前几天线上一个项目监控信息突然报告异常，上到机器上后查看相关资源的使用情况，发现 CPU 利用率将近 100%。通过 Java 自带的线程 Dump 工具，我们导出了出问题的堆栈信息。
我们可以看到所有的堆栈都指向了一个名为 validateUrl 的方法，这样的报错信息在堆栈中一共超过 100 处。通过排查代码，我们知道这个方法的主要功能是校验 URL 是否合法。
很奇怪，一个正则表达式怎么会导致 CPU 利用率居高不下。为了弄清楚复现问题，我们将其中的关键代码摘抄出来，做了个简单的单元测试。
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-~\\\\/])+$"; String bugUrl = "http://www.fapiao.com/dddp-web/pdf/download?request=6e7JGxxxxx4ILd-kExxxxxxxqJ4-CHLmqVnenXC692m74H38sdfdsazxcUmfcOH2fAfY1Vw__%5EDadIfJgiEf"; if (bugUrl.matches(badRegex)) { System.out.println("match!!"); } else { System.out.println("no match!!"); } }
当我们运行上面这个例子的时候，通过资源监视器可以看到有一个名为 java 的进程 CPU 利用率直接飙升到了 91.4% 。
看到这里，我们基本可以推断，这个正则表达式就是导致 CPU 利用率居高不下的凶手！
于是，我们将排错的重点放在了那个正则表达式上：
^([hH][tT]{2}[pP]://|[hH][tT]{2}[pP][sS]://)(([A-Za-z0-9-~]+).)+([A-Za-z0-9-~\\/])+$
这个正则表达式看起来没什么问题，可以分为三个部分：
第一部分匹配 http 和 https 协议，第二部分匹配 字符，第三部分匹配许多字符。我看着这个表达式发呆了许久，也没发现没有什么大的问题。
其实这里导致 CPU 使用率高的关键原因就是：Java 正则表达式使用的引擎实现是 NFA 自动机，这种正则表达式引擎在进行字符匹配时会发生回溯（backtracking）。而一旦发生回溯，那其消耗的时间就会变得很长，有可能是几分钟，也有可能是几个小时，时间长短取决于回溯的次数和复杂度。
看到这里，可能大家还不是很清楚什么是回溯，还有点懵。没关系，我们一点点从正则表达式的原理开始讲起。
正则表达式引擎
正则表达式是一个很方便的匹配符号，但要实现这么复杂，功能如此强大的匹配语法，就必须要有一套算法来实现，而实现这套算法的东西就叫做正则表达式引擎。简单地说，实现正则表达式引擎的有两种方式：DFA 自动机（Deterministic Final Automata 确定型有穷自动机）和 NFA 自动机（Non deterministic Finite Automaton 不确定型有穷自动机）。
对于这两种自动机，他们有各自的区别，这里并不打算深入将它们的原理。简单地说，DFA 自动机的时间复杂度是线性的，更加稳定，但是功能有限。而 NFA 的时间复杂度比较不稳定，有时候很好，有时候不怎么好，好不好取决于你写的正则表达式。但是胜在 NFA 的功能更加强大，所以包括 Java 、.NET、Perl、Python、Ruby、PHP 等语言都使用了 NFA 去实现其正则表达式。
那 NFA 自动机到底是怎么进行匹配的呢？我们以下面的字符和表达式来举例说明。
text="Today is a nice day." regex="day"
要记住一个很重要的点，即：NFA 是以正则表达式为基准去匹配的。也就是说，NFA 自动机会读取正则表达式的一个一个字符，然后拿去和目标字符串匹配，匹配成功就换正则表达式的下一个字符，否则继续和目标字符串的下一个字符比较。或许你们听不太懂，没事，接下来我们以上面的例子一步步解析。
首先，拿到正则表达式的第一个匹配符：d。于是那去和字符串的字符进行比较，字符串的第一个字符是 T，不匹配，换下一个。第二个是 o，也不匹配，再换下一个。第三个是 d，匹配了，那么就读取正则表达式的第二个字符：a。
读取到正则表达式的第二个匹配符：a。那着继续和字符串的第四个字符 a 比较，又匹配了。那么接着读取正则表达式的第三个字符：y。
读取到正则表达式的第三个匹配符：y。那着继续和字符串的第五个字符 y 比较，又匹配了。尝试读取正则表达式的下一个字符，发现没有了，那么匹配结束。
上面这个匹配过程就是 NFA 自动机的匹配过程，但实际上的匹配过程会比这个复杂非常多，但其原理是不变的。
NFA自动机的回溯
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。