如何使用正则表达式精准验证 IP 地址（IPv4 与 IPv6）

2026-02-07 04:27:27 0条评论 2次阅读 0人点赞

在日常的网络编程或后端开发中，我们经常需要处理用户的输入数据。其中，IP 地址的验证是一个看似简单但实则暗藏玄机的问题。你可能会想，简单地用字符串分割一下不就行了吗？但在实际的生产环境中，这样做往往会忽略掉许多边缘情况，比如像“999.999.999.999”这样在格式上正确但在数值上无效的地址。

在这篇文章中，我们将深入探讨如何利用强大的 正则表达式 来精准地验证 IPv4 和 IPv6 地址。我们将不仅仅满足于“能跑通”，而是要写出健壮、专业且易于维护的代码。让我们一起探索正则表达式的奥秘，掌握验证网络地址的核心技能。

为什么我们需要正则表达式？

在开始编写代码之前，让我们先思考一下为什么要用正则表达式。虽然我们可以编写一系列的 if-else 逻辑来检查点分十进制的格式，或者逐个检查十六进制字符，但这种方法通常会导致代码冗长且难以维护。

正则表达式提供了一种声明式的方式来描述模式。它就像一把精密的筛子，能够快速过滤掉不符合规则的数据。对于我们今天要处理的 IP 地址验证，正则表达式不仅能匹配格式，还能通过范围限定来确保数值的合法性。

核心概念：范围限定与字符类

在构建复杂的 IP 验证规则之前，我们需要掌握正则表达式中的两个核心概念：字符类 和 范围限定。这不仅是验证 IP 的基础，也是处理所有文本验证任务的基石。

#### 1. 字符类

字符类通过方括号 [] 来定义，它允许我们指定一组允许出现的字符。

  • [a-z]：匹配任意一个小写字母。
  • [A-Za-z0-9]：匹配任意一个大写字母、小写字母或数字。
  • INLINECODEeee6ca26：这里有一个关键点。在正则表达式中，点号 INLINECODE554c71d9 通常是一个特殊的元字符，意味着“匹配任意字符”。为了匹配字面意义上的点号（比如 IP 地址中的分隔点），我们需要使用反斜杠 INLINECODEd31b592d 对其进行转义。所以 INLINECODE3d2435c7 的意思是匹配一个点号或者一个 0-9 之间的数字。

#### 2. 量词

  • {n}：匹配前面的元素恰好 n 次。
  • {n,m}：匹配前面的元素至少 n 次，至多 m 次。
  • *：匹配 0 次或多次。

有了这些工具，我们就可以开始构建我们的验证逻辑了。我们将分别处理 IPv4 和 IPv6，因为它们的格式差异较大。

深入解析：IPv4 验证策略

IPv4 地址是我们最熟悉的格式，比如 192.168.1.1。它由四个十进制数组成，每个数的范围是 0 到 255，中间用点号分隔。

挑战： 如何用正则表达式表达“0 到 255”？

我们不能简单地写 [0-255]，这在正则中是无效的。我们需要根据数值的结构进行拆解：

  • 一位数 (0-9)：[0-9]
  • 两位数 (10-99)：[1-9][0-9]（第一位不能是0）
  • 一百到一百九十九 (100-199)：1[0-9][0-9]
  • 两百到两百四十九 (200-249)：2[0-4][0-9]
  • 两百五十到两百五十五 (250-255)：25[0-5]

将这些组合起来，一个代表 0-255 的正则表达式片段就是：

([0-9]|[1-9][0-9]|1[0-9][0-9]|2[0-4][0-9]|25[0-5])

IPv4 地址由“上述片段 + 点号”重复 3 次，最后再跟一个“上述片段”组成。

IPv4 完整正则表达式：
^(([0-9]|[1-9][0-9]|1[0-9][0-9]|2[0-4][0-9]|25[0-5])\.){3}([0-9]|[1-9][0-9]|1[0-9][0-9]|2[0-4][0-9]|25[0-5])$

深入解析：IPv6 验证策略

IPv6 地址更加复杂，它由 8 组十六进制数组成，每组最多 4 位，用冒号分隔。例如：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。

十六进制数包含 INLINECODE5538c9fd 和 INLINECODE343282e6（或 A-F）。

IPv6 正则表达式逻辑：

  • 一个十六进制数块：[0-9a-fA-F]{1,4}
  • 加上冒号：([0-9a-fA-F]{1,4})\:
  • 重复 7 次：((([0-9a-fA-F]){1,4})\:){7}
  • 最后跟一组不带冒号的数块：([0-9a-fA-F]){1,4}

IPv6 完整正则表达式：
^((([0-9a-fA-F]){1,4})\:){7}([0-9a-fA-F]){1,4}$

> 注意： 真实的 IPv6 规范允许省略前导零以及使用双冒号 :: 来压缩连续的零块。为了保持代码的清晰和专注于“验证标准全写格式”，上述正则是一个稳健的基础实现。在生产环境中，如果需要支持压缩格式，需要调整正则以适应双冒号逻辑，但这往往会增加正则的复杂度。

代码实战：C++ 实现

让我们来看看如何在 C++ 中实现这一逻辑。C++ 的 INLINECODE8845fc71 库提供了 INLINECODE773a3d0c 函数，它可以判断整个字符串是否完全符合给定的模式。

// C++ program to validate IP address using Regex
#include 
using namespace std;

// Function to validate the IP address
string validateIPAddress(string IP)
{
    // IPv4 Regex expression:
    // 解释：匹配 0-255 的数字，后面跟一个点，重复3次，最后再跟一个 0-255 的数字
    regex ipv4_pattern(
        "(([0-9]|[1-9][0-9]|1[0-9][0-9]|2[0-4][0-9]|25[0-5])\\.){3}"
        "([0-9]|[1-9][0-9]|1[0-9][0-9]|2[0-4][0-9]|25[0-5])"
    );

    // IPv6 Regex expression:
    // 解释：匹配 1-4 位十六进制数加冒号，重复7次，最后跟 1-4 位十六进制数
    regex ipv6_pattern(
        "((([0-9a-fA-F]){1,4})\\:){7}"
        "([0-9a-fA-F]){1,4}"
    );

    // 检查是否匹配 IPv4
    if (regex_match(IP, ipv4_pattern)) {
        return "Valid IPv4";
    }
    // 检查是否匹配 IPv6
    else if (regex_match(IP, ipv6_pattern)) {
        return "Valid IPv6";
    }

    // 如果都不匹配
    return "Invalid IP";
}

// Driver Code to test the function
int main()
{
    // 测试用例 1: 有效的 IPv4
    string testIP1 = "192.168.1.1";
    cout << testIP1 << " : " << validateIPAddress(testIP1) << endl;

    // 测试用例 2: 有效的 IPv6
    string testIP2 = "2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334";
    cout << testIP2 << " : " << validateIPAddress(testIP2) << endl;

    // 测试用例 3: 无效 IP (数值超出范围)
    string testIP3 = "256.100.100.100";
    cout << testIP3 << " : " << validateIPAddress(testIP3) << endl;

    // 测试用例 4: 无效 IP (格式错误)
    string testIP4 = "257.120.223.13";
    cout << testIP4 << " : " << validateIPAddress(testIP4) << endl;
    
    // 测试用例 5: 无效的 IPv6 (长度不足)
    string testIP5 = "2F33:12a0:3Ea0:0302";
    cout << testIP5 << " : " << validateIPAddress(testIP5) << endl;

    return 0;
}

代码实战：Java 实现

在 Java 中，我们使用 INLINECODE0812c562 和 INLINECODEcf8743b3 类。这是一个非常标准的 Java 正则处理流程，值得你牢记。

// Java program to validate IP address using Regex
import java.util.regex.*;

class IPValidator {

    // Static function for validation
    public static String validateIt(String IP)
    {
        // Regex for IPv4
        String ipv4Regex = "(([0-9]|[1-9][0-9]|1[0-9][0-9]|2[0-4][0-9]|25[0-5])\\.){3}([0-9]|[1-9][0-9]|1[0-9][0-9]|2[0-4][0-9]|25[0-5])";

        // Regex for IPv6
        String ipv6Regex = "((([0-9a-fA-F]){1,4})\\:){7}([0-9a-fA-F]){1,4}";

        // 编译正则模式
        Pattern p4 = Pattern.compile(ipv4Regex);
        Pattern p6 = Pattern.compile(ipv6Regex);

        // 检查 IPv4
        if (p4.matcher(IP).matches())
            return "Valid IPv4";

        // 检查 IPv6
        else if (p6.matcher(IP).matches())
            return "Valid IPv6";

        // 默认返回
        return "Invalid IP";
    }

    // Driver Code
    public static void main(String args[])
    {
        // 测试样本
        System.out.println("192.168.0.1: " + validateIt("192.168.0.1"));
        System.out.println("2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334: " + validateIt("2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334"));
        System.out.println("256.256.256.256: " + validateIt("256.256.256.256")); // 无效
        System.out.println("fffe:3465:efab:23fe:2235:6565:aaab:0001: " + validateIt("fffe:3465:efab:23fe:2235:6565:aaab:0001"));
        System.out.println("2F33:12a0:3Ea0:0302: " + validateIt("2F33:12a0:3Ea0:0302")); // 无效，组数不足
    }
}

代码实战：Python3 实现

Python 的 re 模块非常简洁。为了提高效率，我们通常预先编译正则对象，而不是在每次调用时重新解析它们。

# Python3 program to validate IP address using Regex
import re

def validate_it(IP):
    # Regex expression for validating IPv4
    # 注意：Python中可以使用 ^ 和 $ 来严格匹配开头和结尾
    ipv4_pattern = re.compile(
        r"^((25[0-5]|2[0-4][0-9]|1[0-9][0-9]|[1-9]?[0-9])\.){3}(25[0-5]|2[0-4][0-9]|1[0-9][0-9]|[1-9]?[0-9])$"
    )

    # Regex expression for validating IPv6
    ipv6_pattern = re.compile(
        r"^((([0-9a-fA-F]){1,4})\:){7}([0-9a-fA-F]){1,4}$"
    )

    # 使用 match 方法检查字符串开头（配合 $ 达到全串匹配效果）
    if ipv4_pattern.match(IP):
        return "Valid IPv4"
    
    elif ipv6_pattern.match(IP):
        return "Valid IPv6"

    return "Invalid IP"

# Driver Code
if __name__ == "__main__":
    test_cases = [
        "203.120.223.13",         # Valid IPv4
        "000.12.234.23.23",       # Invalid (extra octet)
        "fffe:3465:efab:23fe:2235:6565:aaab:0001", # Valid IPv6
        "2F33:12a0:3Ea0:0302",    # Invalid (not enough groups)
        "I.Am.not.an.ip"          # Invalid
    ]

    for ip in test_cases:
        print(f"{ip} -> {validate_it(ip)}")

实战建议与性能考量

当你将这些代码集成到你的项目时，有几个关键点需要注意，以确保你的应用既安全又高效。

1. 预编译正则表达式（性能优化）

正如我们在 Python 示例中看到的，使用 INLINECODE8b065ccf（或 Java 中的 INLINECODE449ca7d9）是一个好习惯。如果你的代码位于一个高频调用的循环中（比如处理日志文件或网络封包），反复解析相同的正则字符串会浪费宝贵的 CPU 资源。预编译可以让匹配操作几乎瞬间完成。

2. 边缘情况与安全性

虽然正则表达式非常强大，但它并不是银弹。例如，某些极端复杂的正则表达式（通常称为 ReDoS – 正则表达式拒绝服务攻击）可能会被恶意构造的输入“卡死”。我们在本文中使用的正则相对简单且由确定性的重复次数构成，因此是安全的。但如果你在互联网上随意复制复杂的验证正则，请务必评估其性能表现。

3. 不仅仅是格式

验证 IP 地址的格式只是第一步。在实际应用中，你可能还需要验证该 IP 是否属于特定的子网，或者它是否是一个公网 IP（而非内网保留地址）。这通常需要将字符串解析为整数或字节数组，然后进行位运算。正则表达式负责“守门”，确保只有格式正确的数据才能进入后续的昂贵计算逻辑。

总结

通过这篇文章，我们从最基础的正则概念出发，一步步构建了能够验证 IPv4 和 IPv6 的完整逻辑。我们不仅给出了 C++、Java 和 Python 的实现代码，更重要的是，我们理解了背后的“为什么”。

我们学会了如何拆解问题（如 0-255 的数字范围），如何使用字符类和量词，以及如何在不同的编程语言中优雅地应用这些模式。希望这些技术能帮助你在未来的开发中写出更健壮的代码。下一次当你需要验证用户输入时，你就可以自信地拿出正则表达式这把利器了。

祝你编码愉快！

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