Java性能 -- 正则表达式

元字符

  1. 正则表达式使用一些特定的元字符来检索、匹配和替换符合规则的字符串
  2. 元字符:普通字符标准字符限定字符(量词)、定位字符(边界字符)

正则表达式引擎

  1. 正则表达式是一个用正则符号写出来的公式
    • 程序对正则表达式进行语法分析,建立语法分析树
    • 再根据语法分析树结合正则表达式引擎生成执行程序(状态机),用于字符匹配
      • 正则表达式引擎是一套核心算法,用于建立状态机
    • 小结
      • 正则表达式 => 语法分析树
      • 语法分析树 + 正则表达引擎 => 状态机 => 用于字符匹配
  2. 目前实现正则表达式引擎的方式有两种
    • DFA自动机(Deterministic Finite Automaton,确定有限状态自动机)
    • NFA自动机(Nondeterministic Finite Automaton,非确定有限状态自动机)
  3. DFA自动机的构造代价远大于NFA自动机,但DFA自动机的执行效率高于NFA自动机
    • 假设一个字符串的长度为n,如果采用DFA自动机作为正则表达式引擎,则匹配的时间复杂度为O(n)
    • 如果采用NFA自动机作为正则表达式引擎,NFA自动机在匹配过程中存在大量的分支回溯,假设NFA的状态数为s,
      • 则匹配的时间复杂度为O(ns)
  4. NFA自动机的优势是支持更多高级功能,但都是基于子表达式独立进行匹配
    • 因此在编程语言里,使用的正则表达式库都是基于NFA自动机实现的

NFA自动机

匹配过程

  1. NFA自动机会读取正则表达式的每一个字符,拿去和目标字符串匹配
  2. 匹配成功则换正则表达式的下一个字符,反之就继续就和目标字符串的下一个字符进行匹配
1
2
text="aabcab"
regex="bc"

回溯

  1. 用NFA自动机实现的比较复杂的正则表达式,在匹配过程中经常会引起回溯问题
  2. 大量的回溯会长时间占用CPU,从而带来系统性能开销
1
2
text="abbc"
regex="ab{1,3}c"

读取正则表达式第一个匹配符a和字符串第一个字符a进行比较,a对a,匹配

读取正则表达式第二个匹配符b{1,3}和字符串的第二个字符b进行比较,匹配,但b{1,3}表示1~3个字符,而NFA自动机具有贪婪特性,所以不会读取正则表达式的下一个匹配符c

使用b{1,3}和字符串的第四个字符c进行比较,发现不匹配,此时就会发生回溯,已经读取的字符串第四个字符c将被吐出去,指针回到第三个字符b的位置

发生回溯后,读取正则表达式的下一个匹配符c,和字符串的第四个字符c进行比较,结果匹配

避免回溯

避免回溯的方法:使用懒惰模式和独占模式

贪婪模式(Greedy)

  1. 在数量匹配中,如果单独使用+、?、*、{min,max}等量词,正则表达式会匹配尽可能多的内容
  2. text="abbc" , regex="ab{1,3}c",发生了一次匹配失败,就会引起一次回溯
  3. text="abbbc" , regex="ab{1,3}c",匹配成功

懒惰模式(Reluctant)

  1. 在懒惰模式下,正则表达式会尽可能少地重复匹配字符,如果匹配成功,会继续匹配剩余的字符串
  2. 使用?开启懒惰模式,text="abc" , regex="ab{1,3}?c"
    • 匹配结果是"abc",在该模式下NFA自动机首先选择最小的匹配范围,即匹配1个b字符,避免了回溯问题

独占模式(Possessive)

  1. 和贪婪模式一样,独占模式一样会最大限度地匹配更多内容,但在匹配失败时会结束匹配不会发生回溯问题
  2. 使用+开启懒惰模式,text="abbc" , regex="ab{1,3}+bc"
    • 结果是不匹配,结束匹配,不会发生回溯问题

代码

1
2
3
4
match("ab{1,3}c", "abbc"); // abbc,贪婪模式,产生回溯
match("ab{1,3}c", "abbbc"); // abbbc,贪婪模式,不产生回溯
match("ab{1,3}?", "abbbb"); // ab,懒惰模式,不产生回溯
match("ab{1,3}+bc", "abbc"); // null,独占模式,不产生回溯

正则表达式的优化

  1. 少用贪婪模式,多用独占模式(避免回溯)
  2. 减少分支选择,分支选择类型"(X|Y|Z)"的正则表达式会降低性能,尽量减少使用,如果一定要使用
    • 考虑选择的顺序,将比较常用的选择放在前面,使它们可以较快地被匹配
    • 提取共用模式,(abcd|abef) => ab(cd|ef)
    • 如果是简单的分支选择类型,可以用三次index代替(X|Y|Z)
  3. 减少捕获嵌套
    • 捕获组:把正则表达式中,子表达式匹配的内容保存到以数字编号或显式命名的数组中,一般一个()就是一个捕获组
      • 每个捕获组都有一个编号,编号0代表整个匹配到的内容
    • 非捕获组:参与匹配却不进行分组编号的捕获组,其表达式一般由(?:exp)组成
    • 减少不需要获取的分组,可以提高正则表达式的性能

捕获组

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
String text = "<input high=\"20\" weight=\"70\">test</input>";
String reg = "(<input.*?>)(.*?)(</input>)";
Pattern p = Pattern.compile(reg);
Matcher m = p.matcher(text);
while (m.find()) {
System.out.println(m.group(0));// 整个匹配到的内容
System.out.println(m.group(1));//(<input.*?>)
System.out.println(m.group(2));//(.*?)
System.out.println(m.group(3));//(</input>)
// 输出:
// <input high="20" weight="70">test</input>
// <input high="20" weight="70">
// test
// </input>
}

非捕获组

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
String text = "<input high=\"20\" weight=\"70\">test</input>";
String reg = "(?:<input.*?>)(.*?)(?:</input>)";
Pattern p = Pattern.compile(reg);
Matcher m = p.matcher(text);
while (m.find()) {
System.out.println(m.group(0));// 整个匹配到的内容
System.out.println(m.group(1));//(.*?)
// 输出
// <input high="20" weight="70">test</input>
// test
}

小结

在做好性能测试的前提下,可以使用正则表达式,否则能不用就不用,避免造成更多的性能问题

0%