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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
}

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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}

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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。