見的空格,但佔據空間。
      • \p{Zl}\p{Line_Separator}:分隔綫字元U+2028。
      • \p{Zp}\p{Paragraph_Separator}:分段字元U+2029。
    • 符號\p{S}
      • \p{Sm}\p{Math_Symbol}:數學符號。
      • \p{Sc}\p{Currency_Symbol}:通貨符號。
      • \p{Sk}\p{Modifier_Symbol}:組合為其他字元的符號。
      • \p{So}\p{Other_Symbol}:其他符號。
    • 數值字元\p{N}
      • \p{Nd}\p{Decimal_Digit_Number}:所有文字中的數字0至9字元,不含形意符號
      • \p{Nl}\p{Letter_Number}:看起來像字母的符號,包含羅馬數字
      • \p{No}\p{Other_Number}:上角標或下角標數字,或者其他不屬於0至9的數字。不含形意符號
    • 標點符號\p{P}
      • \p{Pd}\p{Dash_Punctuation}:任何種類的連字號連接號
      • \p{Ps}\p{Open_Punctuation}:任何種類開括號
      • \p{Pe}\p{Close_Punctuation}:任何種類閉括號。
      • \p{Pi}\p{Initial_Punctuation}:任何種類開引號
      • \p{Pf}\p{Final_Punctuation}:任何種類閉引號。
      • \p{Pc}\p{Connector_Punctuation}:連接詞的標點符號,如底線。
      • \p{Po}\p{Other_Punctuation}:其他標點符號。
    • 其它符號\p{C}(包括不可見控制字元與未用碼位
      • \p{Cc}\p{Control}ASCIILatin-1控制字元0x00-0x1F0x7F-0x9F
      • \p{Cf}\p{Format}:不可見的格式化指示字元。
      • \p{Co}\p{Private_Use}:私用碼位
      • \p{Cs}\p{Surrogate}UTF-16編碼的代理對的一半。
      • \p{Cn}\p{Unassigned}:未被使用的碼位
  • Unicode Block:按照編碼區間劃分Unicode字元,每個Unicode Block中的字元編碼屬於一個編碼區間。例如Java語言\p{ InCJK_Compatibility_Ideographs },.NET語言\p{IsCJK_Compatibility_Ideographs}
  • Unicode Script:按照字元所屬的書寫系統來劃分Unicode字元。PHPRuby(版本不低於1.9)支援Unicode Script。例如\p{Han}表示漢字(中文字元)。

這三種Unicode性質對應的字元組補集是將開頭的\p改為\P,其它不變。

POSIX字元組

更多資訊 POSIX字元組, 說明 ...
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優先權

更多資訊 優先權, 符號 ...

範例

  • 以下使用PHP語言
  • 驗證字串是否只含數字與英文,字串長度並在4~16個字元之間:
    <?php
    $str = 'a1234';
    if (preg_match("/^[a-zA-Z0-9]{4,16}$/", $str)) {
        echo "CONFIRM";
    } else {
        echo "FAILED";
    }
    ?>
    
  • 簡易的中華民國國民身份證字號驗證:
    <?php
    $str = 'a1234';
    if (preg_match("/^[A-Za-z][1289]\d{8}$/", $str)) {
        echo "CONFIRM";
    } else {
        echo "FAILED";
    }
    ?>
    
  • 以下使用Perl語言
  • 驗證字串是否只含數字與英文,字串長度並在4~16個字元之間:
    print $str = "a1234" =~ m:^[a-zA-Z0-9]{4,16}$: ? "CONFIRM" : "FAILED";
    
  • 簡易的中華民國身份證字號驗證:
    print $str = "a1234" =~ m"^\w[1289]\d{8}$" ? "CONFIRM" : "INVALID";
    
  • 使用正則表示式符合ip地址:
    import re
    s=' 192.137.1.336  192.168.1.137.123  192.168.1.138 '
    print(re.findall(r'(?<![\.\d])(?:25[0-5]\.|2[0-4]\d\.|[01]?\d\d?\.){3}(?:25[0-5]|2[0-4]\d|[01]?\d\d?)(?![\.\d])',s))
    

相關條目

註釋

參考文獻

外部連結

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