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Brain F*ck

2013年10月08日 ⁄ 综合 ⁄ 共 7270字 ⁄ 字号 评论关闭

今天从同学那里抢到了这个 很震惊地听说这门语言居然是图灵完备的。

Brainfuck是一种极小化的计算机语言,它是由Urban Müller在1993年创建的。
由于fuck在英语中是脏话,这种语言有时被称为brainf*ck或brainf***,甚至被简称为BF。
概述
Müller的目标是建立一种简单的、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
这种语言由八种状态构成,为Amiga机器编写的编译器(第二版)只有240个字节大小!

就象它的名字所暗示的,brainfuck程序很难读懂。
尽管如此,brainfuck图灵机一样可以完成任何计算任务。
虽然brainfuck的计算方式如此与众不同,但它确实能够正确运行。

这种语言基于一个简单的机器模型,除了指令,这个机器还包括:
一个以字节为单位、被初始化为零的数组、
一个指向该数组的指针(初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
+ 指针指向的字节的值加一
- 指针指向的字节的值减一
. 输出指针指向的单元内容(ASCII码)
, 输入内容到指针指向的单元(ASCII码)
[ 如果指针指向的单元值为零,向前跳转到对应的]指令的次一指令处
] 如果指针指向的单元值不为零,向后跳转到对应的[指令的次一指令处

Brainfuck程序可以用下面的替换方法翻译成C语言(假设ptr是char*类型):
Brainfuck C
> ++ptr;
< --ptr;
+ ++*ptr;
- --*ptr;
. putchar(*ptr);
, *ptr =getchar();
[ while (*ptr) { ] }

--------------------------------------------------------------------------------

例子

--------------------------------------------------------------------------------

Hello World!
一个在屏幕上打印"Hello World!"的程序:
++++++++++[>+++++++>++++++++++>+++>+<<<<-]>++.>+.+++++++..+++.>++.<<+++++++++++++++.>.+++.------.--------.>+.>.
--------------------------------------------------------------------------------

当前位置清零
[-]
--------------------------------------------------------------------------------

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
,[.,] 这是一个连续从键盘读取字符并回显到屏幕上的循环。注意,这里假定0表示输入结束,事实上有些系统并非如此。
以-1和"未改变"作为判断依据的程序代码分别是",+[-.,+]"和",[.[-],]"。
--------------------------------------------------------------------------------

指针维护
>,[.>,] 通过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(破坏性的加,它导致左边的单元被归零)。
--------------------------------------------------------------------------------

条件指令
,----------[----------------------.,----------] 这个程序会把从键盘读来的小写字符转换成大写。按回车键退出程序。
首先,我们通过,读入第一个字符并把它减10(大多数情况下,brainfuck使用10作为换行符的值)。
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被减到了零。
如果输入的字符不是换行符(假设它是一个小写字符),程序进入循环。
在这里我们再减去剩下的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。

下面我们把它输出到屏幕。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……当循环退出时,因为后面已经没有其他的指令,程序也随之终止。
--------------------------------------------------------------------------------

加法
,>++++++[<-------->-],,[<+>-]<.
这个程序对两个一位数做加法,并输出结果(如果结果也只有一位数的话):
4+3
7

(现在程序开始有点复杂了。我们要涉及到数组中单元的内容了,比如[0]、[1]、[2]之类。)
第一个输入的数字被放在在[0]中,从中减去48来把它从ASCII码值48到57转换为数值0到9:
这是通过在[1]中放入6,然后按照[1]中的次数让一个循环从[0]中多次减去8来完成的(当加上或减去一个大的数值时,这是常用的办法)。
下一步,加号被读入[1]中;然后,第二个数字被输入,覆盖掉加号。

下面的循环[<+>-]执行最重要的工作:通过把第二个数字移动到第一个里面让它们相加,并把[1]清空。
这里的每次循环都把[0]增一并从[1]中减一;最终,在[1]被置零的多次循环中,[1]中的值就被转移到了[0]中。
现在,[1]中是我们输入的换行符(这个程序里,我们没有设置对输入错误的检查机制)。

然后,指针被移回到指向[0],并输出它的内容([0]里面现在是 a + (b + 48) 的值,
因为我们没有修改b的值,这等于 (a + b) + 48,也就是我们想要输出的ASCII值)。
然后,把指针指向[1],里面保存着前面输入的换行符;输出换行符,程序结束。
--------------------------------------------------------------------------------

乘法
,>,,>++++++++[<------<------>>-]_<<[>[>+>+<<-]>>[<<+>>-]<<<-]_>>>++++++[<++++++++>-],<.>.

和前一个程序类似,不过这次是乘法而不是加法。

第一个输入的数字被放入[0],星号和第二个数字被放入[1],然后两个数值都被校正:减去48。

现在,程序进入了主循环。我们的基本思想是:每次从[0]中减去一,同时把[1]的值加入到保存乘积的[2]中。
在实际操作中,第一个内层循环把[1]的值同时转移到[2]和[3]中,同时[1]清零(这是我们复制数字的基本方法)。
下一个内层循环把[3]中的值重新放回到[1],并清零[3]。然后从[0]中减一,结束外层循环。
在退出这个循环时,[0]中为零,[1]仍然是输入的第二个数值,[2]则是这两个数值的和。
(要是想保存第一个数,我们可以在外层循环中每次给[4]加一,最后把[4]移回[0]。)
在结果中加48,并把换行符读入[3],输出ASCII码的乘积,然后输出刚才保存的换行符。 

 附上这小子写的C语言实现

//brain_fuck_interpreter
//此版本支持键盘输入,即以互交方式运行.
/*

brain_fuck_instruction_sets

<   ptr := ptr + 1
>   ptr := ptr - 1
+   [ptr] := [ptr] + 1
-   [ptr] := [ptr] - 1
,   [ptr] := in
.   out := [ptr]
[   if( [ptr]==0 ) jmp lable:] + 1
]   if( [ptr]!=0 ) jmp lable:[ + 1

*/
#include
<stdio.h>
#include
<string.h>
#define BUFFERSIZE 65536
#define MEMORYSIZE 1024
char code[BUFFERSIZE];
char mem[MEMORYSIZE]="The language is called brain fuck...";
//'a':+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++.
//'A':+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++.
//'0':++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++.
//Q:输出0123456789
//++++++++++>+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++<[>+.<-]
//
//Q:输出A-Z
//>+++++[>+++++<-]>+>++++++++[>++++++++<-]>+<<[>>.+<<-]
//
//Q:输出a-z
//>+++++[>+++++<-]>+>++++++++++[>++++++++++<-]>---<<[>>.+<<-]
//
//Q:实现echo
//,----------[++++++++++.,----------]
//
//Q:输入a,b输出a+b( a , b , a+b < 10 )
//,>++++++[<-------->-]
//,,[<+>-],<.>.
//
//Q:输入a,b输出a*b( a , b , a*b < 10 )
//,>,,>++++++++[<------<------>>-]
//<<[>[>+>+<<-]>>[<<+>>-]<<<-]
//>>>++++++[<++++++++>-],<.>.
//Q:求3 n + 1问题的循环次数
//>,[
//[
//----------[
//>>>[>>>>]+[[-]+<[->>>>++>>>>+[>>>>]++[->+<<<<<]]<<<]
//++++++[>------<-]>--[>>[->>>>]+>+[<<<<]>-],<
//]>
//]>>>++>+>>[
//<<[>>>>[-]+++++++++<[>-<-]+++++++++>[-[<->-]+[<<<<]]<[>+<-]>]
//>[>[>>>>]+[[-]<[+[->>>>]>+<]>[<+>[<<<<]]+<<<<]>>>[->>>>]+>+[<<<<]]
//>[[>+>>[<<<<+>>>>-]>]<<<<[-]>[-<<<<]]>>>>>>>
//]>>+[[-]++++++>>>>]<<<<[[<++++++++>-]<.[-]<[-]<[-]<]<
//

void run(void)
{   
int l=strlen(code),ip=0,si=0,err=0;

    for(int i=0;i<MEMORYSIZE;i++)mem[i]=0;
    
while(ip<l&&err==0)
    {
        
//printf(" STATUS: ip=%d si=%d cond=%d cur char:%c",ip,si,mem[si],code[ip]);

        
switch (code[ip])
        {
            
case '<':
                si
--;
                
if(si<0)err=2;
                
break;
            
case '>':
                si
++;
                
if(si>=MEMORYSIZE)err=2;
                
break;
            
case '+':
                
if(mem[si]==127)err=4;
                mem[si]
++;
                
break;
            
case '-':
                
if(mem[si]==0)err=4;
                mem[si]
--;
                
break;
            
case '.':
                printf(
"%c",mem[si]);
                
break;
            
case ',':
                scanf(
"%c",&mem[si]);
                
break;
            
case '[':
                
if(mem[si]==0)
                {   
while(ip<MEMORYSIZE)
                    {   ip
++;
                        
if(code[ip]==']'&&err==0)break;
                        
if(code[ip]=='[')err++;
                        
else if(code[ip]==']')err--;
                        
if(ip>=l){err=8;break;}
                    }
                }
                
break;
            
case ']':
                
if(mem[si]!=0)
                {   
while(ip>=0)
                    {   ip
--;
                        
if(code[ip]=='['&&err==0)break;
                        
if(code[ip]==']')err++;
                        
else if(code[ip]=='[')err--;
                        
if(ip<=0){err=8;break;}
                    }
                }
                
break;
            
case '/':
                
break;
            
default:
                err
=1;
                
break;
        }
        
if(err==0)ip++;
    }
    
switch(err)
    {   
case 0:
            
break;
        
case 1:
            printf(
"-!--{%c}.%d is illegal char!",code[ip],ip);
            
break;
        
case 2:
            printf(
"-!-- slop over");
            
break;
        
case 4:
            printf(
"-!-- overflow");
            
break;
        
case 8:
            printf(
"-!-- logical error!");
            
break;
        
default:
            
break;
    }
}
int main()
{   
char tmp[BUFFERSIZE];
    printf(
"==== codes terminate by // , exit by '#' ==== bf_code:");
    
while(gets(code)!=NULL)
    {   
if(strcmp(code,"#")==0)break;
        
while(gets(tmp)!=NULL)
        {   strcat(code,tmp);
            
if(strcmp(tmp,"//")==0)break;
        }
        
if(strcmp(code,"#//")==0)break;
    
        
//printf("%s ",code);

        run();
        printf(
" bf_code:");
    }
    printf(
"bye...");
    getchar();
    
return 0;
}

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