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<title>04 慎重使用正则表达式.md.html</title>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/00 开篇词你为什么需要学习并发编程?.md.html">00 开篇词你为什么需要学习并发编程?.md.html</a>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/01 如何制定性能调优标准?.md.html">01 如何制定性能调优标准?.md.html</a>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/02 如何制定性能调优策略?.md.html">02 如何制定性能调优策略?.md.html</a>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/03 字符串性能优化不容小觑,百M内存轻松存储几十G数据.md.html">03 字符串性能优化不容小觑,百M内存轻松存储几十G数据.md.html</a>
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<li>
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<a class="current-tab" href="/专栏/Java并发编程实战/04 慎重使用正则表达式.md.html">04 慎重使用正则表达式.md.html</a>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/05 ArrayList还是LinkedList?使用不当性能差千倍.md.html">05 ArrayList还是LinkedList?使用不当性能差千倍.md.html</a>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/06 Stream如何提高遍历集合效率?.md.html">06 Stream如何提高遍历集合效率?.md.html</a>
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<li>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/07 深入浅出HashMap的设计与优化.md.html">07 深入浅出HashMap的设计与优化.md.html</a>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/08 网络通信优化之IO模型:如何解决高并发下IO瓶颈?.md.html">08 网络通信优化之IO模型:如何解决高并发下IO瓶颈?.md.html</a>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/09 网络通信优化之序列化:避免使用Java序列化.md.html">09 网络通信优化之序列化:避免使用Java序列化.md.html</a>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/10 网络通信优化之通信协议:如何优化RPC网络通信?.md.html">10 网络通信优化之通信协议:如何优化RPC网络通信?.md.html</a>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/11 答疑课堂:深入了解NIO的优化实现原理.md.html">11 答疑课堂:深入了解NIO的优化实现原理.md.html</a>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/12 多线程之锁优化(上):深入了解Synchronized同步锁的优化方法.md.html">12 多线程之锁优化(上):深入了解Synchronized同步锁的优化方法.md.html</a>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/13 多线程之锁优化(中):深入了解Lock同步锁的优化方法.md.html">13 多线程之锁优化(中):深入了解Lock同步锁的优化方法.md.html</a>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/14 多线程之锁优化(下):使用乐观锁优化并行操作.md.html">14 多线程之锁优化(下):使用乐观锁优化并行操作.md.html</a>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/15 多线程调优(上):哪些操作导致了上下文切换?.md.html">15 多线程调优(上):哪些操作导致了上下文切换?.md.html</a>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/16 多线程调优(下):如何优化多线程上下文切换?.md.html">16 多线程调优(下):如何优化多线程上下文切换?.md.html</a>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/17 并发容器的使用:识别不同场景下最优容器.md.html">17 并发容器的使用:识别不同场景下最优容器.md.html</a>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/18 如何设置线程池大小?.md.html">18 如何设置线程池大小?.md.html</a>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/19 如何用协程来优化多线程业务?.md.html">19 如何用协程来优化多线程业务?.md.html</a>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/20 磨刀不误砍柴工:欲知JVM调优先了解JVM内存模型.md.html">20 磨刀不误砍柴工:欲知JVM调优先了解JVM内存模型.md.html</a>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/21 深入JVM即时编译器JIT,优化Java编译.md.html">21 深入JVM即时编译器JIT,优化Java编译.md.html</a>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/22 如何优化垃圾回收机制?.md.html">22 如何优化垃圾回收机制?.md.html</a>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/23 如何优化JVM内存分配?.md.html">23 如何优化JVM内存分配?.md.html</a>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/24 内存持续上升,我该如何排查问题?.md.html">24 内存持续上升,我该如何排查问题?.md.html</a>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/25 答疑课堂:模块四热点问题解答.md.html">25 答疑课堂:模块四热点问题解答.md.html</a>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/26 单例模式:如何创建单一对象优化系统性能?.md.html">26 单例模式:如何创建单一对象优化系统性能?.md.html</a>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/27 原型模式与享元模式:提升系统性能的利器.md.html">27 原型模式与享元模式:提升系统性能的利器.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/28 如何使用设计模式优化并发编程?.md.html">28 如何使用设计模式优化并发编程?.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/29 生产者消费者模式:电商库存设计优化.md.html">29 生产者消费者模式:电商库存设计优化.md.html</a>
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</li>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/30 装饰器模式:如何优化电商系统中复杂的商品价格策略?.md.html">30 装饰器模式:如何优化电商系统中复杂的商品价格策略?.md.html</a>
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</li>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/31 答疑课堂:模块五思考题集锦.md.html">31 答疑课堂:模块五思考题集锦.md.html</a>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/32 MySQL调优之SQL语句:如何写出高性能SQL语句?.md.html">32 MySQL调优之SQL语句:如何写出高性能SQL语句?.md.html</a>
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</li>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/33 MySQL调优之事务:高并发场景下的数据库事务调优.md.html">33 MySQL调优之事务:高并发场景下的数据库事务调优.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/34 MySQL调优之索引:索引的失效与优化.md.html">34 MySQL调优之索引:索引的失效与优化.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/35 记一次线上SQL死锁事故:如何避免死锁?.md.html">35 记一次线上SQL死锁事故:如何避免死锁?.md.html</a>
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</li>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/36 什么时候需要分表分库?.md.html">36 什么时候需要分表分库?.md.html</a>
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</li>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/37 电商系统表设计优化案例分析.md.html">37 电商系统表设计优化案例分析.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/38 数据库参数设置优化,失之毫厘差之千里.md.html">38 数据库参数设置优化,失之毫厘差之千里.md.html</a>
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<li>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/39 答疑课堂:MySQL中InnoDB的知识点串讲.md.html">39 答疑课堂:MySQL中InnoDB的知识点串讲.md.html</a>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/41 如何设计更优的分布式锁?.md.html">41 如何设计更优的分布式锁?.md.html</a>
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</li>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/42 电商系统的分布式事务调优.md.html">42 电商系统的分布式事务调优.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/43 如何使用缓存优化系统性能?.md.html">43 如何使用缓存优化系统性能?.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/44 记一次双十一抢购性能瓶颈调优.md.html">44 记一次双十一抢购性能瓶颈调优.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/加餐 什么是数据的强、弱一致性?.md.html">加餐 什么是数据的强、弱一致性?.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/加餐 推荐几款常用的性能测试工具.md.html">加餐 推荐几款常用的性能测试工具.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/答疑课堂:模块三热点问题解答.md.html">答疑课堂:模块三热点问题解答.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java并发编程实战/结束语 栉风沐雨,砥砺前行!.md.html">结束语 栉风沐雨,砥砺前行!.md.html</a>
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</li>
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</ul>
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<div class="sidebar-toggle" onclick="sidebar_toggle()" onmouseover="add_inner()" onmouseleave="remove_inner()">
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|
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content.classList.add('extend')
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|
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|
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let sidebar = document.querySelector('.book-sidebar')
|
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<p id="tip" align="center"></p>
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<div><h1>04 慎重使用正则表达式</h1>
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<pre><code>你好,我是刘超。
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</code></pre>
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<p>上一讲,我在讲 String 对象优化时,提到了 Split() 方法,该方法使用的正则表达式可能引起回溯问题,今天我们就来深入了解下,这究竟是怎么回事?</p>
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<p>**开始之前,我们先来看一个案例,**可以帮助你更好地理解内容。</p>
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<p>在一次小型项目开发中,我遇到过这样一个问题。为了宣传新品,我们开发了一个小程序,按照之前评估的访问量,这次活动预计参与用户量 30W+,TPS(每秒事务处理量)最高 3000 左右。</p>
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<p>这个结果来自我对接口做的微基准性能测试。我习惯使用 ab 工具(通过 yum -y install httpd-tools 可以快速安装)在另一台机器上对 http 请求接口进行测试。</p>
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<p>我可以通过设置 -n 请求数 /-c 并发用户数来模拟线上的峰值请求,再通过 TPS、RT(每秒响应时间)以及每秒请求时间分布情况这三个指标来衡量接口的性能,如下图所示(图中隐藏部分为我的服务器地址):</p>
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<p><img src="assets/9c48880c13fd89bc48c0bd756a00561b.png" alt="img" /></p>
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<p>就在做性能测试的时候,我发现有一个提交接口的 TPS 一直上不去,按理说这个业务非常简单,存在性能瓶颈的可能性并不大。</p>
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<p>我迅速使用了排除法查找问题。首先将方法里面的业务代码全部注释,留一个空方法在这里,再看性能如何。这种方式能够很好地区分是框架性能问题,还是业务代码性能问题。</p>
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<p>我快速定位到了是业务代码问题,就马上逐一查看代码查找原因。我将插入数据库操作代码加上之后,TPS 稍微下降了,但还是没有找到原因。最后,就只剩下 Split() 方法操作了,果然,我将 Split() 方法加入之后,TPS 明显下降了。</p>
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<p>可是一个 Split() 方法为什么会影响到 TPS 呢?下面我们就来了解下正则表达式的相关内容,学完了答案也就出来了。</p>
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<h2>什么是正则表达式?</h2>
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<p>很基础,这里带你简单回顾一下。</p>
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<p>正则表达式是计算机科学的一个概念,很多语言都实现了它。正则表达式使用一些特定的元字符来检索、匹配以及替换符合规则的字符串。</p>
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<p>构造正则表达式语法的元字符,由普通字符、标准字符、限定字符(量词)、定位字符(边界字符)组成。详情可见下图:</p>
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<p><img src="assets/6ede246f783be477d3219f4218543691.jpg" alt="img" /></p>
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<h2>正则表达式引擎</h2>
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<p>正则表达式是一个用正则符号写出的公式,程序对这个公式进行语法分析,建立一个语法分析树,再根据这个分析树结合正则表达式的引擎生成执行程序(这个执行程序我们把它称作状态机,也叫状态自动机),用于字符匹配。</p>
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<p>而这里的正则表达式引擎就是一套核心算法,用于建立状态机。</p>
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<p>目前实现正则表达式引擎的方式有两种:DFA 自动机(Deterministic Final Automata 确定有限状态自动机)和 NFA 自动机(Non deterministic Finite Automaton 非确定有限状态自动机)。</p>
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<p>对比来看,构造 DFA 自动机的代价远大于 NFA 自动机,但 DFA 自动机的执行效率高于 NFA 自动机。</p>
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<p>假设一个字符串的长度是 n,如果用 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);如果用 NFA 自动机作为正则表达式引擎,由于 NFA 自动机在匹配过程中存在大量的分支和回溯,假设 NFA 的状态数为 s,则该匹配算法的时间复杂度为 O(ns)。</p>
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<p>NFA 自动机的优势是支持更多功能。例如,捕获 group、环视、占有优先量词等高级功能。这些功能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 实现的。</p>
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<p>那么 NFA 自动机到底是怎么进行匹配的呢?我以下面的字符和表达式来举例说明。</p>
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<p>text=“aabcab”
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regex=“bc”</p>
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<p>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,匹配成功就换正则表达式的下一个字符,反之就继续和目标字符串的下一个字符进行匹配。分解一下过程。</p>
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<p>首先,读取正则表达式的第一个匹配符和字符串的第一个字符进行比较,b 对 a,不匹配;继续换字符串的下一个字符,也是 a,不匹配;继续换下一个,是 b,匹配。</p>
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<p><img src="assets/197f80286625dc814b62a1220f14c0fa.jpg" alt="img" /></p>
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<p>然后,同理,读取正则表达式的第二个匹配符和字符串的第四个字符进行比较,c 对 c,匹配;继续读取正则表达式的下一个字符,然而后面已经没有可匹配的字符了,结束。</p>
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<p><img src="assets/93e48614363857393e75084b55b3e225.jpg" alt="img" /></p>
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<p>这就是 NFA 自动机的匹配过程,虽然在实际应用中,碰到的正则表达式都要比这复杂,但匹配方法是一样的。</p>
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<h3>NFA 自动机的回溯</h3>
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<p>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。大量的回溯会长时间地占用 CPU,从而带来系统性能开销。我来举例说明。</p>
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<p>text=“abbc”
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regex=“ab{1,3}c”</p>
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<p>这个例子,匹配目的比较简单。匹配以 a 开头,以 c 结尾,中间有 1-3 个 b 字符的字符串。NFA 自动机对其解析的过程是这样的:</p>
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<p>首先,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。</p>
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<p><img src="assets/2cb06df017f9e2974a8bd47c081196ae.jpg" alt="img" /></p>
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<p>然后,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。但因为 b{1,3} 表示 1-3 个 b 字符串,NFA 自动机又具有贪婪特性,所以此时不会继续读取正则表达式的下一个匹配符,而是依旧使用 b{1,3} 和字符串的第三个字符 b 进行比较,结果还是匹配。</p>
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<p><img src="assets/dd5c24c6cfc5a11b133bdfcfb4c43b5d.jpg" alt="img" /></p>
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<p>接着继续使用 b{1,3} 和字符串的第四个字符 c 进行比较,发现不匹配了,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。</p>
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<p><img src="assets/9f877bcafa908991a56b0262ed2990e5.jpg" alt="img" /></p>
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<p>那么发生回溯以后,匹配过程怎么继续呢?程序会读取正则表达式的下一个匹配符 c,和字符串中的第四个字符 c 进行比较,结果匹配,结束。</p>
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<p><img src="assets/a61f13e7540341ff064bf8d104069922.jpg" alt="img" /></p>
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<h3>如何避免回溯问题?</h3>
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<p>既然回溯会给系统带来性能开销,那我们如何应对呢?如果你有仔细看上面那个案例的话,你会发现 NFA 自动机的贪婪特性就是导火索,这和正则表达式的匹配模式息息相关,一起来了解一下。</p>
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<p><strong>1. 贪婪模式(Greedy)</strong></p>
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<p>顾名思义,就是在数量匹配中,如果单独使用 +、 ? 、* 或{min,max} 等量词,正则表达式会匹配尽可能多的内容。</p>
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<p>例如,上边那个例子:</p>
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<p>text=“abbc”
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regex=“ab{1,3}c”</p>
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<p>就是在贪婪模式下,NFA 自动机读取了最大的匹配范围,即匹配 3 个 b 字符。匹配发生了一次失败,就引起了一次回溯。如果匹配结果是“abbbc”,就会匹配成功。</p>
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<p>text=“abbbc”
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regex=“ab{1,3}c”</p>
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<p><strong>2. 懒惰模式(Reluctant)</strong></p>
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<p>在该模式下,正则表达式会尽可能少地重复匹配字符。如果匹配成功,它会继续匹配剩余的字符串。</p>
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<p>例如,在上面例子的字符后面加一个“?”,就可以开启懒惰模式。</p>
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<p>text=“abc”
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regex=“ab{1,3}?c”</p>
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<p>匹配结果是“abc”,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,因此就避免了回溯问题。</p>
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<p><strong>3. 独占模式(Possessive)</strong></p>
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<p>同贪婪模式一样,独占模式一样会最大限度地匹配更多内容;不同的是,在独占模式下,匹配失败就会结束匹配,不会发生回溯问题。</p>
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<p>还是上边的例子,在字符后面加一个“+”,就可以开启独占模式。</p>
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<p>text=“abbc”
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regex=“ab{1,3}+bc”</p>
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<p>结果是不匹配,结束匹配,不会发生回溯问题。讲到这里,你应该非常清楚了,<strong>避免回溯的方法就是:使用懒惰模式和独占模式。</strong></p>
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<p>还有开头那道“一个 split() 方法为什么会影响到 TPS”的存疑,你应该也清楚了吧?</p>
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<p>我使用了 split() 方法提取域名,并检查请求参数是否符合规定。split() 在匹配分组时遇到特殊字符产生了大量回溯,我当时是在正则表达式后加了一个需要匹配的字符和“+”,解决了这个问题。</p>
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<pre><code>\\?(([A-Za-z0-9-~_=%]++\\&{0,1})+)
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</code></pre>
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<h2>正则表达式的优化</h2>
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<p>正则表达式带来的性能问题,给我敲了个警钟,在这里我也希望分享给你一些心得。任何一个细节问题,都有可能导致性能问题,而这背后折射出来的是我们对这项技术的了解不够透彻。所以我鼓励你学习性能调优,要掌握方法论,学会透过现象看本质。下面我就总结几种正则表达式的优化方法给你。</p>
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<h3>1. 少用贪婪模式,多用独占模式</h3>
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<p>贪婪模式会引起回溯问题,我们可以使用独占模式来避免回溯。前面详解过了,这里我就不再解释了。</p>
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<h3>2. 减少分支选择</h3>
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<p>分支选择类型“(X|Y|Z)”的正则表达式会降低性能,我们在开发的时候要尽量减少使用。如果一定要用,我们可以通过以下几种方式来优化:</p>
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<p>首先,我们需要考虑选择的顺序,将比较常用的选择项放在前面,使它们可以较快地被匹配;</p>
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<p>其次,我们可以尝试提取共用模式,例如,将“(abcd|abef)”替换为“ab(cd|ef)”,后者匹配速度较快,因为 NFA 自动机会尝试匹配 ab,如果没有找到,就不会再尝试任何选项;</p>
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<p>最后,如果是简单的分支选择类型,我们可以用三次 index 代替“(X|Y|Z)”,如果测试的话,你就会发现三次 index 的效率要比“(X|Y|Z)”高出一些。</p>
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<h3>3. 减少捕获嵌套</h3>
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<p>在讲这个方法之前,我先简单介绍下什么是捕获组和非捕获组。</p>
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<p>捕获组是指把正则表达式中,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,方便后面引用。一般一个 () 就是一个捕获组,捕获组可以进行嵌套。</p>
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<p>非捕获组则是指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。</p>
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<p>在正则表达式中,每个捕获组都有一个编号,编号 0 代表整个匹配到的内容。我们可以看下面的例子:</p>
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<pre><code>public static void main( String[] args )
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{
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String text = "<input high=\"20\" weight=\"70\">test</input>";
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String reg="(<input.*?>)(.*?)(</input>)";
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Pattern p = Pattern.compile(reg);
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Matcher m = p.matcher(text);
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while(m.find()) {
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System.out.println(m.group(0));// 整个匹配到的内容
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System.out.println(m.group(1));//(<input.*?>)
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System.out.println(m.group(2));//(.*?)
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System.out.println(m.group(3));//(</input>)
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}
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}
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</code></pre>
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<p>运行结果:</p>
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<pre><code><input high=\"20\" weight=\"70\">test</input>
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<input high=\"20\" weight=\"70\">
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test
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</input>
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</code></pre>
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<p>如果你并不需要获取某一个分组内的文本,那么就使用非捕获分组。例如,使用“(?:X)”代替“(X)”,我们再看下面的例子:</p>
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<pre><code>public static void main( String[] args )
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{
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String text = "<input high=\"20\" weight=\"70\">test</input>";
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String reg="(?:<input.*?>)(.*?)(?:</input>)";
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Pattern p = Pattern.compile(reg);
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Matcher m = p.matcher(text);
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while(m.find()) {
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||
System.out.println(m.group(0));// 整个匹配到的内容
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||
System.out.println(m.group(1));//(.*?)
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||
}
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||
}
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</code></pre>
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<p>运行结果:</p>
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<pre><code><input high=\"20\" weight=\"70\">test</input>
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test
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</code></pre>
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<p>综上可知:减少不需要获取的分组,可以提高正则表达式的性能。</p>
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<h2>总结</h2>
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<p>正则表达式虽然小,却有着强大的匹配功能。我们经常用到它,比如,注册页面手机号或邮箱的校验。</p>
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<p>但很多时候,我们又会因为它小而忽略它的使用规则,测试用例中又没有覆盖到一些特殊用例,不乏上线就中招的情况发生。</p>
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<p>综合我以往的经验来看,如果使用正则表达式能使你的代码简洁方便,那么在做好性能排查的前提下,可以去使用;如果不能,那么正则表达式能不用就不用,以此避免造成更多的性能问题。</p>
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<h2>思考题</h2>
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<p>除了 Split() 方法使用到正则表达式,其实 Java 还有一些方法也使用了正则表达式去实现一些功能,使我们很容易掉入陷阱。现在就请你想一想 JDK 里面,还有哪些工具方法用到了正则表达式?</p>
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if (cookie.replace("/", "") !== "") {
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console.log(cookie)
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document.getElementById("tip").innerHTML = "<a href='" + cookie + "'>跳转到上次进度</a>"
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