Java中使用正则表达式替换字符串：后向引用与环视的比较

在本教程中，我们将学习如何使用String类中提供的replaceAll()方法使用正则表达式替换文本。此外，我们将学习两种方法，后向引用和环视，来执行相同的操作，然后比较它们的性能。

让我们首先描述第一种方法。

2. 使用replaceAll()中的后向引用

要理解后向引用，我们首先需要了解匹配组。简单来说，一个组不过是将多个字符视为一个单元。因此，后向引用是正则表达式中的一个特性，它允许我们在同一个正则表达式中引用先前匹配的组。通常，我们使用数字来表示模式中的捕获组，如\1、\2等。

例如，正则表达式(a)(b)\1使用\1来引用第一个捕获的组，在我们的例子中是(a)。

在字符串替换操作中，我们使用这些引用将匹配的文本替换为我们想要的文本。当使用replaceAll()方法时，我们在替换字符串中引用捕获组为$1、$2等。

现在，为了更好地理解，让我们考虑以下用例。我们想要删除字符串中的所有星号符号。因此，任务是仅在字符串的开头或结尾保留星号，同时删除所有其他星号。例如，text保持不变，而text变为text。

2.1 实现后向引用

为了完成我们的任务，我们将使用replaceAll()方法与正则表达式，并在其中使用后向引用：

String str = "*te*xt**";
String replaced = str.replaceAll("(\\*)|(\\*$)|\\*", "$1$2");
assertEquals("*text*", replaced);

在上面，我们定义了正则表达式“(\)|(\$)|\”，它由三部分组成。第一组(\)捕获字符串开头的星号。第二组(\*$)捕获字符串结尾的星号。第三组\*捕获所有其余的星号。因此，正则表达式只选择字符串的某些部分，只有这些被选择的部分将被替换。我们用不同的颜色突出显示不同的部分：

简而言之，替换字符串$1$2返回该组中选择的所有字符，以便它们保留在最终字符串中。

让我们看看解决相同任务的不同方法。

3. 使用replaceAll()中的环视

后向引用的替代方法是使用环视，它允许我们在进行正则表达式匹配时忽略周围的字符。在我们的示例中，我们可以更直观地删除字符串中的星号：

String str = "*te*xt**";
String replacedUsingLookaround = str.replaceAll("(?\<!^)\\*+(?!$)", "");
assertEquals("*text*", replacedUsingLookaround);

在这个例子中，(?<!^{)\*+捕获一个或多个星号(\*+)，这些星号前面没有字符串的开头((?<!}))。简而言之，我们正在进行一个负向环视。接下来，(?!$)部分是一个负向环视，我们定义它来忽略后面是字符串结尾的星号。最后，空的替换字符串在这里删除所有匹配的字符。因此，这种方法更容易理解，因为我们选择所有我们想要删除的字符：

除了可读性之外，这两种方法在性能上也有所不同。让我们接下来检查它们。

4. 性能比较：环视与后向引用

为了比较这两种方法的性能，我们将使用JMH库进行基准测试，并测量每种方法处理大量字符串替换所需的平均执行时间。

对于我们的性能测试，我们将使用前面任务中的相同星号示例。简而言之，我们将重复使用replaceAll()函数与两种正则表达式方法各1000次。

对于此测试，我们将配置2次预热迭代和5次测量迭代。此外，我们将测量完成任务所需的平均时间：

@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.MILLISECONDS)
@Fork(1)
@Warmup(iterations = 2)
@Measurement(iterations = 5)
public class RegexpBenchmark {
    private static final int ITERATIONS_COUNT = 1000;

    @State(Scope.Benchmark)
    public static class BenchmarkState {
        String testString = "*example*text**with*many*asterisks**".repeat(ITERATIONS_COUNT);
    }

    @Benchmark
    public void backReference(BenchmarkState state) {
        state.testString.replaceAll("(\\*)|(\\*$)|\\*", "$1$2");
    }

    @Benchmark
    public void lookaround(BenchmarkState state) {
        state.testString.replaceAll("(?\<!^)\\*+(?!$)", "");
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Options opt = new OptionsBuilder().include(RegexpBenchmark.class.getSimpleName())
          .build();

        new Runner(opt).run();
    }
}

这个示例的结果显示环视方法的性能更好：

Benchmark                      Mode  Cnt  Score   Error  Units
RegexpBenchmark.backReference  avgt    5  0.504 ± 0.011  ms/op
RegexpBenchmark.lookaround     avgt    5  0.315 ± 0.006  ms/op

因此，后向引用之所以更慢，是因为它需要额外的开销来单独捕获组，然后用替换字符串替换这些组。而环视，如前所述，直接选择字符并删除它们。

5. 结论

在本文中，我们看到了如何使用正则表达式中的replaceAll()方法与后向引用和环视。虽然后向引用对于重用匹配字符串的部分很有用，但由于捕获组的开销，它们可能会更慢。为了证明这一点，我们进行了基准测试来比较这两种方法。

如常，我们可以在GitHub上查看完整的代码。