一个正则表达式引擎的设计和实施1-如何通过NFA识别字符串

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上一节,我们通过汤普森构造,实现了一个叫做非确定性有限状态自动机的数据结构:

这个状态机对应的正则表达式是:D*.D | D. D *。我们看看,当给定一个字符串:”1.2”,如何通过上面的状态机来判定,给定的字符串是否符合指定的正则表达式。

上一节提到过,当处于某个指定状态时,如果该状态有ε边,那么,不需要吸收任何字符,就可以从该状态转换到ε边所指向的状态。一开始,状态机处于起始状态12,在状态12,通过ε边可直达状态2,6,在状态2,可以通过ε边,直达状态0,3. 也就是说,当处于状态12时,通过ε边的连接,可以同时抵达状态的集合是 {12,2,6,0,3}。通过一个状态,推算出它能同时抵达的状态集合,这个状态集合称作ε闭包集合,这种运算称之为ε闭包运算:
ε-closure(12) = {12,2,6,3}.

接下来读入字符1,我们从闭包集合中看看,哪个状态节点有能够吸收数字的转换边。从上图观察,我们发现,状态6和0,拥有吸收数字字符的转换边。状态6吸收一个数字字符后,跳转到状态7,状态0,吸收字符1后,跳转到状态1,这样我们可以说,状态集合{12, 2, 6, 0, 3} 在吸收字符1后,跳转到集合{1,7},后面这个集合{1,7},我们成为转移集合(move set),我们把这种跳转运算标记如下:
move({12,3},D} = {1,7}.

状态1能通过ε边转移到状态点0,3, 状态7没有出去的ε边,所以集合{1,7}的闭包集合是{0, 1, 3 ,7},也就是:
ε-closure({1,7}) = {0,1,3,7}.
记住,ε闭包运算的结果集合包括原有集合。

此时读入字符 . , 在当前的闭包集合中,能够接收符号.的状态是3, 7,状态3接收字符. 后转移到状态4, 状态7接收符号.后转移到状态8,因此我们有:

move({0,7},. } = {4,8}

接着,我们继续计算{4,8}的ε闭包集合,状态8通过ε边转移到状态9,状态4没有出去的ε边,所以{4,8}的闭包集合是:
ε-closure({4,8}) = {4,8,9,11,13}

我们注意,此时接收状态13已经在闭包集合中了,也就是说,字符串”1.”是可以被状态机接收的,也就是字符串”1.”满足给定的正则表达式。但由于还有字符要输入,所以状态机需要继续运行。

接下来输入的字符是2,在闭包集合中,能够接收数字字符的状态是9,4,状态9接收数字后进入状态10, 状态4接收数字后进入状态5,由此,我们得到转移集合如下:
move({4,13},D} = {5,10}.

继续运算{5,10}的闭包集合,状态5通过ε边进入状态13,状态10经过ε边进入状态11,状态11经过ε边进入状态13,因此得到的闭包集合为:
ε-closure({5,10}) = {5,10,13}

此时,接收状态13在闭包集合中,也就是状态机能够进入接收状态,因此字符串“1.2”能被状态机接收,也就是说字符串“1.2”能够匹配给定的正则表达式:D*.D | D. D *.

在后续章节中,我们将通过代码实现汤普森构造,通过汤普森构造实现非确定性有限状态机,然后基于状态机的基础上,匹配输入字符串,具体内容,请参看视频:
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