1. 正则表达式引擎的内部工作机制
知道正则表达式引擎是如何工作的有助于你很快理解为何某个正则表达式不像你期望的那样工作。
有两种类型的引擎：文本导向(text-directed)的引擎和正则导向(regex-directed)的引擎。Jeffrey Friedl把他们称作DFA和NFA引擎。本文谈到的是正则导向的引擎。这是因为一些非常有用的特性，如“惰性”量词(lazy quantifiers)和反向引用(backreferences)，只能在正则导向的引擎中实现。所以毫不意外这种引擎是目前最流行的引擎。
你可以轻易分辨出所使用的引擎是文本导向还是正则导向。如果反向引用或“惰性”量词被实现，则可以肯定你使用的引擎是正则导向的。你可以作如下测试：将正则表达式<<regex|regex not>>应用到字符串“regex not”。如果匹配的结果是regex，则引擎是正则导向的。如果结果是regex not，则是文本导向的。因为正则导向的引擎是“猴急”的，它会很急切的进行表功，报告它找到的第一个匹配 。
· 正则导向的引擎总是返回最左边的匹配
这是需要你理解的很重要的一点：即使以后有可能发现一个“更好”的匹配，正则导向的引擎也总是返回最左边的匹配。
当把<<cat>>应用到“He captured a catfish for his cat”，引擎先比较<<c>>和“H”，结果失败了。于是引擎再比较<<c>>和“e”，也失败了。直到第四个字符，<<c>>匹配了“c”。<<a>>匹配了第五个字符。到第六个字符<<t>>没能匹配“p”，也失败了。引擎再继续从第五个字符重新检查匹配性。直到第十五个字符开始，<<cat>>匹配上了“catfish”中的“cat”，正则表达式引擎急切的返回第一个匹配的结果，而不会再继续查找是否有其他更好的匹配。
2. 字符集
字符集是由一对方括号“[]”括起来的字符集合。使用字符集，你可以告诉正则表达式引擎仅仅匹配多个字符中的一个。如果你想匹配一个“a”或一个“e”，使用<<[ae]>>。你可以使用<<gr[ae]y>>匹配gray或grey。这在你不确定你要搜索的字符是采用美国英语还是英国英语时特别有用。相反，<<gr[ae]y>>将不会匹配graay或graey。字符集中的字符顺序并没有什么关系，结果都是相同的。
你可以使用连字符“-”定义一个字符范围作为字符集。<<[0-9]>>匹配0到9之间的单个数字。你可以使用不止一个范围。<<[0-9a-fA-F] >>匹配单个的十六进制数字，并且大小写不敏感。你也可以结合范围定义与单个字符定义。<<[0-9a-fxA-FX]>>匹配一个十六进制数字或字母X。再次强调一下，字符和范围定义的先后顺序对结果没有影响。
· 字符集的一些应用
查找一个可能有拼写错误的单词，比如<<sep[ae]r[ae]te>> 或 <<li[cs]en[cs]e>>。
查找程序语言的标识符，<<A-Za-z_][A-Za-z_0-9]*>>。(*表示重复0或多次)
查找C风格的十六进制数<<0[xX][A-Fa-f0-9]+>>。(+表示重复一次或多次)
· 取反字符集
在左方括号“[”后面紧跟一个尖括号“^”，将会对字符集取反。结果是字符集将匹配任何不在方括号中的字符。不像“.”，取反字符集是可以匹配回车换行符的。
需要记住的很重要的一点是，取反字符集必须要匹配一个字符。<<q[^u]>>并不意味着：匹配一个q，后面没有u跟着。它意味着：匹配一个q，后面跟着一个不是u的字符。所以它不会匹配“Iraq”中的q，而会匹配“Iraq is a country”中的q和一个空格符。事实上，空格符是匹配中的一部分，因为它是一个“不是u的字符”。
如果你只想匹配一个q，条件是q后面有一个不是u的字符，我们可以用后面将讲到的向前查看来解决。
· 字符集中的元字符
需要注意的是，在字符集中只有4个 字符具有特殊含义。它们是：“] \ ^ -”。“]”代表字符集定义的结束；“\”代表转义；“^”代表取反；“-”代表范围定义。其他常见的元字符在字符集定义内部都是正常字符，不需要转义。例如，要搜索星号*或加号+，你可以用<<[+*]>>。当然，如果你对那些通常的元字符进行转义，你的正则表达式一样会工作得很好，但是这会降低可读性。
在字符集定义中为了将反斜杠“\”作为一个文字字符而非特殊含义的字符，你需要用另一个反斜杠对它进行转义。<<[\\x]>>将会匹配一个反斜杠和一个X。“]^-”都可以用反斜杠进行转义，或者将他们放在一个不可能使用到他们特殊含义的位置。我们推荐后者，因为这样可以增加可读性。比如对于字符“^”，将它放在除了左括号“[”后面的位置，使用的都是文字字符含义而非取反含义。如<<[x^]>>会匹配一个x或^。<<[]x]>>会匹配一个“]”或“x”。<<[-x]>>或<<[x-]>>都会匹配一个“-”或“x”。
· 字符集的简写
因为一些字符集非常常用，所以有一些简写方式。
<<\d>>代表<<[0-9]>>;
<<\w>>代表单词字符。这个是随正则表达式实现的不同而有些差异。绝大多数的正则表达式实现的单词字符集都包含了<<A-Za-z0-9_]>>。
<<\s>>代表“白字符”。这个也是和不同的实现有关的。在绝大多数的实现中，都包含了空格符和Tab符，以及回车换行符<<\r\n>>。
字符集的缩写形式可以用在方括号之内或之外。<<\s\d>>匹配一个白字符后面紧跟一个数字。<<[\s\d]>>匹配单个白字符或数字。<<[\da-fA-F]>>将匹配一个十六进制数字。
取反字符集的简写
<<[\S]>> = <<[^\s]>>
<<[\W]>> = <<[^\w]>>
<<[\D]>> = <<[^\d]>>
· 字符集的重复
如果你用“?*+”操作符来重复一个字符集，你将会重复整个字符集。而不仅是它匹配的那个字符。正则表达式<<[0-9]+>>会匹配837以及222。
如果你仅仅想重复被匹配的那个字符，可以用向后引用达到目的。我们以后将讲到向后引用。
3. 使用?*或+ 进行重复
?：告诉引擎匹配前导字符0次或一次。事实上是表示前导字符是可选的。
+：告诉引擎匹配前导字符1次或多次
*：告诉引擎匹配前导字符0次或多次
<[A-Za-z][A-Za-z0-9]*>匹配没有属性的HTML标签，“<”以及“>”是文字符号。第一个字符集匹配一个字母，第二个字符集匹配一个字母或数字。
我们似乎也可以用<[A-Za-z0-9]+>。但是它会匹配<1>。但是这个正则表达式在你知道你要搜索的字符串不包含类似的无效标签时还是足够有效的。
· 限制性重复
许多现代的正则表达式实现，都允许你定义对一个字符重复多少次。词法是：{min,max}。min和max都是非负整数。如果逗号有而max被忽略了，则max没有限制。如果逗号和max都被忽略了，则重复min次。
因此{0,}和*一样，{1，}和+ 的作用一样。
你可以用<<\b[1-9][0-9]{3}\b>>匹配1000~9999之间的数字(“\b”表示单词边界)。<<\b[1-9][0-9]{2,4}\b>>匹配一个在100~99999之间的数字。
· 注意贪婪性
假设你想用一个正则表达式匹配一个HTML标签。你知道输入将会是一个有效的HTML文件，因此正则表达式不需要排除那些无效的标签。所以如果是在两个尖括号之间的内容，就应该是一个HTML标签。
许多正则表达式的新手会首先想到用正则表达式<< <.+> >>，他们会很惊讶的发现，对于测试字符串，“This is a <EM>first</EM> test”，你可能期望会返回<EM>，然后继续进行匹配的时候，返回</EM>。
但事实是不会。正则表达式将会匹配“<EM>first</EM>”。很显然这不是我们想要的结果。原因在于“+”是贪婪的。也就是说，“+”会导致正则表达式引擎试图尽可能的重复前导字符。只有当这种重复会引起整个正则表达式匹配失败的情况下，引擎会进行回溯。也就是说，它会放弃最后一次的“重复”，然后处理正则表达式余下的部分。
和“+”类似，“?*”的重复也是贪婪的。
· 深入正则表达式引擎内部
让我们来看看正则引擎如何匹配前面的例子。第一个记号是“<”，这是一个文字符号。第二个符号是“.”，匹配了字符“E”，然后“+”一直可以匹配其余的字符，直到一行的结束。然后到了换行符，匹配失败(“.”不匹配换行符)。于是引擎开始对下一个正则表达式符号进行匹配。也即试图匹配“>”。到目前为止，“<.+”已经匹配了“<EM>first</EM> test”。引擎会试图将“>”与换行符进行匹配，结果失败了。于是引擎进行回溯。结果是现在“<.+”匹配“<EM>first</EM> tes”。于是引擎将“>”与“t”进行匹配。显然还是会失败。这个过程继续，直到“<.+”匹配“<EM>first</EM”，“>”与“>”匹配。于是引擎找到了一个匹配“<EM>first</EM>”。记住，正则导向的引擎是“急切的”，所以它会急着报告它找到的第一个匹配。而不是继续回溯，即使可能会有更好的匹配，例如“<EM>”。所以我们可以看到，由于“+”的贪婪性，使得正则表达式引擎返回了一个最左边的最长的匹配。
· 用懒惰性取代贪婪性
一个用于修正以上问题的可能方案是用“+”的惰性代替贪婪性。你可以在“+”后面紧跟一个问号“?”来达到这一点。“*”，“{}”和“?”表示的重复也可以用这个方案。因此在上面的例子中我们可以使用“<.+?>”。让我们再来看看正则表达式引擎的处理过程。
再一次，正则表达式记号“<”会匹配字符串的第一个“<”。下一个正则记号是“.”。这次是一个懒惰的“+”来重复上一个字符。这告诉正则引擎，尽可能少的重复上一个字符。因此引擎匹配“.”和字符“E”，然后用“>”匹配“M”，结果失败了。引擎会进行回溯，和上一个例子不同，因为是惰性重复，所以引擎是扩展惰性重复而不是减少，于是“<.+”现在被扩展为“<EM”。引擎继续匹配下一个记号“>”。这次得到了一个成功匹配。引擎于是报告“<EM>”是一个成功的匹配。整个过程大致如此。
· 惰性扩展的一个替代方案
我们还有一个更好的替代方案。可以用一个贪婪重复与一个取反字符集：“<[^>]+>”。之所以说这是一个更好的方案在于使用惰性重复时，引擎会在找到一个成功匹配前对每一个字符进行回溯。而使用取反字符集则不需要进行回溯。
最后要记住的是，本教程仅仅谈到的是正则导向的引擎。文本导向的引擎是不回溯的。但是同时他们也不支持惰性重复操作。4. 组与向后引用
把正则表达式的一部分放在圆括号内，你可以将它们形成组。然后你可以对整个组使用一些正则操作，例如重复操作符。
要注意的是，只有圆括号“()”才能用于形成组。“[]”用于定义字符集。“{}”用于定义重复操作。
当用“()”定义了一个正则表达式组后，正则引擎则会把被匹配的组按照顺序编号，存入缓存。当对被匹配的组进行向后引用的时候，可以用“\数字”的方式进行引用。<<\1>>引用第一个匹配的后向引用组，<<\2>>引用第二个组，以此类推，<<\n>>引用第n个组。而<<\0>>则引用整个被匹配的正则表达式本身。我们看一个例子。
假设你想匹配一个HTML标签的开始标签和结束标签，以及标签中间的文本。比如<B>This is a test</B>，我们要匹配<B>和</B>以及中间的文字。我们可以用如下正则表达式：“<([A-Z][A-Z0-9]*)[^>]*>.*?</\1>”
首先，“<”将会匹配“<B>”的第一个字符“<”。然后[A-Z]匹配B，[A-Z0-9]*将会匹配0到多次字母数字，后面紧接着0到多个非“>”的字符。最后正则表达式的“>”将会匹配“<B>”的“>”。接下来正则引擎将对结束标签之前的字符进行惰性匹配，直到遇到一个“</”符号。然后正则表达式中的“\1”表示对前面匹配的组“([A-Z][A-Z0-9]*)”进行引用，在本例中，被引用的是标签名“B”。所以需要被匹配的结尾标签为“</B>”
你可以对相同的后向引用组进行多次引用，<<([a-c])x\1x\1>>将匹配“axaxa”、“bxbxb”以及“cxcxc”。如果用数字形式引用的组没有有效的匹配，则引用到的内容简单的为空。
一个后向引用不能用于它自身。<<([abc]\1)>>是错误的。因此你不能将<<\0>>用于一个正则表达式匹配本身，它只能用于替换操作中。
后向引用不能用于字符集内部。<<(a)[\1b]>>中的<<\1>>并不表示后向引用。在字符集内部，<<\1>>可以被解释为八进制形式的转码。
向后引用会降低引擎的速度，因为它需要存储匹配的组。如果你不需要向后引用，你可以告诉引擎对某个组不存储。例如：<<Get(?:Value)>>。其中“(”后面紧跟的“?:”会告诉引擎对于组(Value)，不存储匹配的值以供后向引用。
· 重复操作与后向引用
当对组使用重复操作符时，缓存里后向引用内容会被不断刷新，只保留最后匹配的内容。例如：<<([abc]+)=\1>>将匹配“cab=cab”，但是<<([abc])+=\1>>却不会。因为([abc])第一次匹配“c”时，“\1”代表“c”；然后([abc])会继续匹配“a”和“b”。最后“\1”代表“b”，所以它会匹配“cab=b”。
应用：检查重复单词--当编辑文字时，很容易就会输入重复单词，例如“the the”。使用<<\b(\w+)\s+\1\b>>可以检测到这些重复单词。要删除第二个单词，只要简单的利用替换功能替换掉“\1”就可以了。
· 组的命名和引用
在PHP，Python中，可以用<<(?P<name>group)>>来对组进行命名。在本例中，词法?P<name>就是对组(group)进行了命名。其中name是你对组的起的名字。你可以用(?P=name)进行引用。
.NET的命名组
.NET framework也支持命名组。不幸的是，微软的程序员们决定发明他们自己的语法，而不是沿用Perl、Python的规则。目前为止，还没有任何其他的正则表达式实现支持微软发明的语法。
下面是.NET中的例子：
(?<first>group)(?’second’group)
正如你所看到的，.NET提供两种词法来创建命名组：一是用尖括号“<>”，或者用单引号“’’”。尖括号在字符串中使用更方便，单引号在ASP代码中更有用，因为ASP代码中“<>”被用作HTML标签。
要引用一个命名组，使用\k<name>或\k’name’.
当进行搜索替换时，你可以用“${name}”来引用一个命名组。
5. 向前查看与向后查看
Perl 5 引 入了两个强大的正则语法：“向前查看”和“向后查看”。他们也被称作“零长度断言”。他们和锚定一样都是零长度的（所谓零长度即指该正则表达式不消耗被匹 配的字符串）。不同之处在于“前后查看”会实际匹配字符，只是他们会抛弃匹配只返回匹配结果：匹配或不匹配。这就是为什么他们被称作“断言”。他们并不实 际消耗字符串中的字符，而只是断言一个匹配是否可能。
几乎本文讨论的所有正则表达式的实现都支持“向前向后查看”。唯一的一个例外是Javascript只支持向前查看。
· 肯定和否定式的向前查看
如我们前面提过的一个例子：要查找一个q，后面没有紧跟一个u。也就是说，要么q后面没有字符，要么后面的字符不是u。采用否定式向前查看后的一个解决方案为<<q(?!u)>>。否定式向前查看的语法是<<(?!查看的内容)>>。
肯定式向前查看和否定式向前查看很类似：<<(?=查看的内容)>>。
如果在“查看的内容”部分有组，也会产生一个向后引用。但是向前查看本身并不会产生向后引用，也不会被计入向后引用的编号中。这是因为向前查看本身是会被抛弃掉的，只保留匹配与否的判断结果。如果你想保留匹配的结果作为向后引用，你可以用<<(?=(regex))>>来产生一个向后引用。
· 肯定和否定式的先后查看
向后查看和向前查看有相同的效果，只是方向相反
否定式向后查看的语法是：<<(?<!查看内容)>>
肯定式向后查看的语法是：<<(?<=查看内容)>>
我们可以看到，和向前查看相比，多了一个表示方向的左尖括号。
例：<<(?<!a)b>>将会匹配一个没有“a”作前导字符的“b”。
值得注意的是：向前查看从当前字符串位置开始对“查看”正则表达式进行匹配；向后查看则从当前字符串位置开始先后回溯一个字符，然后再开始对“查看”正则表达式进行匹配。
· 深入正则表达式引擎内部
让我们看一个简单例子。
把正则表达式<<q(?!u)>>应用到字符串“Iraq”。正则表达式的第一个符号是<<q>>。正如我们知道的，引擎在匹配<<q>>以前会扫过整个字符串。当第四个字符“q”被匹配后，“q”后面是空字符(void)。而下一个正则符号是向前查看。引擎注意到已经进入了一个向前查看正则表达式部分。下一个正则符号是<<u>>，和空字符不匹配，从而导致向前查看里的正则表达式匹配失败。因为是一个否定式的向前查看，意味着整个向前查看结果是成功的。于是匹配结果“q”被返回了。
我们在把相同的正则表达式应用到“quit”。<<q>>匹配了“q”。下一个正则符号是向前查看部分的<<u>>，它匹配了字符串中的第二个字符“i”。引擎继续走到下个字符“i”。然而引擎这时注意到向前查看部分已经处理完了，并且向前查看已经成功。于是引擎抛弃被匹配的字符串部分，这将导致引擎回退到字符“u”。
因为向前查看是否定式的，意味着查看部分的成功匹配导致了整个向前查看的失败，因此引擎不得不进行回溯。最后因为再没有其他的“q”和<<q>>匹配，所以整个匹配失败了。
为了确保你能清楚地理解向前查看的实现，让我们把<<q(?=u)i>>应用到“quit”。<<q>>首先匹配“q”。然后向前查看成功匹配“u”，匹配的部分被抛弃，只返回可以匹配的判断结果。引擎从字符“i”回退到“u”。由于向前查看成功了，引擎继续处理下一个正则符号<<i>>。结果发现<<i>>和“u”不匹配。因此匹配失败了。由于后面没有其他的“q”，整个正则表达式的匹配失败了。
· 更进一步理解正则表达式引擎内部机制
让我们把<<(?<=a)b>>应用到“thingamabob”。引擎开始处理向后查看部分的正则符号和字符串中的第一个字符。在这个例子中，向后查看告诉正则表达式引擎回退一个字符，然后查看是否有一个“a”被匹配。因为在“t”前面没有字符，所以引擎不能回退。因此向后查看失败了。引擎继续走到下一个字符“h”。再一次，引擎暂时回退一个字符并检查是否有个“a”被匹配。结果发现了一个“t”。向后查看又失败了。
向后查看继续失败，直到正则表达式到达了字符串中的“m”，于是肯定式的向后查看被匹配了。因为它是零长度的，字符串的当前位置仍然是“m”。下一个正则符号是<<b>>，和“m”匹配失败。下一个字符是字符串中的第二个“a”。引擎向后暂时回退一个字符，并且发现<<a>>不匹配“m”。
在下一个字符是字符串中的第一个“b”。引擎暂时性的向后退一个字符发现向后查看被满足了，同时<<b>>匹配了“b”。因此整个正则表达式被匹配了。作为结果，正则表达式返回字符串中的第一个“b”。
· 向前向后查看的应用
我们来看这样一个例子：查找一个具有6位字符的，含有“cat”的单词。
首先，我们可以不用向前向后查看来解决问题，例如：
<< cat\w{3}|\wcat\w{2}|\w{2}cat\w|\w{3}cat>>
足够简单吧！但是当需求变成查找一个具有6-12位字符，含有“cat”，“dog”或“mouse”的单词时，这种方法就变得有些笨拙了。
我们来看看使用向前查看的方案。在这个例子中，我们有两个基本需求要满足：一是我们需要一个6位的字符，二是单词含有“cat”。
满足第一个需求的正则表达式为<<\b\w{6}\b>>。满足第二个需求的正则表达式为<<\b\w*cat\w*\b>>。
把两者结合起来，我们可以得到如下的正则表达式：
<<(?=\b\w{6}\b)\b\w*cat\w*\b>>
具体的匹配过程留给读者。但是要注意的一点是，向前查看是不消耗字符的，因此当判断单词满足具有6个字符的条件后，引擎会从开始判断前的位置继续对后面的正则表达式进行匹配。
最后作些优化，可以得到下面的正则表达式：
<<\b(?=\w{6}\b)\w{0,3}cat\w*>>
6. 正则表达式中的条件测试
条件测试的语法为<<(?ifthen|else)>>。“if”部分可以是向前向后查看表达式。如果用向前查看，则语法变为：<<(?(?=regex)then|else)>>，其中else部分是可选的。
如果if部分为true，则正则引擎会试图匹配then部分，否则引擎会试图匹配else部分。
需要记住的是，向前先后查看并不实际消耗任何字符，因此后面的then与else部分的匹配时从if测试前的部分开始进行尝试。
7. 为正则表达式添加注释
在正则表达式中添加注释的语法是：<<(?#comment)>>
例：为用于匹配有效日期的正则表达式添加注释：
(?#year)(19|20)\d\d[- /.](?#month)(0[1-9]|1[012])[- /.](?#day)(0[1-9]|[12][0-9]|3[01])
摘自