这是根据问题的一种方法（Ruby 2）。它并不漂亮，并且在各个方面都不是 100% 完美，但可以做到。
def newsub(str, *rest, &bloc)
str =~ rest[0] # => ArgumentError if rest[0].nil?
bloc.binding.tap do |b|
b.local_variable_set(:_, $~)
b.eval("$~=_")
end if bloc
str.sub(*rest, &bloc)
end
这样，结果如下：
_ = (/(xyz)/ =~ 'xyz')
p $1 # => "xyz"
p _ # => 0
p newsub("abcd", /ab(c)/, '\1') # => "cd"
p $1 # => "xyz"
p _ # => 0
p newsub("abcd", /ab(c)/){|m| $1} # => "cd"
p $1 # => "c"
p _ # => #<MatchData "abc" 1:"c">
v, _ = $1, newsub("efg", /ef(g)/){$1.upcase}
p [v, _] # => ["c", "G"]
p $1 # => "g"
p Regexp.last_match # => #<MatchData "efg" 1:"g">
深入分析
在上面定义的方法newsub中，当给定一个block时，在block执行后，调用者线程中的局部变量$1等被（重新）设置，这与String#sub是一致的。但是，当没有给出块时，局部变量 $1 等不会被重置，而在String#sub 中，无论是否给出块，$1 等都会被重置。
此外，调用者的局部变量_ 在此算法中被重置。在 Ruby 的约定中，局部变量 _ 用作虚拟变量，不应读取或引用其值。因此，这不应该引起任何实际问题。如果语句local_variable_set(:$~, $~) 有效，则不需要临时局部变量。然而，在 Ruby 中它不是（至少从 2.5.1 版开始）。请参阅 Kazuhiro NISHIYAMA 在[ruby-list:50708] 中的评论（日文）。
一般背景（Ruby 的规范）解释
这里有一个简单的例子来突出与这个问题相关的 Ruby 规范：
s = "abcd"
/b(c)/ =~ s
p $1 # => "c"
1.times do |i|
p s # => "abcd"
p $1 # => "c"
end
$&、$1、$2等的特殊变量（相关、$~（Regexp.last_match）、$'等）
在本地范围内工作。在 Ruby 中，本地作用域会继承父作用域中的同名变量。
在上面的示例中，变量s 是继承的，$1 也是如此。
do 块是由1.times yield 编辑的，方法1.times 无法控制块内的变量，除了块参数（上例中的i； nb，尽管Integer#times 不提供任何块参数，但尝试在块中接收参数将被忽略）。
这意味着 yield-sa 块无法控制块中的 $1、$2 等的方法，它们是局部变量（即使它们可能看起来像全局变量） .
字符串大小写#sub
现在，让我们来分析String#sub 与块的工作原理：
'abc'.sub(/.(.)./){ |m| $1 }
这里，sub 方法首先执行正则表达式匹配，因此像$1 这样的局部变量会自动设置。然后，它们（像$1 这样的变量）在块中被继承，因为这个块与方法“sub”在同一范围内。它们不传递从sub 到块，不同于块参数m（这是一个匹配的字符串，或等效于$&）。
因此，如果方法 sub 定义在与块不同的范围中，则 sub 方法无法控制块内的局部变量，包括 $1。 不同的范围是指 sub 方法是用 Ruby 代码编写和定义的，或者实际上是所有 Ruby 方法，除了一些不是用 Ruby 编写但使用与用于编写 Ruby 解释器。
Ruby的official document (Ver.2.5.1)在String#sub部分解释：
在块形式中，当前匹配字符串作为参数传入，$1、$2、$`、$&、$'等变量会被适当设置。
正确。在实践中，可以并且确实设置Regexp-match相关的特殊变量如$1、$2等的方法仅限于一些内置方法，包括Regexp#match、Regexp#=~、Regexp#===、String#=~ 、String#sub、String#gsub、String#scan、Enumerable#all? 和 Enumerable#grep。
提示 1：String#split 似乎总是重置 $~ nil。
提示 2：Regexp#match? 和 String#match? 不更新 $~，因此速度更快。
这里有一个小代码 sn-p 来突出作用域的工作原理：
def sample(str, *rest, &bloc)
str.sub(*rest, &bloc)
$1 # non-nil if matches
end
sample('abc', /(c)/){} # => "c"
p $1 # => nil
这里，$1 在方法 sample() 中由str.sub 在同一范围内设置。这意味着 sample() 方法将无法（简单地）在给它的块中引用 $1。
我指出Ruby官方文档（Ver.2.5.1）section of Regular expression中的声明
将=~ 运算符与字符串和正则表达式一起使用，在成功匹配后设置$~ 全局变量。
相当具有误导性，因为
-
$~ 是一个预定义的局部范围变量（不是全局变量），并且
-
无论上次尝试的匹配是否成功，
$~ 都会设置（可能为零）。
像$~ 和$1 这样的变量不是全局变量这一事实可能有点令人困惑。但是，嘿，它们是有用的符号，不是吗？