摘要：最近在上做練習(xí)，某道題的內(nèi)容是實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡稱語言解釋器等等均可。這篇文章準(zhǔn)備聊聊相關(guān)的一些知識(shí)和實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)。誕生于上世紀(jì)年代，曾運(yùn)用于早期的，想詳細(xì)了解的童鞋可以瀏覽維基百科。例如，當(dāng)某個(gè)存儲(chǔ)單元的值為時(shí)，其執(zhí)行指令的結(jié)果為。

最近在 Codewars上做練習(xí)，某道題的內(nèi)容是實(shí)現(xiàn)一個(gè) brainFuck（簡稱BF語言） 解釋器（c/python/js等等均可）。動(dòng)手實(shí)踐的過程還是很有趣的，中間也遇到了各種各樣的問題，最終通過測試，代碼也比較接近目前的 JS 高分 solution。這篇文章準(zhǔn)備聊聊相關(guān)的一些知識(shí)和實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)。

BrainFuck（后文以簡寫B(tài)F指代），單是名字就很容易讓人腦洞大開，有種不可描述的“哲學(xué)”韻味。所以如果你忍不住 google 一下相關(guān)圖片的話，你會(huì)可能搜到類似下面的圖片：

畫面是不是已經(jīng)很生動(dòng)了？

BF 字面上的含義已經(jīng)暗示了這是一種不太直觀和容易閱讀的語言，當(dāng)然，在當(dāng)下也不會(huì)是一種通用語言。她屬于 Esolang（全稱 Esoteric programming language，直譯：深?yuàn)W的編程語言） 的范疇。

BF誕生于上世紀(jì)30年代，曾運(yùn)用于早期的 PC（Amiga），想詳細(xì)了解的童鞋可以瀏覽 維基百科。

BF 在當(dāng)下有什么應(yīng)用場景呢？

我想，對一個(gè)吃瓜群眾來說，了解了它，對寫作 逼格 和 腦力 的提升是很有用的。BF 具有極簡主義（搞設(shè)計(jì)的童鞋的不妨了解下下）和功能齊全（圖靈完全）的特點(diǎn)，旨在為用戶帶來困惑和挑戰(zhàn)，豐富勞動(dòng)人民的業(yè)余生活。

BF 作為一種極簡的計(jì)算機(jī)語言，僅有8種運(yùn)算符，分別為: < > + - , . [ ]，其功能對照如下表所示：

BF基于一個(gè)簡單的機(jī)器模型，除了八個(gè)指令，這個(gè)機(jī)器還包括：一個(gè)以字節(jié)為單位、被初始化為零的數(shù)組、一個(gè)指向該數(shù)組的指針(初始時(shí)指向數(shù)組的第一個(gè)字節(jié))、以及用于輸入輸出的兩個(gè)字節(jié)流。

對 BF 比較有意思的比擬可以是這樣的：

如果把機(jī)器內(nèi)存看成是一個(gè)無限長的“小火車”（類似于Array或List的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）,每個(gè)車廂（存儲(chǔ)單元）里面的貨物默認(rèn)都是數(shù)字 0，列車上僅有一個(gè)列車員（數(shù)據(jù)指針）；

<> 相當(dāng)于列車員在車廂間進(jìn)行移動(dòng)，只有當(dāng)列車員在某節(jié)車廂時(shí)，才能對車廂的貨物進(jìn)行操作；

+- 相當(dāng)于列車員對當(dāng)前所在車廂的貨物進(jìn)行增減；

, 相當(dāng)于列車在裝貨，列車員將當(dāng)前所在車廂的貨物替換為貨運(yùn)站輸入的單批次貨物（一個(gè)字符的ASCII碼）；

. 會(huì)將當(dāng)前車廂里的貨物名稱（單個(gè)字符）輸出來；

[] 相當(dāng)于列車員在滿足條件的兩節(jié)車廂間來回移動(dòng)；

這里要注意的是，數(shù)組的每個(gè)單元都是一個(gè)字節(jié)大小；- 命令允許溢出，它可以用 255 個(gè) + 命令來代替。例如，當(dāng)某個(gè)存儲(chǔ)單元的值為 255 時(shí)，其執(zhí)行指令 + 的結(jié)果為 0。類似的， 0 執(zhí)行指令 - 的結(jié)果為 255.

據(jù)此，BF的運(yùn)算符與通用語言的類比如下（以C語言為例）：

function brainLuck(code, input) {             // @1
  const inputChars = input.split("");         // @2

  const codes = code.split("");               // @3
  let codeIdx = 0;

  const arr = [];                             // @4
  let arrIdx = 0;
  let outputStr = "";                         // @5

  while (codeIdx < code.length) {             // @6
    const ops = codes[codeIdx];

    const handleLeftBracket = () => {         // @7
      if (~~arr[arrIdx] === 0) {
        let cnt = 1;

        while (cnt) {
          codeIdx++;
          if (codes[codeIdx] === "[") {
            cnt += 1;
          }
          if (codes[codeIdx] === "]") {
            cnt -= 1;
          }
        }
      }
    };

    const handleRightBracket = () => {        // @8
      if (~~arr[arrIdx] !== 0) {
        let cnt = 1;

        while (cnt) {
          codeIdx--;
          if (codes[codeIdx] === "]") {
            cnt += 1;
          }
          if (codes[codeIdx] === "[") {
            cnt -= 1;
          }
        }
      }
    };

    switch (ops) {                            // @9
      case ">":
        arrIdx += 1;
        break;
      case "<":
        arrIdx -= 1;
        break;
      case "+":
        arr[arrIdx] = (~~arr[arrIdx] + 1) % 256;
        break;
      case "-":
        arr[arrIdx] = (~~arr[arrIdx] || 256) - 1;
        break;
      case ",":
        const iptChar = inputChars.shift();
        arr[arrIdx] = iptChar ? iptChar.charCodeAt(0) : arr[arrIdx];
        break;
      case ".":
        outputStr += String.fromCharCode(arr[arrIdx]);
        break;
      case "[":
        handleLeftBracket();
        break;
      case "]":
        handleRightBracket();
        break;
    }

    codeIdx++;                               // @10
  }

  return outputStr;                          // @11
}

(1) 我們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)函數(shù) brainLuck 用以模擬 BF 語言的解釋執(zhí)行，函數(shù) brainLuck 的用例如下：

const code = ",+[-.,+]";
const input = "Parksben" + String.fromCharCode(255);

const output = brainLuck(code, input);
console.log(output); // -> "Parksben"

(2) 將輸入的字符串切割為單個(gè)字符，暫存進(jìn)數(shù)組 inputChars；

(3) 將 BF 程序切割為單個(gè)操作符，方便遍歷每個(gè)指令，用 codeIdx 作為下標(biāo)進(jìn)行遍歷；

(4) 聲明一個(gè)數(shù)組 arr 用以模擬機(jī)器內(nèi)存，過程產(chǎn)生的數(shù)值存儲(chǔ)到此數(shù)組中；

(5) 用字符串 outputStr 存儲(chǔ)程序的輸出；

(6) 遍歷 BF 運(yùn)算符，對不同指令進(jìn)行相應(yīng)的操作；

(7) 方法 handleLeftBracket，用以匹配到與當(dāng)前 [ 對應(yīng)的 ]（通過操作下標(biāo) codeIdx）；

(8) 方法 handleRightBracket，用以匹配到與當(dāng)前 ] 對應(yīng)的 [（通過操作下標(biāo) codeIdx）；

(9) 用以處理不同指令的 switch 語句；

(10) codeIdx 加一，以向前遍歷 codes；

(11) 程序輸出；

Brainfuck: a Programming Language or a Joke?

丹尼爾·克里斯托法尼的一些 BF 實(shí)例

深?yuàn)W的編程語言 - 維基百科