深入入門正則表達式(java) - 匹配原理 - 2 - 回溯

內容可能有些不嚴謹的地方,希望大家落腳前先拍磚,多謝

 

深入入門正則表達式(java) - 引言

深入入門正則表達式(java) - 1 - 入門基礎 
深入入門正則表達式(java) - 2 - 基本實例

深入入門正則表達式(java) - 3 - 正則在java中的使用

深入入門正則表達式(java) - 匹配原理 - 1 - 引擎分類與普適原則

深入入門正則表達式(java) - 匹配原理 - 2 - 回溯

 


回溯(backtracking)

NFA引擎最重要的性質是:它會一次處理各個子表達式或組成元素,遇到需要在兩個可能成功的可能中進行選擇的時候,它會選擇其一,同時記住其他結果,以備後續需要

需要做出選擇的情形包括 量詞(決定是否嘗試另一次匹配)和多選結構(決定選擇哪個多選分支)

兩個要點:

1.如果需要在“進行嘗試”和“跳過嘗試”之間選擇,對於匹配優先量詞來說,引擎會優先選擇“進行嘗試”,對於忽略優先量詞來說,會選擇“跳過嘗試”

2.距離當前最近存儲的選項就是當本地失敗強制回溯返回的。使用的原則是LIFO(last in first out,後進先出)。

 

實際上,NFA搜索的過程算法就是深度優先(關於深度優先介紹見文章末尾,內容來自中文維機百科),只不過並不一定完全遍歷,完成匹配之後就停止搜索了。下面我舉幾個簡單的例子,畫圖來描述一下。

例,假如我們要匹配一串數字中的最後兩位,目標字符串“3456”,正則“\d+(\d\d)”,下面是一個流程示意圖

匹配過程比較簡單,首先\d+匹配3、4、5、6,其中綠色的圓圈是\d+的備用位置。

\d+繼續嘗試匹配,發現沒有字符了,所以它的匹配結束,把控制權交給了\d,然而\d也無法匹配,所以需要進行回溯。

 

正則回到第二個綠色圓圈那裏,然後控制權交給\d。現在\d可以匹配到數字6了,匹配結束,控制權交給\d,發現沒有字符留給它,所以還需要回溯。

正則回到第一個綠色圓圈那裏,然後控制權交給\d。現在\d可以匹配到數字5了,匹配結束,控制權交給\d,匹配到了數字6,匹配結束,至此整個表達式完成了匹配。

這裏紅色的圓圈表示交換控制權,這樣方便理解。只有在綠色圓圈處纔可能產生新的分支,其餘地方,如果匹配失敗,只需要原路返回到綠色圓圈處即可,然後嘗試量詞和多選結構的備用狀態)

 

環視中的回溯

如果環視結構的匹配嘗試結束,那麼它就不會留下任何備用狀態。如果匹配成功,它會放棄剩餘的備用狀態;如果匹配失敗,則繼續嘗試匹配,直到所有備用狀態用光,所以也不會留下備用狀態。

環視中,是有可能放棄備用狀態的,下面要介紹的固化分組和佔有優先量詞也會具有這樣的性質。

 

 

下面有一條顯而易見,但是又容易讓大家忽略的事實。

無論是匹配優先還是忽略優先,只要引擎報告匹配失敗,它就必然嘗試了所有可能。

所以,如果有太多的回溯的可能,那麼可能會使得你的程序阻塞,在android裏面會產生ANR。之後會給出能阻塞程序的例子。

(對於傳統NFA來說,選擇結構是按順序的,並不是匹配優先也不是忽略優先)

 

固化分組與佔有優先量詞

(?>...) :固化分組

“?+”、“*+”、“++”、“{m,n}+” :佔有優先量詞

 

固化分組

對於“(?>...)” 中的內容部分(省略號省略的部分)來說,與之前將過的匹配規則一致,沒有什麼區別,但是,當此部分表達式匹配完畢,開始匹配括號外面的部分時,括號內的所有備用狀態都會被放棄,也就是說,如果之後的匹配失敗,也不會回退固化分組之前記錄的狀態(因爲出了固化分組後,它就忘了之前的狀態了,這哥們記性不是很好)。

 

固化分組和環視都有放棄備用狀態的特點,我們可以考慮使用肯定環視來模擬固化分組。

對於“(?>regex)” ,我們希望匹配了regex之後就放棄其備用狀態,我們知道“(?=regex)”匹配結束之後會放棄其備選狀態,那麼可以使用“(?=(?:regex))\1”,這樣會比真正的固化分組慢一些,因爲還要重新匹配“\1”。

 

下面給出一個簡單的例子:目標字符串“abc”,正則“(?=\w+)\1”

首先\w+會匹配abc,匹配完成後放棄其所有備選狀態,把控制權交給“\1”。“\1”再次重新匹配abc。

如果正則改爲:“(?=\w+)\1c”

我想讓\w+匹配到“ab”,這樣“\1”就匹配到了“ab”,“c”對應“c”,匹配成功。但是,結果並不是這樣的!

和上面的匹配過程一樣:首先\w+會匹配abc,匹配完成後放棄其所有備選狀態,把控制權交給“\1”。“\1”再次重新匹配abc。然後把控制權交給“c”,發現匹配失敗,沒有備用狀態,整體匹配就失敗了。有的同學可能會想,如果我讓正則回溯到環視之前呢?其實也是一樣的,當把控制權交給環視的時候,“\w+”依然直接匹配“abc”,後面大家都知道了,然後再次回溯……

所以當“c”無法匹配字符時,沒有必要進行回溯,可以直接宣告匹配失敗。

 

下面看看這個正則表達式:“(?>.*?)”

如果上面的內容理解了,那麼這個正則也不難了,它永遠也匹配不到任何字符。

 

 

佔有優先量詞

佔有優先量詞與匹配優先量詞(貪婪匹配)很像,區別在於:佔有優先量詞不會交還字符,而匹配優先在需要的時候會交還字符。

下面給大家一個例子:

字符串:aaaaa

正則1:“\w+a”

正則2:“\w++a”

正則1:首先“\w+a” 的\w+部分會匹配所有字符,它會佔有5個a,然後“\w+a” 對其中的a進行匹配,發現已經沒有字符留給它了,這時候\w會交還之前佔有的字符,每次交還一個。交還一個後,\w擁有“aaaa”,這時候“\w+a” 的a發現,它能匹配\w交還的字符,於是匹配成功,匹配結束。

 

正則2:同樣,“\w++a” 的\w++部分會匹配所有字符,然後發現“\w++a” 的a部分無法匹配,但是\w++不會交還之前匹配到的字符,於是,匹配宣告失敗!

 

 

區分固化分組與佔有優先

作者告訴我們:請務必區分 下面兩個表達式

表達式1:“(?>M)+”

表達式2:“(?>M+)”

表達式1放棄了M的備用狀態,但是M並沒有創造狀態,所以這樣做沒有什麼意義

表達式2放棄了M+的備用狀態,這樣顯然有意義。

表達式3:“M++”

與表達式2一樣,佔有優先量詞可以用固化分組來實現。

 

下面是一個稍微複雜點的佔有優先表達式,如何將它轉化爲固化分組呢?

(\\"|[^"])*+

其實我覺得,如果理解了上面的文字,那麼轉化還是挺簡單的,結果如下

(?>(\\"|[^"])*)

可作者覺得,可能會有很多人寫成下面錯誤 的形式

(?>\\"|[^"])*

所以作者特意總結了一下:去掉表示佔有優先的加號,用固化分組把餘下的部分包括起來。

 

 

深度優先算法(Depth-First-Search)

類別:搜索算法
數據結構:
時間複雜度:
空間複雜度:
最佳解:
完全性:
其他:

b-分支系數

m-圖的最大深度

搜索算法的一種。是沿着樹的深度遍歷樹的節點,儘可能深的搜索樹的分支。當節點v的所有邊都己被探尋過,搜索將回溯到發現節點v的那條邊的起始節點。這一過程一直進行到已發現從源節點可達的所有節點爲止。如果還存在未被發現的節點,則選擇其中一個作爲源節點並重復以上過程,整個進程反覆進行直到所有節點都被訪問爲止。屬於盲目搜索。

 


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