Brainfuck

Brainfuck，简称BF，是一种极小化的程序语言，由Urban Müller在1993年创造。Fuck在英語中是髒話，所以这种语言有时称为Brainf*ck或Brainf***，或者只用简称。

概述

Müller的目标是创建一种简单的、可以用最小的编译器来实现的、符合图灵完全思想的编程语言。这个语言由八种运算符构成，为Amiga机器编写的编译器（第二版）只有240个字节大小。[1]

Brainfuck的名字已经暗示出来，它的程序代码很难读懂。尽管如此，Brainfuck仍然可以像图灵机一般完成任何计算任务。它虽然计算方式与众不同，但确实能够正确运行。

这种语言基于一个简单的机器模型。这个机器除了指令以外，还包括：一个以字节为单位、已初始化为零的数组、一个指向该数组的指针（开始时指向数组的第一个字节）、以及用于输入输出的两个字节流。

下面是这八种状态的描述，其中每个状态由一个字符标识：

字符 含义
> 指针加一
< 指针减一
+ 指针所指字节的值加一
- 指针所指字节的值减一
. 输出指针所指字节内容（ASCII码）
, 向指针所指的字节输入内容（ASCII码）
[ 若指针所指字节的值为零，则向后跳转，跳转到其对应的]的下一个指令处
] 若指针所指字节的值不为零，则向前跳转，跳转到其对应的[的下一个指令处

Brainfuck指令可以逐一替换，翻译成C语言（假设ptr是char *类型）的语句之类：

Brainfuck C
> ++ptr;
< --ptr;
+ ++*ptr;
- --*ptr;
. putchar(*ptr);
, *ptr = getchar();
[ while (*ptr) {
] }

例子

Hello World!

在屏幕上打印Hello World!： 

++++++++++[>+++++++>++++++++++>+++>+<<<<-]
>++.>+.+++++++..+++.>++.<<+++++++++++++++.
>.+++.------.--------.>+.>.

目前位置归零

[-]

字符I/O

,.

从键盘读取一个字符并输出到屏幕上。

简单的循环

,[.,]

这是一个循环，连续从键盘读取字符，回显到屏幕上。注意，这里假定0表示输入结束，但有些系统并非如此。如果是-1表示输入结束，代码就应是,+[-.,+]。如果是输入未改变表示输入结束，代码则是,[->+>-<<]>[-<+>]>[[-]<<.[->>+<<],[->+>-<<]>[-<+>]>]。

指针维护

>,[.>,]

移动指针，保存所有的输入，供后面的程序使用。

加法

[->+<]

把当前位置的值加到后面的单元中（会让左边的单元归零）。

条件指令

,----------[----------------------.,----------]

从键盘读来小写字符，转成大写。按回车键退出程序。

首先，通过,读入第一个字符并把它减10（10 在大多数情况下为换行符 LF 的值）。如果用户按的是回车键，循环命令（[）就会直接跳转到程序的结尾：因为这时第一个字节已经减到了零。如果输入的字符不是换行符（比如是一个小写字符），程序就进入循环。在这里再减去剩下的22，这样总共减掉32。这是ASCII码中小写字符和大写字符的差值。

下面输出到屏幕。然后接收下一个输入字符，并减去10。如果它是换行符，退出循环；否则，再回到循环的开始，减去22并输出……退出了循环，后面没有了其他指令，程序便随之终止。

加法器 add(summand, addend, *sum)

>>[-]>[-]<<<        // 清空 cell #2 和 #3
[->>+>+<<<]         // cell #0 的值移到 cell #2 和 #3
>
    >>[-<<<+>>>]<<  // cell #3 的值移到 cell #0
    [->+>+<<]       // cell #1 的值移到 cell #2 和 #3
    >>[-<<+>>]<<    // cell #3 的值移到 cell #1
<

将保存在 cell #0 和 #1 中的两个整数相加，结果保存在 cell #2。 以 cell #3 为临时变量，保证了原来的两个存储单元数值不变，方便以后使用。

代码运行前，指针指向 cell #0，

第一步，先将 cell #2 和 cell #3 清空，确保不会有多余的数据影响运算结果；

第二步，将 cell #0 的值同时转移到 cell #2 和 cell #3，再用 cell #3 来恢复 cell #0 的值；

第三步，将 cell #1 的值同时转移到 cell #2 和 cell #3，再用 cell #3 来恢复 cell #1 的值；

最后，指针归位（回到初始位置），方便后续运算。

乘法器 multiply(multiplicand, multiplier, *product)

>>[-]>[-]>[-]<<<<       // 清空 cell #2、 #3 和 #4
[->                     // cell #0 的值减 1
    [->+>+<<]           // cell #1 的值加进 cell #2 和 #3
    >>
        [-<<+>>]        // cell #3 的值移回 cell #1
        >+<             // cell #4 的值加 1，这样外循环结束时 cell #4 的值和 cell #0 原来的值就相等

    <<
<]
>>>>[-<<<<+>>>>]<<<<    // cell #4 的值移回 cell #0

跟上面的“加法器”类似，这个“乘法器”将保存在 cell #0 和 cell #1 的两个整数相乘，结果保存在 cell #2。 同样使用了临时变量，保证了原来的两个存储单元数值不变，方便以后使用。

更多代码解析请参见 https://github.com/moky/BrainFuck （页面存档备份，存于互联网档案馆）

注释

  • 注意，这里数组的每个单元大小都是一个字节；-命令允许溢出，1个-等于是255个+。同样，如果数组单元是有限、循环的，1个<就等于是29999个>。每个修改动作都可以分解为最多7条指令。但是，两个连在一起的修改动作将会破坏“图灵完全”，因为它们会使可能的内存状态从无限个变为有限个。更确切地说，从这个角度看，现代的计算机依然达不到完全意义上的“图灵完全”

参考资料

  1. ^ dev/lang/brainfuck-2.lha. Aminet. [2013-10-30]. （原始内容存档于2005-11-06）. 

外部链接