Introduction

若要判断一个输入的 QQ 号是否有效，你会如何处理呢？

首先你得分析一下其对应规则，依次列出：

  1. 长度大于5，小于等于11；
  2. 首位不能为0；
  3. 是否为纯数字？

规则既列，接着就该尝试实现了，那么用什么来表示字符串呢？在 C++ 中，最容易想到的就是 string，其中提供了许多成员函数可以处理字符串，所以有了如下实现：

std::string qq;
std::cin >> qq;

// 1. 判断位数是否合法
if (qq.length() >= 5 && qq.length() <= 11)
{
    // 2. 判断是否非'0'开头
    if (qq[0] != '0')
    {
        // 3. 判断是否为纯数字
        auto pos = std::find_if(qq.begin(), qq.end(), [](const char& ch) {
            return ch < '0' || ch > '9';
        });
        if (pos == qq.end())
            std::cout << "valid.\n";
    }
}

虽然写出来了，但是有没有感到异常繁琐？这还仅仅是一个对应规则较少的处理，便如此麻烦，若是要检测IP地址、身份证号，或是解析一段HTML数据，或是其它更复杂的字串，那岂非更加麻烦？

当然，也有许多扩展库对字符串处理提供了方便，其中比较好用的是 boost 中的 string_algo 库（已于 C++17 纳入了标准库，并改名为 string_view），但本篇主要说 C++11 的 regex 库，其对复杂数据的处理能力非常强，比如可以用它来检测 QQ 号：

std::regex qq_reg("[1-9]\\d{4,11}");
bool ret = std::regex_match(qq, qq_reg);
std::cout << (ret ? "valid" : "invalid") << std::endl;

是不是超级方便呢？那么接下来便来看看如何使用「正则表达式」。

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()，是个函数模板，直接看例子：

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("123@qq.vip.com,456@gmail.com,789@163.com,abcd@my.com");
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：

1123@qq.vip.com
2456@gmail.com
3789@163.com
4abcd@my.com

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, "");

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。

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 = "123@qq.vip.com,456@gmail.com,789@163.com,abcd@my.com";
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：

1123@qq.vip.com
2456@gmail.com
3789@163.com
4abcd@my.com

但若是输入一个 Abc0_@aAa1.123.456.789，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 = "123@qq.vip.com, \
           456@gmail.com, \
           789@163.com.cn.mail, \
           abcd@my.com, \
           Abc0_@aAa1.123.456.789 \
           haha@163.com.cn.com.cn";
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：

123@qq.vip.com
456@gmail.com
789@163.com.cn.mail
abcd@my.com
haha@163.com.cn.com

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

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