[Day 5] R語言與正規表達式: 進階語法和實例

2023 iThome 鐵人賽

DAY 5

AI & Data

用R語言玩轉文字探勘系列第 5 篇

15th鐵人賽 r r語言 text mining 文字探勘

rlover

2023-09-20 20:47:36

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進階正規表達式語法

貪婪與非貪婪比對

在R語言中，正規表達式預設（default）會「貪婪」（greedy）地比對。這是什麼意思呢？

舉例來說：

str_extract("BTOATOBTOCTOB", "B.*B")

## [1] "BTOATOBTOCTOB"

在想找尋的模式中，.代表「換行字元」以外任意字元，*則表示前面規則出現0或多次，結合起來代表我們想從字串中擷取「B開頭、B結尾」的一段字串。在貪婪模式下，配對時正規表達式不會滿足於擷取出"BTOATOB"，它會貪婪地說「我全都要」！因此最後才會擷取到整串"BTOATOBTOCTOB"。

要怎麼變得不貪婪（non-greedy）？只要在?、*、+、{}等「量化符」（quantifiers）補上?之後，正規表達式就會知道只要找出「最短」部分的字串就好。

str_extract("BTOATOBTOCTOB", "B.*?B")

## [1] "BTOATOB"

要注意的是，本來?在正規表達式中，就有零次或一次的意義，和貪婪／非貪婪使用的?無關，不要搞混囉。

# ? 用來代表零次或一次
str_detect(c("color", "colour"), 
           "colou?r")

## [1] TRUE TRUE

# ? 用來變成非貪婪比對
str_extract(c("color", "colour", "colorcolor"), 
           "colo.*r")

## [1] "color"      "colour"     "colorcolor"

str_extract(c("color", "colour", "colorcolor"), 
           "colo.*?r")

## [1] "color"  "colour" "color"

瞻前顧後

前面提過許多正規表達式的規則，但它們都還沒辦法找到底下提的這種場景：

想像一下，我們想確認某段文字中，有沒有先提到「樂天桃猿」，接著提到「林子偉」。注意，如果是先提到「林子偉」後面才提到「樂天桃猿」就不算數！

為什麼會有這樣的需求？因為我想找林子偉已經在樂天桃猿打球的報導，這類報導應該會寫「樂天桃猿隊的林子偉」；如果是稍早一些的報導，可能會先提台鋼雄鷹隊的林子偉，接著才提到他被交易至樂天桃猿。

如果不管順序，我們可以這樣找：

# 敘述一
str_detect("報導：樂天桃猿隊的林子偉", "樂天桃猿") & str_detect("報導：樂天桃猿隊的林子偉",  "林子偉")

## [1] TRUE

# 敘述二
str_detect("報導：台鋼雄鷹隊的林子偉被交易至樂天桃猿隊", "樂天桃猿") & str_detect("報導：台鋼雄鷹隊的林子偉被交易至樂天桃猿隊",  "林子偉")

## [1] TRUE

上方寫法中，只要字串中同時包含兩者，就會代表比對正確；但如果有先後順序，我們就要利用進階語法，讓電腦知道敘述一符合需求、敘述二不符需求。

正規表達式中，前瞻（lookahead）和後顧（lookbehind）可以幫助我們滿足上述需求。補充一下，其實前瞻和後顧是對岸用語，但台灣說法不一、且沒有一個公約數，所以就先用搜尋結果最多的前瞻和後顧。

前瞻代表「向前看」，後顧則是「往回看」。因為正規表達式是從左到右比對，所以我們可以想像，從左邊往右邊走的時候，先探頭向前看未來發生什麼事情，這個動作就是「前瞻」，至於往回看後面有什麼東西，就是「後顧」了。

因此，利用「正向前瞻」，我們能找到確保「樂天桃猿」後有「林子偉」在的字串：

# 敘述一
str_detect("報導：樂天桃猿隊的林子偉先前在大聯盟打球", "樂天桃猿.*(?=林子偉)")

## [1] TRUE

# 敘述二
str_detect("報導：台鋼雄鷹隊的林子偉被交易至樂天桃猿隊，他曾在大聯盟打球", "樂天桃猿.*(?=林子偉)")

## [1] FALSE

敘述一中，當正規表達式比對到樂天桃猿時，它會往前看（往未來看）有沒有林子偉？發現有之後就安心了。敘述二中，因為樂天桃猿隊之後沒有林子偉，所以比對結果為FALSE！

具體來說，前瞻比對的其實不是「樂天桃猿」和「林子偉」兩者，而是比對「有林子偉」在後面、往前看能看到的「樂天桃猿」。我們可以直接用str_extract()，能夠更好掌握概念。

str_extract("樂天桃猿隊新進球員林子偉先前在大聯盟打球", "樂天桃猿.*(?=林子偉)")

## [1] "樂天桃猿隊新進球員"

str_extract("樂天桃猿隊新進球員林子偉先前在大聯盟打球", "樂天桃猿.*(?=球員)")

## [1] "樂天桃猿隊新進"

其實談前瞻和後顧概念時，方向容易讓人混淆，但只要想著前瞻是往未來（因此看字串後面）、後顧是回頭（因此看字串前面），就能稍微理解。

既然有正向前瞻，當然也有負向前瞻，表格中有介紹語法為(?!...)。沿用上面的例子，這次我們特別指名，要找「台鋼雄鷹」，但如果後面、往前看會發現「林子偉」，那就不要。

# 敘述一：
str_detect("報導：台鋼雄鷹隊的林子偉先前在大聯盟打球", "台鋼雄鷹(?!.*林子偉)")

## [1] FALSE

# 敘述二：
str_detect("報導：台鋼雄鷹隊的洪一中教練很知名", "台鋼雄鷹(?!.*林子偉)")

## [1] TRUE

# 敘述三：
str_detect("報導：樂天桃猿交易來林子偉，台鋼雄鷹隊也獲得其他球員", "台鋼雄鷹(?!.*林子偉)")

## [1] TRUE

詳細點說，"台鋼雄鷹(?!.*林子偉)"當中，首先確保要有「台鋼雄鷹」，接著括號中的?!.*林子偉，意思則是接在台鋼熊鷹後面配對到不管經過多少個字（.*），都不要（?!）接著林子偉（林子偉）。

你可能會有疑問，為什麼不能寫成"台鋼雄鷹.*(?!林子偉)"？這是因為，這個正規表達式會去找後面沒有林子偉接著的字串，而報導：台鋼雄鷹隊的林子偉先前在大聯盟打球整句就滿足上述規則，因為句中包含台鋼雄鷹，而且.*屬於貪婪比對，整個句子說起來滿足台鋼雄鷹.*，且後面沒有接著林子偉。我們可以額外用str_extract()確認，取出的是整個句子。

# 敘述一：
str_detect("報導：台鋼雄鷹隊的林子偉先前在大聯盟打球", "台鋼雄鷹.*(?!林子偉)")

## [1] TRUE

str_extract("報導：台鋼雄鷹隊的林子偉先前在大聯盟打球", "台鋼雄鷹.*(?!林子偉)")

## [1] "台鋼雄鷹隊的林子偉先前在大聯盟打球"

如果我們把"台鋼雄鷹.*(?!林子偉)"稍作修改，變成非貪婪的版本"台鋼雄鷹.*?(?!林子偉)"，是否有所改善？遺憾的是，結果仍然相同。變成非貪婪後，雖然不會直接比對到整個句子，而是比對盡可能少的字元，這樣在比對到台鋼雄鷹四個字後，先是滿足正向出現的條件，接著看後面接的字為隊的林子偉...，沒有緊接著林子偉，因此滿足規則。我們可以額外用str_extract()確認，取出的是「台鋼雄鷹」四個字。

# 敘述一：
str_detect("報導：台鋼雄鷹隊的林子偉先前在大聯盟打球", "台鋼雄鷹.*?(?!林子偉)")

## [1] TRUE

str_extract("報導：台鋼雄鷹隊的林子偉先前在大聯盟打球", "台鋼雄鷹.*?(?!林子偉)")

## [1] "台鋼雄鷹"

介紹完正向與負向前瞻，接著我們來看後顧。

先從正向後顧介紹，它的意思就是走路走到一半回頭往後看，字串前面有沒有出現特定模式。

舉例來說，我們想找前面有「中信兄弟」的「林威助」。

# 敘述一
str_detect("報導：中信兄弟前總教練林威助淡出台灣棒球界", "(?<=中信兄弟).*林威助")

## [1] TRUE

# 敘述二
str_detect("報導：前阪神虎隊球星林威助加入中信兄弟", "(?<=中信兄弟).*林威助")

## [1] FALSE

至於負向後顧，我們使用相似例子，改找前面沒有「總教練」的「林威助」。

# 敘述一
str_detect("報導：中信兄弟前總教練林威助淡出台灣棒球界", "(?<!中信兄弟.*)林威助")

## Error in stri_detect_regex(string, pattern, negate = negate, opts_regex = opts(pattern)): Look-Behind pattern matches must have a bounded maximum length. (U_REGEX_LOOK_BEHIND_LIMIT, context=`(?<!中信兄弟.*)林威助`)

沒想到馬上遇到 Error！根據錯誤訊息，R語言中的後顧需要限定長度。

# 敘述一
str_detect("報導：中信兄弟對總教練動刀，林威助轉任海外顧問", "(?<!總教練.{1,10})林威助")

## [1] FALSE

# 敘述二
str_detect("報導：林威助卸下總教練職務，轉任海外顧問", "(?<!總教練.{1,10})林威助")

## [1] TRUE

# 敘述三
str_detect("報導：林威助被球迷目睹出現在某間餐廳中孤獨地用餐", "(?<!總教練.{1,10})林威助")

## [1] TRUE

# 敘述四（超過10個字）
str_detect("報導：中信兄弟對總教練一二三四五六七八九十，林威助轉任海外顧問", "(?<!總教練.{1,10})林威助")

## [1] TRUE

在上面的正規表達式中，我限制總教練後面出現的字數到林威助之間，最多只能出現10個字，第四個案例中雖然林威助前面出現總教練，但因為之間相隔11個字，所以仍舊輸出TRUE。

如果不想限制字長怎麼辦？我們可以換個想法改用負向前瞻。怎麼做呢？既然林威助前面不能有總教練（負向後顧），代表總教練後面不能有林威助（負向前瞻），同時我們仍要正面比對林威助，因此寫法也會分兩部分，第一部分是總教練後面不能有林威助，第二部分則是林威助。

# 敘述一
str_detect("報導：中信兄弟對總教練動刀，林威助轉任海外顧問", "^(?!.*總教練.*林威助).*林威助")

## [1] FALSE

# 敘述二
str_detect("報導：林威助卸下總教練職務，轉任海外顧問", "^(?!.*總教練.*林威助).*林威助")

## [1] TRUE

# 敘述二
str_detect("報導：林威助被球迷目睹出現在某間餐廳中孤獨地用餐", "^(?!.*總教練.*林威助).*林威助")

## [1] TRUE

# 敘述一
str_extract("報導：中信兄弟對總教練動刀，林威助轉任海外顧問", "^(?!.*總教練.*林威助).*林威助")

## [1] NA

# 敘述二
str_extract("報導：林威助卸下總教練職務，轉任海外顧問", "^(?!.*總教練.*林威助).*林威助")

## [1] "報導：林威助"

# 敘述二
str_extract("報導：林威助被球迷目睹出現在某間餐廳中孤獨地用餐", "^(?!.*總教練.*林威助).*林威助")

## [1] "報導：林威助"

在"^(?!.*總教練.*林威助).*林威助"當中：
* ^ 代表從開始位置檢查
* (?!.*總教練.*林威助)則是一個負向前瞻的語法，因此?!後面的內容代表「我不要」
* *總教練.*林威助的意思是總教練後面跟著林威助
* 負向前瞻區塊的意思就會是「總教練後面跟著林威助的我都不要」
* .*林威助代表前面有任意字元接著林威助

整體來說，意義就會是「總教練後面跟著林威助的我都不要」且接著林威助。不過你可能會想問，為什麼要多加一個^？

# 有加
str_extract("報導：中信兄弟對總教練動刀，林威助轉任海外顧問", "^(?!.*總教練.*林威助).*林威助")

## [1] NA

# 沒加
str_extract("報導：中信兄弟對總教練動刀，林威助轉任海外顧問", "(?!.*總教練.*林威助).*林威助")

## [1] "教練動刀，林威助"

如果有加，電腦就會檢查從字串開始到結束，比對前面沒有總教練的林威助，因此會比對不到顯示NA，這符合我們的需求。沒加的話，電腦會從任意處開始尋找，當它在「總」字比對時，「總教練」後面的確緊跟著「林威助」的模式，因此比對失敗（FALS），但比對不會在此終止，它會繼續嘗試在下一個位置進行比對。

直到比對到「總教練動刀，」的位置，負向前瞻斷言就成功了，因為從這個位置到字串結束，不包含「總教練」後面跟著「林威助」的模式。正規表達式會繼續比對「林威助」，因此回報「教練動刀，林威助」。「總教練動刀，」有總教練在前因此不行，但「教練動刀，」沒有總教練在前，它就是.*的具體比對內容。

一定要記得，在R語言裡面，前瞻沒有字長限制，後顧則有，因此不能使用*或者+，因此有時候要變招改用前瞻喔。

實際應用

就實際應用來說，正規表達式可以拿來、驗證電子郵件地址、搜尋與取代操作、密碼強度檢查、找尋字串中網址等，都是很常見的任務，底下我們就用電子郵件地址，以及中華職棒名人的綽號搜尋，當成例子。

電子郵件地址比對

我們先來看Gmail的設定規則，裡面提到3個重點：

使用者名稱可以包含英文字母 (a-z)、數字 (0-9) 和半形句號 (.)。
使用者名稱不能包含 AND 符號 (&)、等號 (=)、底線 (_)、單引號(’)、破折號 (-)、加號 (+)、半形逗號 (,)、角括號 (<、>)或是連續使用半形句號 (.)。
使用者名稱的開頭和結尾皆可使用非英數字元，但不得使用半形句號(.)。除此規則外，半形句號 (.) 對 Gmail 地址沒有影響。

除了參考Gmail規定以外，根據經驗，電子信箱的一般長相是OOXX@abc.com或是OOXX@abc.com.tw。

其中.tw可有可無，且tw也可能是其他代號，例如kr。另外，也並非所有信箱都會用.com，還有其他用法如.net。

不過，總會有些電子信箱的設計規則不符經驗，也跟Gmail設立規則不同。

因此，我們假定「正確的」電子信箱後綴可以不用是.com，同時還可能會有.tw這種後綴；同時，我們假定只能使用英文字母、數字、半形句號，不允許英文以外的字母，也不能用其他標點符號，@只能用1次。

就位置來說參考Gmail規則，不能連續使用半型句號，開頭和結尾都不能使用半型句號（不能有.ab@gmail.com也不能有ab.@gmail.com。

確認需求後，要怎麼設計它的正規表達式呢？

# 想找出電子信箱地址
# "", "wrong.email@", "another_example@domain.net"
str_detect(string = c("example@example.com", 
                      ".a@example.com", 
                      "a.@example.com", 
                      "error@.", 
                      "example@example.rlover", 
                      "@example@example.rlover"), 
                pattern = "^[a-z0-9\\.]{1,}@[a-z]{1,}\\.[a-z]{1,}")

## [1]  TRUE  TRUE  TRUE FALSE  TRUE FALSE

str_detect(string = c("example@example.com", 
                      ".a@example.com", 
                      "a.@example.com", 
                      "a..a@example.com", 
                      "error@.", 
                      "example@example.rlover", 
                      "@example@example.rlover"), 
                pattern = "^(?!\\.)(?!.*\\.\\.)[a-zA-Z0-9.]+(?<!\\.)@[a-zA-Z]+(\\.[a-zA-Z]+)+$")

## [1]  TRUE FALSE FALSE FALSE FALSE  TRUE FALSE

綽號比對

舉個綜合的例子，大家可能聽過，中華職棒有位明星球員乃耀·阿給（Ngayaw·Ake’，漢名林智勝），他有個「大師兄」的綽號。如果想比對字串中有沒有出現這個綽號，應該怎麼寫正規表達式？聽起來很簡單，只要寫「大師兄」就好對吧？

很遺憾，實際觀察社群媒體和論壇討論就會發現，球迷們不只叫他大師兄，也會簡稱師兄，所以我們應該比對「師兄」就好，但因為有位球員林智平的綽號叫「小師兄」，所以我們要排除小師兄；又有可能球迷在討論棒球界的師兄弟／妹關係，所以也不要「師兄弟／妹」。總結來說，我們要前面不要是「小」、後面不是「弟／妹」的師兄。

這完全就是前瞻和後顧派上用場的好時機！

# 想找出綽號
str_detect(string = c("大師兄", 
                      "小師兄", 
                      "師兄弟"), 
                pattern = "(?<!小)師兄(?!弟)")

## [1]  TRUE  FALSE FALSE

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