Java 正则表达式：高效匹配与验证数字的终极指南

在 Java 开发中，处理数字的匹配、验证和提取是一项常见任务。无论是表单输入验证、数据清洗，还是文本解析，正则表达式（Regular Expressions）都是强大的工具。本文将深入探讨如何使用 Java 正则表达式来高效处理数字，涵盖基本语法、常见场景、性能优化以及实际代码示例。

什么是正则表达式？

正则表达式是一种用于匹配字符串模式的表达式。在 Java 中，正则表达式通过 java.util.regex 包实现，主要包括 Pattern 和 Matcher 两个类。使用正则表达式可以快速检查字符串是否符合特定模式（如数字、邮箱等），或者从文本中提取所需信息。

Java 正则表达式匹配数字的基本语法

在正则表达式中，数字通常用元字符 \d 表示，它匹配任意一个数字（0-9）。在 Java 字符串中，由于反斜杠 \ 是转义字符，因此需要写成 \\d。例如，匹配一个数字的正则表达式是 \\d。

匹配单个数字

最简单的数字匹配是单个数字。以下代码演示如何检查字符串是否包含一个数字：

import java.util.regex.Pattern;
import java.util.regex.Matcher;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String input = "5";
        Pattern pattern = Pattern.compile("\\d");
        Matcher matcher = pattern.matcher(input);
        if (matcher.find()) {
            System.out.println("匹配到数字");
        }
    }
}

匹配多个数字

如果需要匹配连续的数字，可以使用量词：
- \\d+：匹配一个或多个数字。
- \\d*：匹配零个或多个数字。
- \\d{n}：匹配恰好 n 个数字。
- \\d{m,n}：匹配 m 到 n 个数字。

例如，匹配一个或多个数字：

String input = "123abc";
Pattern pattern = Pattern.compile("\\d+");
Matcher matcher = pattern.matcher(input);
while (matcher.find()) {
    System.out.println("找到数字序列: " + matcher.group());
}
// 输出: 找到数字序列: 123

常见数字匹配场景

在实际开发中，数字匹配的需求多种多样。以下是几个常见场景及其正则表达式解决方案。

匹配整数

整数可能包含正负号。正则表达式可以写为 [-+]?\\d+，其中：
- [-+]? 匹配可选的负号或正号。
- \\d+ 匹配一个或多个数字。

示例：

String input = "+42 -100 75";
Pattern pattern = Pattern.compile("[-+]?\\d+");
Matcher matcher = pattern.matcher(input);
while (matcher.find()) {
    System.out.println("整数: " + matcher.group());
}
// 输出: 整数: +42, 整数: -100, 整数: 75

匹配浮点数

浮点数可能包含小数点、正负号以及指数部分（科学计数法）。一个简单的浮点数匹配表达式是 [-+]?\\d*\\.?\\d+([eE][-+]?\\d+)?，其中：
- [-+]? 可选正负号。
- \\d*\\.?\\d+ 匹配小数部分（例如 3.14 或 .5）。
- ([eE][-+]?\\d+)? 可选指数部分（例如 1e10）。

示例：

String input = "3.14 -0.5 2e10";
Pattern pattern = Pattern.compile("[-+]?\\d*\\.?\\d+([eE][-+]?\\d+)?");
Matcher matcher = pattern.matcher(input);
while (matcher.find()) {
    System.out.println("浮点数: " + matcher.group());
}
// 输出: 浮点数: 3.14, 浮点数: -0.5, 浮点数: 2e10

匹配特定范围的数字

有时需要匹配特定范围内的数字，例如 0-100。正则表达式可能更复杂，但可以使用边界条件。例如，匹配 0-100 的整数：
\\b(0|[1-9]\\d?|100)\\b
- 0 匹配 0。
- [1-9]\\d? 匹配 1-99。
- 100 匹配 100。
- \\b 是单词边界，确保匹配完整数字。

Java 正则表达式性能优化技巧

虽然正则表达式功能强大，但不当使用可能导致性能问题。以下是一些优化建议：

1. 预编译模式：多次使用同一正则表达式时，使用 Pattern.compile() 预编译模式，避免重复编译。
2. 避免贪婪量词：在可能的情况下使用惰性量词（如 *?）或 possessive 量词（如 *+），减少回溯。
3. 使用具体字符类：例如，用 [0-9] 代替 \\d 如果不需要匹配非ASCII数字，可能稍快。
4. 测试与调试：使用工具（如 regex101.com）测试表达式，确保效率和正确性。

实际应用示例

以下是一个综合示例，从文本中提取所有数字（整数和浮点数）并计算总和：

import java.util.regex.Pattern;
import java.util.regex.Matcher;

public class NumberSumCalculator {
    public static void main(String[] args) {
        String text = "价格: 10.5 元, 折扣: 2, 总计: 12.5元";
        Pattern pattern = Pattern.compile("[-+]?\\d*\\.?\\d+");
        Matcher matcher = pattern.matcher(text);
        double sum = 0;
        while (matcher.find()) {
            sum += Double.parseDouble(matcher.group());
        }
        System.out.println("数字总和: " + sum);
    }
}
// 输出: 数字总和: 25.0

总结

Java 正则表达式是处理数字匹配的强大工具，从简单整数到复杂浮点数都能高效应对。通过掌握基本语法、常见场景和优化技巧，开发者可以提升代码的可靠性和性能。记住，正则表达式虽然灵活，但应谨慎使用，避免过度复杂化。