了解了 NFA 是如何进行字符串匹配的，接下来我们就可以讲讲这篇文章的重点了：回溯。为了更好地解释回溯，我们同样以下面的例子来讲解。

text="abbc"
regex="ab{1,3}c"

上面的这个例子的目的比较简单，匹配以 a 开头，以 c 结尾，中间有 1-3 个 b 字符的字符串。NFA 对其解析的过程是这样子的：

• 首先，读取正则表达式第一个匹配符 a 和 字符串第一个字符 a 比较，匹配了。于是读取正则表达式第二个字符。
• 读取正则表达式第二个匹配符 b{1,3} 和字符串的第二个字符 b 比较，匹配了。但因为 b{1,3} 表示 1-3 个 b 字符串，以及 NFA 自动机的贪婪特性（也就是说要尽可能多地匹配），所以此时并不会再去读取下一个正则表达式的匹配符，而是依旧使用 b{1,3} 和字符串的第三个字符 b 比较，发现还是匹配。于是继续使用 b{1,3} 和字符串的第四个字符 c 比较，发现不匹配了。此时就会发生回溯。
• 发生回溯是怎么操作呢？发生回溯后，我们已经读取的字符串第四个字符 c 将被吐出去，指针回到第三个字符串的位置。之后，程序读取正则表达式的下一个操作符 c，读取当前指针的下一个字符 c 进行对比，发现匹配。于是读取下一个操作符，但这里已经结束了。

下面我们回过头来看看前面的那个校验 URL 的正则表达式：

^([hH][tT]{2}[pP]://|[hH][tT]{2}[pP][sS]://)(([A-Za-z0-9-~]+).)+([A-Za-z0-9-~\/])+$

出现问题的 URL 是：

我们把这个正则表达式分为三个部分：

• 第一部分：校验协议。^([hH][tT]{2}[pP]://|[hH][tT]{2}[pP][sS]://)。
• 第二部分：校验域名。(([A-Za-z0-9-~]+).)+。
• 第三部分：校验参数。([A-Za-z0-9-~\/])+$。

我们可以发现正则表达式校验协议 http:// 这部分是没有问题的，但是在校验 www.fapiao.com 的时候，其使用了 xxxx. 这种方式去校验。那么其实匹配过程是这样的：

• 匹配到 www.
• 匹配到 fapiao.
• 匹配到 com/dzfp-web/pdf/download?request=6e7JGm38jf.....，你会发现因为贪婪匹配的原因，所以程序会一直读后面的字符串进行匹配，最后发现没有点号，于是就一个个字符回溯回去了。

这是这个正则表达式存在的第一个问题。

另外一个问题是在正则表达式的第三部分，我们发现出现问题的 URL 是有下划线（_）和百分号（%）的，但是对应第三部分的正则表达式里面却没有。这样就会导致前面匹配了一长串的字符之后，发现不匹配，最后回溯回去。

这是这个正则表达式存在的第二个问题。

解决方案

明白了回溯是导致问题的原因之后，其实就是减少这种回溯，你会发现如果我在第三部分加上下划线和百分号之后，程序就正常了。

public static void main(String[] args) {
    String badRegex = "^([hH][tT]{2}[pP]://|[hH][tT]{2}[pP][sS]://)(([A-Za-z0-9-~]+).)+([A-Za-z0-9-~_%\\/])+$";
    String bugUrl = "http://www.fapiao.com/dddp-web/pdf/download?request=6e7JGxxxxx4ILd-kExxxxxxxqJ4-CHLmqVnenXC692m74H38sdfdsazxcUmfcOH2fAfY1Vw__%5EDadIfJgiEf";
    if (bugUrl.matches(badRegex)) {
        System.out.println("match!!");
    } else {
        System.out.println("no match!!");
    }
}

运行上面的程序，立刻就会打印出match!!。

但这是不够的，如果以后还有其他 URL 包含了乱七八糟的字符呢，我们难不成还再修改一遍。肯定不现实嘛！

其实在正则表达式中有这么三种模式：贪婪模式、懒惰模式、独占模式。

在关于数量的匹配中，有 + ? * {min,max} 四种两次，如果只是单独使用，那么它们就是贪婪模式。

如果在他们之后加多一个 ? 符号，那么原先的贪婪模式就会变成懒惰模式，即尽可能少地匹配。但是懒惰模式还是会发生回溯现象的。例如下面这个例子：

text="abbc"
regex="ab{1,3}?c"

正则表达式的第一个操作符 a 与 字符串第一个字符 a 匹配，匹配成功。于是正则表达式的第二个操作符 b{1,3}? 和 字符串第二个字符 b 匹配，匹配成功。因为最小匹配原则，所以拿正则表达式第三个操作符 c 与字符串第三个字符 b 匹配，发现不匹配。于是回溯回去，拿正则表达式第二个操作符 b{1,3}? 和字符串第三个字符 b 匹配，匹配成功。于是再拿正则表达式第三个操作符 c 与字符串第四个字符 c 匹配，匹配成功。于是结束。

如果在他们之后加多一个 + 符号，那么原先的贪婪模式就会变成独占模式，即尽可能多地匹配，但是不回溯。

于是乎，如果要彻底解决问题，就要在保证功能的同时确保不发生回溯。我将上面校验 URL 的正则表达式的第二部分后面加多了个 + 号，即变成这样：

^([hH][tT]{2}[pP]://|[hH][tT]{2}[pP][sS]://)
(([A-Za-z0-9-~]+).)++    --->>> （这里加了个+号）
([A-Za-z0-9-~_%\/])+$

这样之后，运行原有的程序就没有问题了。

最后推荐一个网站，这个网站可以检查你写的正则表达式和对应的字符串匹配时会不会有问题。

例如我本文中存在问题的那个 URL 使用该网站检查后会提示：catastrophic backgracking（灾难性回溯）。

当你点击左下角的「regex debugger」时，它会告诉你一共经过多少步检查完毕，并且会将所有步骤都列出来，并标明发生回溯的位置。

本文中的这个正则表达式在进行了 11 万步尝试之后，自动停止了。这说明这个正则表达式确实存在问题，需要改进。

但是当我用我们修改过的正则表达式进行测试，即下面这个正则表达式。

^([hH][tT]{2}[pP]://|[hH][tT]{2}[pP][sS]://)(([A-Za-z0-9-~]+).)++([A-Za-z0-9-~\/])+$

工具提示只用了 58 步就完成了检查。

一个字符的差别，性能就差距了好几万倍。

树义有话说

一个小小的正则表达式竟然能够把 CPU 拖垮，也是很神奇了。这也给平时写程序的我们一个警醒，遇到正则表达式的时候要注意贪婪模式和回溯问题，否则我们每写的一个表达式都是一个雷。

通过查阅网上资料，我发现深圳阿里中心 LAZADA 的同学也在 17 年遇到了这个问题。他们同样也是在测试环境没有发现问题，但是一到线上的时候就发生了 CPU 100% 的问题，他们遇到的问题几乎跟我们的一模一样。

虽然把这篇文章写完了，但是关于 NFA 自动机的原理方面，特别是关于懒惰模式、独占模式的解释方面还是没有解释得足够深入。因为 NFA 自动机确实不是那么容易理解，所以在这方面还需要不断学习加强。欢迎有懂行的朋友来学习交流，互相促进。