剑指 Offer 19. 正则表达式匹配
请实现一个函数用来匹配包含'. '和'*'的正则表达式。模式中的字符'.'表示任意一个字符，而'*'表示它前面的字符可以出现任意次（含0次）。在本题中，匹配是指字符串的所有字符匹配整个模式。例如，字符串"aaa"与模式"a.a"和"ab*ac*a"匹配，但与"aa.a"和"ab*a"均不匹配。
示例 1:
输入:
s = "aa"
p = "a"
输出: false
解释: "a" 无法匹配 "aa" 整个字符串。
示例 2:
输入:
s = "aa"
p = "a*"
输出: true
解释: 因为 '*' 代表可以匹配零个或多个前面的那一个元素, 在这里前面的元素就是 'a'。因此，字符串 "aa" 可被视为 'a' 重复了一次。
示例 3:
输入:
s = "ab"
p = ".*"
输出: true
解释: ".*" 表示可匹配零个或多个（'*'）任意字符（'.'）。
示例 4:
输入:
s = "aab"
p = "c*a*b"
输出: true
解释: 因为 '*' 表示零个或多个，这里 'c' 为 0 个, 'a' 被重复一次。因此可以匹配字符串 "aab"。
示例 5:
输入:
s = "mississippi"
p = "mis*is*p*."
输出: false
s 可能为空，且只包含从 a-z 的小写字母。
p 可能为空，且只包含从 a-z 的小写字母以及字符 . 和 *，无连续的 '*'。
作者：Krahets
链接：https://leetcode.cn/leetbook/read/illustration-of-algorithm/9a1ypc/
来源：力扣（LeetCode）
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题解：如下。
class Solution {
public:
bool isMatch(string s, string p) {
std::regex reg(p);
return std::regex_match(s, reg);
}
};执行结果：
通过
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执行用时：172 ms, 在所有 C++ 提交中击败了5.32%的用户
内存消耗：9 MB, 在所有 C++ 提交中击败了11.58%的用户
通过测试用例：448 / 448
看来使用库函数运行时间有点拉胯。没关系，学会C++正则表达式也是极好的。
正则程序库（regex）
「正则表达式」就是一套表示规则的式子，专门用来处理各种复杂的操作。
std::regex是C++用来表示「正则表达式」（regular expression）的库，于C++11加入，它是class std::basic_regex<>针对char类型的一个特化，还有一个针对wchar_t类型的特化为std::wregex。
正则文法（regex syntaxes）
std::regex默认使用是ECMAScript文法，这种文法比较好用，且威力强大，常用符号的意义如下：
| 符号 | 意义 |
|---|---|
| ^ | 匹配行的开头 |
| $ | 匹配行的结尾 |
| . | 匹配任意单个字符 |
| […] | 匹配[]中的任意一个字符 |
| (…) | 设定分组 |
| \ | 转义字符 |
| \d | 匹配数字[0-9] |
| \D | \d 取反 |
| \w | 匹配字母[a-z]，数字，下划线 |
| \W | \w 取反 |
| \s | 匹配空格 |
| \S | \s 取反 |
| + | 前面的元素重复1次或多次 |
| * | 前面的元素重复任意次 |
| ? | 前面的元素重复0次或1次 |
| {n} | 前面的元素重复n次 |
| {n,} | 前面的元素重复至少n次 |
| {n,m} | 前面的元素重复至少n次，至多m次 |
| | | 逻辑或 |
上面列出的这些都是非常常用的符号，靠这些便足以解决绝大多数问题了。
匹配（Match）
字符串处理常用的一个操作是「匹配」，即字符串和规则恰好对应，而用于匹配的函数为std::regex_match()，它是个函数模板，我们直接来看例子：
std::regex reg("<.*>.*</.*>");
bool ret = std::regex_match("<html>value</html>", reg);
assert(ret);
ret = std::regex_match("<xml>value<xml>", reg);
assert(!ret);
std::regex reg1("<(.*)>.*</\\1>");
ret = std::regex_match("<xml>value</xml>", reg1);
assert(ret);
ret = std::regex_match("<header>value</header>", std::regex("<(.*)>value</\\1>"));
assert(ret);
// 使用basic文法
std::regex reg2("<\\(.*\\)>.*</\\1>", std::regex_constants::basic);
ret = std::regex_match("<title>value</title>", reg2);
assert(ret);
这个小例子使用regex_match()来匹配xml格式（或是html格式）的字符串，匹配成功则会返回true，意思非常简单，若是不懂其中意思，可参照前面的文法部分。
对于语句中出现\\，是因为\需要转义，C++11以后支持原生字符，所以也可以这样使用：
std::regex reg1(R"(<(.*)>.*</\1>)");
auto ret = std::regex_match("<xml>value</xml>", reg1);
assert(ret);
但C++03之前并不支持，所以使用时要需要留意。
若是想得到匹配的结果，可以使用regex_match()的另一个重载形式：
std::cmatch m;
auto ret = std::regex_match("<xml>value</xml>", m, std::regex("<(.*)>(.*)</(\\1)>"));
if (ret)
{
std::cout << m.str() << std::endl;
std::cout << m.length() << std::endl;
std::cout << m.position() << std::endl;
}
std::cout << "----------------" << std::endl;
// 遍历匹配内容
for (auto i = 0; i < m.size(); ++i)
{
// 两种方式都可以
std::cout << m[i].str() << " " << m.str(i) << std::endl;
}
std::cout << "----------------" << std::endl;
// 使用迭代器遍历
for (auto pos = m.begin(); pos != m.end(); ++pos)
{
std::cout << *pos << std::endl;
}
输出结果为：
<xml>value</xml>
16
0
----------------
<xml>value</xml> <xml>value</xml>
xml xml
value value
xml xml
----------------
<xml>value</xml>
xml
value
xml
cmatch是class template std::match_result<>针对C字符的一个特化版本，若是string，便得用针对string的特化版本smatch。同时还支持其相应的宽字符版本wcmatch和wsmatch。
在regex_match()的第二个参数传入match_result便可获取匹配的结果，在例子中便将结果储存到了cmatch中，而cmatch又提供了许多函数可以对这些结果进行操作，大多方法都和string的方法类似，所以使用起来比较容易。
m[0]保存着匹配结果的所有字符，若想在匹配结果中保存有子串，则得在「正则表达式」中用()标出子串，所以这里多加了几个括号：
std::regex("<(.*)>(.*)</(\\1)>")
这样这些子串就会依次保存在m[0]的后面，即可通过m[1],m[2],...依次访问到各个子串。
搜索（Search）
「搜索」与「匹配」非常相像，其对应的函数为std::regex_search，也是个函数模板，用法和regex_match一样，不同之处在于「搜索」只要字符串中有目标出现就会返回，而非完全「匹配」。
还是以例子来看：
std::regex reg("<(.*)>(.*)</(\\1)>");
std::cmatch m;
auto ret = std::regex_search("123<xml>value</xml>456", m, reg);
if (ret)
{
for (auto& elem : m)
std::cout << elem << std::endl;
}
std::cout << "prefix:" << m.prefix() << std::endl;
std::cout << "suffix:" << m.suffix() << std::endl;
输出为：
<xml>value</xml>
xml
value
xml
prefix:123
suffix:456
这儿若换成regex_match匹配就会失败，因为regex_match是完全匹配的，而此处字符串前后却多加了几个字符。
对于「搜索」，在匹配结果中可以分别通过prefix和suffix来获取前缀和后缀，前缀即是匹配内容前面的内容，后缀则是匹配内容后面的内容。
那么若有多组符合条件的内容又如何得到其全部信息呢？这里依旧通过一个小例子来看：
std::regex reg("<(.*)>(.*)</(\\1)>");
std::string content("123<xml>value</xml>456<widget>center</widget>hahaha<vertical>window</vertical>the end");
std::smatch m;
auto pos = content.cbegin();
auto end = content.cend();
for (; std::regex_search(pos, end, m, reg); pos = m.suffix().first)
{
std::cout << "----------------" << std::endl;
std::cout << m.str() << std::endl;
std::cout << m.str(1) << std::endl;
std::cout << m.str(2) << std::endl;
std::cout << m.str(3) << std::endl;
}
输出结果为：
----------------
<xml>value</xml>
xml
value
xml
----------------
<widget>center</widget>
widget
center
widget
----------------
<vertical>window</vertical>
vertical
window
vertical
此处使用了regex_search函数的另一个重载形式（regex_match函数亦有同样的重载形式），实际上所有的子串对象都是从std::pair<>派生的，其first（即此处的prefix）即为第一个字符的位置，second（即此处的suffix）则为最末字符的下一个位置。
一组查找完成后，便可从suffix处接着查找，这样就能获取到所有符合内容的信息了。
分词（Tokenize）
还有一种操作叫做「切割」，例如有一组数据保存着许多邮箱账号，并以逗号分隔，那就可以指定以逗号为分割符来切割这些内容，从而得到每个账号。
而在C++的正则中，把这种操作称为Tokenize，用模板类regex_token_iterator<>提供分词迭代器，依旧通过例子来看：
std::string mail("[email protected],[email protected],[email protected],[email protected]");
std::regex reg(",");
std::sregex_token_iterator pos(mail.begin(), mail.end(), reg, -1);
decltype(pos) end;
for (; pos != end; ++pos)
{
std::cout << pos->str() << std::endl;
}
这样，就能通过逗号分割得到所有的邮箱：
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
sregex_token_iterator是针对string类型的特化，需要注意的是最后一个参数，这个参数可以指定一系列整数值，用来表示你感兴趣的内容，此处的-1表示对于匹配的正则表达式之前的子序列感兴趣；而若指定0，则表示对于匹配的正则表达式感兴趣，这里就会得到“,"；还可对正则表达式进行分组，之后便能输入任意数字对应指定的分组，大家可以动手试试。
替换（Replace）
最后一种操作称为「替换」，即将正则表达式内容替换为指定内容，regex库用模板函数std::regex_replace提供「替换」操作。
现在，给定一个数据为"he...ll..o, worl..d!"， 思考一下，如何去掉其中误敲的“.”？
有思路了吗？来看看正则的解法：
char data[] = "he...ll..o, worl..d!";
std::regex reg("\\.");
// output: hello, world!
std::cout << std::regex_replace(data, reg, "");
我们还可以使用分组功能：
char data[] = "001-Neo,002-Lucia";
std::regex reg("(\\d+)-(\\w+)");
// output: 001 name=Neo,002 name=Lucia
std::cout << std::regex_replace(data, reg, "$1 name=$2");
当使用分组功能后，可以通过$N来得到分组内容，这个功能挺有用的。
实例（Examples）
1. 验证邮箱
这个需求在注册登录时常有用到，用于检测用户输入的合法性。
若是对匹配精确度要求不高，那么可以这么写：
std::string data = "[email protected],[email protected],[email protected],[email protected]";
std::regex reg("\\w+@\\w+(\\.\\w+)+");
std::sregex_iterator pos(data.cbegin(), data.cend(), reg);
decltype(pos) end;
for (; pos != end; ++pos)
{
std::cout << pos->str() << std::endl;
}
这里使用了另外一种遍历正则查找的方法，这种方法使用regex iterator来迭代，效率要比使用match高。这里的正则是一个弱匹配，但对于一般用户的输入来说没有什么问题，关键是简单，输出为：
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
但若我输入一个“[email protected]”，它依旧能匹配成功，这明显是个非法邮箱，更精确的正则应该这样写：
std::string data = "[email protected], \
[email protected], \
[email protected], \
[email protected], \
[email protected] \
[email protected]";
std::regex reg("[a-zA-z0-9_]+@[a-zA-z0-9]+(\\.[a-zA-z]+){1,3}");
std::sregex_iterator pos(data.cbegin(), data.cend(), reg);
decltype(pos) end;
for (; pos != end; ++pos)
{
std::cout << pos->str() << std::endl;
}
输出为：
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
2. 匹配IP
有这样一串IP地址，192.68.1.254 102.49.23.013 10.10.10.10 2.2.2.2 8.109.90.30，
要求：取出其中的IP地址，并按地址段顺序输出IP地址。
有点晚了，便不详细解释了，这里直接给出答案，可供大家参考：
std::string ip("192.68.1.254 102.49.23.013 10.10.10.10 2.2.2.2 8.109.90.30");
std::cout << "原内容为：\n" << ip << std::endl;
// 1. 位数对齐
ip = std::regex_replace(ip, std::regex("(\\d+)"), "00$1");
std::cout << "位数对齐后为：\n" << ip << std::endl;
// 2. 有0的去掉
ip = std::regex_replace(ip, std::regex("0*(\\d{3})"), "$1");
std::cout << "去掉0后为：\n" << ip << std::endl;
// 3. 取出IP
std::regex reg("\\s");
std::sregex_token_iterator pos(ip.begin(), ip.end(), reg, -1);
decltype(pos) end;
std::set<std::string> ip_set;
for (; pos != end; ++pos)
{
ip_set.insert(pos->str());
}
std::cout << "------\n最终结果：\n";
// 4. 输出排序后的数组
for (auto elem : ip_set)
{
// 5. 去掉多余的0
std::cout << std::regex_replace(elem,
std::regex("0*(\\d+)"), "$1") << std::endl;
}
输出结果为：
原内容为：
192.68.1.254 102.49.23.013 10.10.10.10 2.2.2.2 8.109.90.30
位数对齐后为：
00192.0068.001.00254 00102.0049.0023.00013 0010.0010.0010.0010 002.002.002.002 008.00109.0090.0030
去掉0后为：
192.068.001.254 102.049.023.013 010.010.010.010 002.002.002.002 008.109.090.030
------
最终结果：
2.2.2.2
8.109.90.30
10.10.10.10
102.49.23.13
192.68.1.254感谢博客园的大佬，学习了！！