Java字符编码与正则表达式深度解析
1. 字符编码发展
1.1 ASCII 码
在计算机最初发明时，主要用于数值计算，但随着计算需求的增加，人们发现计算机可以用来处理文本信息。因此，将字符映射为数字来表示。
- 字母 ‘A’ 映射为 65，字母 ‘B’ 映射为 66。
- 这种字符与数字的映射关系被称为ASCII字符集。
ASCII 范围：
- 控制字符（0～31 和 127）：如换行（LF）、回车（CR）。
- 可显示字符（32～126）：如数字 0～9、字母 A-Z 和 a-z，以及标点符号。
示例：
字符 'A' 编码为十进制：65，二进制：01000001
1.2 OEM 字符集的衍生
随着计算需求增加，128个ASCII字符已无法满足多语言环境需求。
- 许多地区在
0x80-0xFF范围中自定义字符映射，形成不同的OEM 字符集。
示例：
- 在甲的机器中
résumés显示正常，而在乙的机器上显示为r?sum?s。
1.3 多字节字符集（MBCS）与中文字符集
亚洲国家的字符需求远超 256 个字符，诞生了多字节字符集：
- GB2312：涵盖所有简体中文字符。
- GBK：在 GB2312 基础上扩展了繁体字符。
多字节字符集特点：
- 若字节最高位为
0，表示单字节字符，与 ASCII 一致。 - 若字节最高位为
1，则需两个字节表示一个字符。
1.4 ANSI 标准与国家标准
ANSI 和 ISO 制定了字符集标准：
- ANSI 编码：英文系统使用
ISO-8859-1，中文系统使用GBK。
1.5 Unicode 的出现
为解决跨国文档中的多语言问题，Unicode 字符集诞生。
- Unicode 为每个字符分配唯一编码值，共 17 个平面，每个平面最多包含 65,536 个字符。
Unicode 编码方案：
- UTF-8：可变长度编码，使用 1～4 个字节表示字符。
- UTF-16：定长编码，每次 16 位。
示例：将 中 (U+4E2D) 编码为 UTF-8：
- Unicode：
01001110 00101101 - UTF-8 规则：
1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx - 结果：
11100100 10111000 10101101（十六进制E4B8AD）
编码转换示例：
public static void main(String[] args) throws UnsupportedEncodingException {String str = "测试";byte[] utf8Bytes = str.getBytes("UTF-8");byte[] gbkBytes = str.getBytes("GBK");System.out.println("UTF-8 编码长度: " + utf8Bytes.length); // 输出 6System.out.println("GBK 编码长度: " + gbkBytes.length); // 输出 4
}
2. 正则表达式
2.1 基本概念
正则表达式是一种字符串匹配模式，常用于字符串的检索和替换操作。
2.2 常用匹配模式
| 模式 | 描述 | 示例 |
|---|---|---|
. | 匹配任意单个字符 | a.b 匹配 acb, axb |
\d | 匹配数字 [0-9] | \d{3} 匹配 123 |
\w | 匹配字母、数字或下划线 | \w+ 匹配 abc123 |
* | 匹配 0 次或多次 | a* 匹配 ``, a, aaa |
2.3 捕获组与非捕获组
2.3.1 捕获组
捕获组用于提取匹配的子串。
-
普通捕获组：
Pattern pattern = Pattern.compile("(\\d{4})-(\\d{2})-(\\d{2})"); Matcher matcher = pattern.matcher("2024-03-28"); if (matcher.find()) {System.out.println("年份: " + matcher.group(1));System.out.println("月份: " + matcher.group(2));System.out.println("日期: " + matcher.group(3)); } -
命名捕获组：
Pattern pattern = Pattern.compile("(?<year>\\d{4})-(?<month>\\d{2})-(?<day>\\d{2})"); Matcher matcher = pattern.matcher("2024-01-01"); if (matcher.find()) {System.out.println("年份: " + matcher.group("year"));System.out.println("月份: " + matcher.group("month"));System.out.println("日期: " + matcher.group("day")); }
2.3.2 非捕获组
非捕获组匹配但不保存匹配结果。
形式为 (?:X)，常用于提高匹配效率。
Pattern p = Pattern.compile("(\\d+)(?:\\.\\d*)?([￥$])");
String[] arr = {"8895￥", "8899.66￥", "6688$", "8965"};
for (String str : arr) {Matcher m = p.matcher(str);if (m.find()) {System.out.println("货币金额: " + m.group(1));System.out.println("货币种类: " + m.group(2));}
}
2.4 零宽断言
零宽断言用于匹配位置而非具体字符：
(?=X)：正向预查(?<=X)：反向预查(?!X)：负向预查(?<!X)：负向反查
示例：
String str = "abc123def";
Pattern p = Pattern.compile("\\d{3}(?=def)");
Matcher m = p.matcher(str);
if (m.find()) {System.out.println("匹配内容: " + m.group(0)); // 输出 "123"
}
2.5 常用正则表达式示例
- 验证用户名：
^[a-zA-Z]\w{5,15}$ - 验证手机号码：
^(13[0-9]|15[0-9]|18[0-9])\d{8}$ - 验证邮箱：
^[\w-]+@[\w-]+(\.[\w-]+)+$ - 验证 IP 地址：
(\d{1,3}\.){3}\d{1,3}
总结
本文系统介绍了字符编码的发展历程，从 ASCII 到 Unicode 的演变过程，并解析了常见的编码方案，如 UTF-8 和 UTF-16。通过 Java 示例展示了不同字符集的编码长度差异。在正则表达式部分，详细说明了捕获组、非捕获组及零宽断言的用法，并提供了常见验证场景的正则表达式示例。通过合理使用正则表达式，可以实现高效、灵活的字符串匹配和处理。
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