正则表达式匹配N的倍数

前端之家收集整理的这篇文章主要介绍了正则表达式匹配N的倍数前端之家小编觉得挺不错的,现在分享给大家,也给大家做个参考。

来源:https://jex.im/programming/triple-regex.html

Regex Golf上有一道题名为 Triples,即要求用正则表达式匹配3的倍数,还有一道匹配7的倍数的练习题。这种问题如果人肉解决的话,相当于做一道包含几十个数的四则运算题,不管你怎么想,反正我小时候遇到五个数以上的四则运算题都是直接略过。小时候不好好学习,现在该怎么办呢?——现在我会写代码了啊。 解决方案其实很简单:写程序构造一个接受3的倍数的DFA,再将其转换成正则式即可。

Finite Automaton

术语听起来都好抽象,其实解决思路就像小学生做除法一样简单。比如我们如何判定4641是3的倍数? 从左往右一个数一个数地计算,最后余0即可:

4641
4    % 3 => 1
16   % 3 => 1
 14  % 3 => 2
  21 % 3 => 0

一次读一个数字,然后输出一个余数,如果最后余0则表示OK。影响我们判断的有两个因素:上次运算结果的余数,当前读入的字符。自动机就是这样一种机器,开始处于一个状态,每次读入一个字符,然后输出一个新状态。所以上面的运算可以用下面的自动机执行过程表示,起始状态为0,余数即为输出状态:

  4
0 => 1
6 1 => 1 4 1 => 2 1 2 => 0

用人话来讲就是:上次余数为0时,遇到4则余1;上次余1时遇到6则还余1;……
数字只有10个,所以我们可以穷举,除3余数只有0、1、2三种可能,当余数为任意一个时,下一次遇到的数字只有10种可能, 全部情况列举成一张表:

上次余数(From State) 遇到数字(Input Char) 输出余数(To State)
0 0、3、6、9 0
1、4、7 1
2、5、8 2
1 2
0
2 1

教科书都喜欢画DFA流程图,我也用GraphViz将就画个(这么乱的图真能帮助理解吗):

接下来其实就可以动手写程序自动生成这张表了:

/**
自动构造接受N的倍数的DFA
@return { fromState => { Char => toState } }
*/
function buildDFA(N) {
  var map={},i,208)">jto;
  // i 为 From State
  for i=0;<++) //FromState不会超过N,因为余数肯定小于N嘛
    j<10{ // j 为枚举Input Digit Char
      //当上次余i这次碰到j时,除N的余数即为输出状态
      to*10+) % ;
      map[]=||{})[;
    }
  return ;
}

代码也太简单了,用JavaScript写的好处就是现在按下F12代码贴进去运行下就能看到结果了。可生成这张表有什么用呢?再写个执行DFA的函数就大功告成了:

运行DFA @param {DFA} a 就是buildDFA返回的表 @param {String} s 输入数字串 @return 如果输入匹配则返回true runDFAas{ (froml.lengthl{ from][]];//获取到下一个状态 if ===undefined) return false; ===;//最后余0则OK } //测试是否是3的倍数 (3), ""+4614);

至此已经做到了生成及执行匹配任意整数倍数的DFA,注意是任意位数的N及其倍数哦。接下来的工作就是将自动机转换成正则表达式。有很多种算法,这里只介绍最易于理解的解方程法。

Arden's Lemma

这种方法就是将自动机中的状态变换看成方程组,然后用解方程的方式化简自动机,逐步消减状态,最后合并成一个正则式。该方法基于Arden's Lemma

L = UL ∪ V ⟺ L = U ∗ V

看上去好抽象,其实只是Minify过了而已。其中的道理很简单,先看下面的DFA如何转换成正则式:

a 0 => 0
b 0 => 1

其中0、1为状态,a、b表示Char,0为起始状态,1为接受状态。这个只包含两条变换的自动机对应于正则式:a*b,这就是Arden's Lemma表达的意思。单这一条引理其实还不够,我们还需要了解正则式其它几个基础性质。我们把这正则式整体当成一个自动机的话,它就是0 => 1这样一个变换。 正则式的串联,比如a*bc*d,对应于自动机的串联:

b 0 => 1
c 1 => 1 d 1 => 2

其中2为接受状态。那么两个正则式的串联,则可以看成将整体串联成0 => 1 => 2得到0 => 2。 依此类推,正则式的并联,如(a|b)c,对应于自动机的并联:

a 0 => 1
c 1 => 2
好了,其实正则表达式与自动机相互转换的方法就这些。应用到前面的Triple DFA,比如0 => 0的变换有四条,所以正则式为(0|3|6|9)*,当然更简单的写法是[0369]*,前面buildDFA函数生成的表虽易于执行,但却不便于转换到正则式,所以写一个直接输出如下格式的函数更方便:

{ "0":{ :"[0369]""1""[147]""2""[258]"} 改写后的buildTable函数(其中reflect表后面再解释):

buildTablenreflectpath; path{}; { ; ] || @H_284_404@''+=; >) reflect|| 1} to in ) ].length>) =@H_284_404@'['+@H_284_404@']') =Objectkeys]); return {:}; 我们的目标是转换成的正则式只匹配除3余0的数,最终生成的正则式只能是一个0 => 0的变换,这样才能保证成功匹配时的结束状态一定是0。所以只需要把所有可能的0 => …… => 0不重复的变换路径进行并联,就能得到最终的正则式。 比如将0 => 1 => 00 => 0并联得到正则式:([0369]|[147][258])*,依此类推。应用前面的Arden's Lemma及其它几条方法,将所有的变换都化简成一条0 => 0变换,这个过程就像在解一个方程,将不可接受状态当成未知量化解成用0这个可接受状态表示。例如对于TripleDFA,约去状态2的步骤如下所示:

Origin 应用Arden's Lemma
: {
    : "[0369]"
  }
"[0369]*[147]""[0369]*[258]" }

然后再将状态1输出中的状态2替换掉,其它依此类推:

Origin
{ "[147]" }
1 => 2 => X串联 "[147][0369]*[147]""[147][0369]*[258]" 1 => X并联 "[258]|[147][0369]*[147]""[0369]|[147][0369]*[258]" 前面buildTable中的reflect表就是用于反查哪些状态可以到达当前要约去的状态,以便将其替换掉。

在化简过程中,无非对正则式进行串联、并联、重复这三种操作,相应的处理函数如下:

// seq(["[147]","[258]"]) => "[147][258]" seqtype:@H_284_404@'seq'toString:function () { rejoin(""); (thisrepeat1?@H_284_404@'('')*''*'re} // choice(["[147]","[258]"]) => "[147]|[258]" choiceitems[]; //这一步其实只是为了使生成的正则式更短一些 //按并联的结合性,"a|(b|c)" 等同于 "a|b|c" forEach{ ===@H_284_404@'choice') itemsconcat); else push); }); "|"1 || ) ')'+=// 将一个正则式标志为重复 typeof 'string'; repeat=true 除去拼接正则式的代码,最终的函数也不算长:

buildRegextablek; tablewhile (--{ trans],208)">tprefixtrans?]); t]; prefix([]]); entrances]; entrances--;) ]; ]; ]])]); return @H_284_404@'^'[]['$' 执行buildRegex(3)生成的正则表达式如下,Regex Golf评分 523 Points:

^([0369]|[258][0369]*[147]|([147]|[258][0369]*[258])([0369]|[147][0369]*[258])*([258]|[147][0369]*[147]))*$

这个函数生成出的匹配7的倍数的正则式有近16K,虽然说它能生成匹配任意位整数倍数的正则式,但这并不现实,因为它生成的正则式体积呈指数级增涨,生成20以上的正则式内存就不够用了。而这么长的正则式让JS的正则引擎去解析的话,大约15以上就会报错。如果去执行匹配测试的话,大于13就有可能返回 False,这是因为执行时间过长,正则引擎就会放弃执行。优化当然还是可以做的,比如生成的正则式输出时使用非捕获分组如(:?[147]),执行速度则可以提升好几倍。

我知道很多人会说用正则式匹配3的倍数效率太低了,有什么必要呢?我当然知道没人真的会这么用正则式,但这道理还是需要讲明白的。姑且不谈使用atoi方法即使在64位机上也只能处理长度不超过二十位的数字,试问这个正则表达式真的很慢吗?这可不一定。正则引擎其实还是将正则式转换成DFA或NFA执行的,如果是编译到DFA,虽然编译会花费些时间和内存,但执行速度只慢在额外的内存读取,DFA复杂度和atoi函数一样都是Θ(n),即使慢也只是常数倍。如果直接执行原始DFA,理论上可以和atoi函数一样快,这道理是明摆着的。 你不信的话,用下面的C++程序测试看,即使re2也只不过慢了5倍而已:

#include <stdio.h> #include <time.h> #include <stdlib.h> #include <re2/re2.h> #define LOOP_TIMES 10000000 int main{ int dfa{ 2}; clock_t start;const char* num="2147483646"; =LOOP_TIMES; startclock(); (strnum; while( *str { [][(++ - '0')]; } isTriple==} printf(" DFA:%d\n"()-); { unsigned val = atoi); isTriple = % )"atoi:%dRE2::Options optLatin1); .set_never_capture(trueRE2 "(?:[0369]|[258][0369]*[147]|" "(?:[147]|[258][0369]*[258])" "(?:[0369]|[147][0369]*[258])*" "(?:[258]|[147][0369]*[147]))*"FullMatch" re2:%d); 如果你仍然觉得正则表达式肯定很慢的话,那看下面的JavaScript测试程序:

LOOP_TIMES10000000;
=/^(?:[0369]|[258][0369]*[147]|(?:[147]|[258][0369]*[258])(?:[0369]|[147][0369]*[258])*(?:[258]|[147][0369]*[147]))*$/s="31457283145728"isTriple;
=+new Date;
test);
consolelog"  RegExp:"+-);

parseInt%3 === "parseInt:");

运行结果显示parseInt方式更慢!为什么?呵呵,因为JS中 Number 是双精度64位浮点数,如果将上面C++程序中atoi改成atof、使用fmod取余的话,运行结果显示取余比正则式只快了不到一倍!

好了,现在至少没人再拿这正则表达式效率低说事了吧。

原文链接:https://www.f2er.com/regex/358585.html

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