正则表达式（四）：正则表达式的与或非（转）

原文：http://www.infoq.com/cn/news/2011/04/regular-expressions-4

我们使用正则表达式，熟练掌握各种功能和结构只是手段，解决实际的问题才是真正的目的。要解决真正的问题，就必须有解决问题的思路，正则表达式的功能，说到底，可以归纳为三种逻辑，为了表述方便，我们分别称为与、或、非。

逻辑关系	说明
与	在某个位置，某些元素（字符、字符组或者子表达式）必须出现
或	在某个位置，某个元素或许不出现，或许不出现，或许长度不固定；要出现的，是某几个元素中的一个
非	在某个位置，某些元素不能出现

一般来说，正则表达式千变万化，总是这三种逻辑的组合。比如匹配双引号字符串

"quoted string"

逻辑关系	分析
与	首尾的双引号字符必须出现
或	两个双引号之间的字符个数是不确定的（如果是空字符串””，则两个双引号之间没有字符）
非	两个双引号之间不能出现双引号字符

再比如匹配html中的open-tag（比如<h1>）和close-tag（比如</h1>）：

逻辑关系	分析
与	首尾必须分别是<和>，如果是close-tag，则<之后必须出现/
或	<和>之间必须出现至少一个字符（<>不是一个合法的tag）
非	<之后不能是/字符，如果是open-tag，<之后不能出现/

 

下面我们来讲解三种逻辑的对策。

与

“与”是正则表达式中最普通的逻辑关系。一般来说，如果正则表达式中的元素没有任何量词（quantifier，比如*、?、+）修饰，就是“与”关系。比如『<』，就表示“这里必须出现<字符”；『cat』，就表示“这里必须依次出现c、a、t，3个字符”。

不过“与”的情况并没有这么简单，有时候，“必须出现”的是若干个元素，或者说，几个元素必须同时出现，但它们之间并不相连，这是非常容易犯错的时候，不过现在我们不举具体的例子，稍晚一点再说。

或

“或”是正则表达式中最灵活的逻辑关系。正则表达式能应对各种不同的文本，“或”功能不可或缺。

如果“或”的意思是，元素可以出现，也可以不出现，或者出现的次数不确定，可以用量词来表示“或”关系。比如表达式『a?』，表示在此处，字符a可以出现，也可以不出现；表达式『(ab)+』，表示在此处，字符串ab必然要出现1次，也可以出现无限多次。

如果“或”的意思是，可以出现的是某几个元素中的一个，则应该使用字符组或者多选结构。当元素都是单个字符时，就应该使用字符组『[…]』：比如匹配单词cat或者cut，除去开头的a、结尾的t是固定的，之中“或许出现a，或许出现u”，所以应当使用字符组『[au]』，整个正则表达式就是『c[au]t』。当元素不只单个字符（只要有一个元素不只单个字符）时，就应该使用多选结构『(…|…)』：比如不但要匹配单词cat或者cut，还要匹配单词chart、conduct和court，出去开头的a、结尾的t是固定的，之中“或许出现a，或许出现u，或许出现har，或许出现onduc，或许出现our”，这时候就应该使用多选结构『(a|u|har|onduc|our)』，整个正则表达式就是『c(a|u|har|onduc|our)t』。

当然，多选分支也可以表示字符组，比如『[au]』就可以表示为『(a|u)』，两者的功能是完全等价的，但是字符组的效率更高，也更直观（毕竟，大家都习惯了简单的『[au]』，而看到『(a|u)』则多半要想一想。

在实践中，“与”和“或”经常同时出现，而且关系不那么简单，下面举一个例子说明：为了隐藏真实的结构，我们需要用URL进行伪装，比如这个URL pattern：/foo/bar_tmp.php。

在真正的系统里，foo是模块名，bar是控制器名，tmp是方法名。合法的URL并不要求3个名字每次都出现，可以只出现控制器名（/foo），也可以只出现控制器名和模块名（/foo/bar.php），也可以3者都出现（/foo/bar_tmp.php）。

这里的模块名、控制器名、方法名，都可以用『[a-z]+』匹配，这里为说明方便，我们暂且用foo、bar、tmp代替对应的表达式。初看起来，这个表达式只包含“与”和“或”两种关系：

逻辑关系	分析
与	/foo必须出现
或	/bar、_tmp、.php都是可选出现的

所以，正则表达式是『/foo(/bar)?(_tmp)?(\.php)?』。

这个表达式确实可以匹配/foo、/foo/bar.php和/foo/bar_tmp.php，但是，它也可以匹配/foo_tmp、/foo/bar_tmp等形式，虽然这些形式并不是合法的。

仔细研究之后，我们发现，“与”和“或”的关系并没有那么简单，而应该是这样的：

逻辑关系	分析
与	/foo必须出现
或	/bar和.php是可选出现的，但必须同时出现，或同时不出现（与）
在/bar和.php都出现的前提下，_tmp才可以出现（或）

/foo必须出现，这很好表示，暂且不去管它；/bar和.php如果出现，必须同时出现，所以它们应该作为一个元素，写作『(/bar.php)』；整个元素可选出现，所以给它添加量词，得到『(/bar.php)?』；最后，在/bar和.php都出现的前提下，_tmp才可以出现，所以将『(_tmp)?』填充到『(/bar.php)?』，得到『(/bar(_tmp)?.php)?』，最后加上开头的/foo，整个表达式就是『(/bar(_tmp)?.php)?』。到此，整个关系终于完整表达出来，表达式也不会发生错误匹配。

非

“非”是正则表达式中最难处理的逻辑关系。因为没有直接对应的结构，“非”的处理比较吃力。

最简单的“非”，意思是此处不能出现某个字符，这一点通常很直观，似乎用排除型字符组『[^…]』就可以解决。比如双引号字符串的匹配，首尾两个双引号很容易匹配，其中的内容肯定不是双引号（暂时不考虑转义的情况），所以可以用『[^"]』表示即可，其长度不确定，所以用*来限定，所以整个表达式就是『"[^"]*"』，非常简单。

但是，事情果真都如此简单吗？我们仍然举cat和cut的例子，如果仍然希望匹配c开头、t结尾的单词，但不希望匹配cut，可以写成『c[^u]t』，是否就可以了？

这个表达式的意思是：最开头的字母是c，之后是一个不为u的字符，之后是t。没错，它确实不会匹配cut，也可以匹配cat。但是，chart、conduct、court等等，它也没法匹配，因为[^u]的意思是：匹配一个不是u的字符。

那么，把『[^u]』改成『[^u]+』好了，这样应该就可以解决问题了。但是真的如此吗？『[^u]+』的意思是，一个或若干（最多到无穷）个字符，但每一个字符都不能是u。所以，尽管『c[^u]+t』能匹配cat和chart，却不能匹配conduct和court。

看来，“非”真是比较难对付，让人非常纠结。好在，也不是没有办法解决它。回复到与-或-非的观点，分析要实现的功能：

逻辑关系	分析
与	以c开头，以t结尾
或	c和t之间可以出现的字母必须多于一个，没有上限
非	c和t之间不能只有一个字符u

如果只考虑“与”和“或”两个逻辑，表达式很好写，是『c[a-z]+t』，再把剩下的条件附加上去，就可以解决问题了。我们仔细看“非”的条件：c和t之间不能只有一个字符u。既然『[^u]+』表达的并不是这个意思，我们不妨换一种表述法：在c之间的位置向后看，不能出现cut。这一点，正好对应否定顺序环视（positive look-ahead）功能，『(?!cut)』就是用来进行这种判断的，它判断之后的字符串能不能由cut匹配，但并不真正真正进行匹配，也不会移动“当前位置”。所以我们将它放在表达式的最开头，得到『(?!cut)c[a-z]+t』。这个表达式的逻辑是：只有在当前位置右侧字符串不能由cut匹配的情况下，才从这里开始，向右尝试用c[a-z]+t。

如果我们更进一步，需要排除掉cat和cut，可以把否定顺序环视改为『(?!c[au]t)』。这样就能保证，匹配到的肯定不是cat或者cut。

更复杂一点，如果我们要验证这样一个字符串：它全部由小写字母构成，长度不超过12位，其中不能包含unfavored或者unwanted。也可以照章处理，先匹配“长度不超过12位”的小写字母『[a-z]{,12}』，然后写出匹配“不需要匹配内容”的正则表达式，『(unfavored|unwanted)』，再用否定顺序环视将它“排除”即可，只是这次要注意，不能直接写『(?!(unfavored|unwanted))』，因为它只能排除『(unfavored|unwanted)』出现在字符串开头的情况，为了排除它出现在字符串中的情况，我们要把否定顺序环视改为『(?![a-z]*(unfavored|unwanted))』，这样就确保完整的“排除”，整个表达式就是『(?![a-z]*(unfavored|unwanted))[a-z]{,12}』。

总结一下，正则表达式中的“非”，除去能用排除型字符组直接表示的，复杂一点的“非”逻辑都是按照这样的思路进行的：先用一个正则表达式准确匹配需要“排除”的字符串，再用环视功能排除掉它——“非”确实是正则表达式中，最难处理的逻辑关系，好在它并不复杂，而且，除去一些比较古老的工具（比如Apache 1.3），现在各种工具和语言，基本都支持这种功能。