摘要：最近在上做練習，某道題的內容是實現一個簡稱語言解釋器等等均可。這篇文章準備聊聊相關的一些知識和實現的細節。誕生于上世紀年代，曾運用于早期的，想詳細了解的童鞋可以瀏覽維基百科。例如，當某個存儲單元的值為時，其執行指令的結果為。

最近在 Codewars上做練習，某道題的內容是實現一個 brainFuck（簡稱BF語言） 解釋器（c/python/js等等均可）。動手實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。這篇文章準備聊聊相關的一些知識和實現的細節。

BrainFuck（后文以簡寫BF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”韻味。所以如果你忍不住 google 一下相關圖片的話，你會可能搜到類似下面的圖片：

畫面是不是已經很生動了？

BF 字面上的含義已經暗示了這是一種不太直觀和容易閱讀的語言，當然，在當下也不會是一種通用語言。她屬于 Esolang（全稱 Esoteric programming language，直譯：深奧的編程語言） 的范疇。

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

BF 在當下有什么應用場景呢？

我想，對一個吃瓜群眾來說，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（搞設計的童鞋的不妨了解下下）和功能齊全（圖靈完全）的特點，旨在為用戶帶來困惑和挑戰，豐富勞動人民的業余生活。

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

BF基于一個簡單的機器模型，除了八個指令，這個機器還包括：一個以字節為單位、被初始化為零的數組、一個指向該數組的指針(初始時指向數組的第一個字節)、以及用于輸入輸出的兩個字節流。

對 BF 比較有意思的比擬可以是這樣的：

如果把機器內存看成是一個無限長的“小火車”（類似于Array或List的數據結構）,每個車廂（存儲單元）里面的貨物默認都是數字 0，列車上僅有一個列車員（數據指針）；

<> 相當于列車員在車廂間進行移動，只有當列車員在某節車廂時，才能對車廂的貨物進行操作；

+- 相當于列車員對當前所在車廂的貨物進行增減；

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

. 會將當前車廂里的貨物名稱（單個字符）輸出來；

[] 相當于列車員在滿足條件的兩節車廂間來回移動；

這里要注意的是，數組的每個單元都是一個字節大小；- 命令允許溢出，它可以用 255 個 + 命令來代替。例如，當某個存儲單元的值為 255 時，其執行指令 + 的結果為 0。類似的， 0 執行指令 - 的結果為 255.

據此，BF的運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) 我們實現了一個函數 brainLuck 用以模擬 BF 語言的解釋執行，函數 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字符，暫存進數組 inputChars；

(3) 將 BF 程序切割為單個操作符，方便遍歷每個指令，用 codeIdx 作為下標進行遍歷；

(4) 聲明一個數組 arr 用以模擬機器內存，過程產生的數值存儲到此數組中；

(5) 用字符串 outputStr 存儲程序的輸出；

(6) 遍歷 BF 運算符，對不同指令進行相應的操作；

(7) 方法 handleLeftBracket，用以匹配到與當前 [ 對應的 ]（通過操作下標 codeIdx）；

(8) 方法 handleRightBracket，用以匹配到與當前 ] 對應的 [（通過操作下標 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 實例

深奧的編程語言 - 維基百科