Brainfuck

Brainfuck

Brainfuck,是一种极小化的计算机语言,它是由Urban Müller1993年创建的。由於fuck在英語中是髒話,这种语言有时被称为brainf*ckbrainf***,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Turing complete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

(按照更节省时间的简单说法,]也可以说成“向后跳转到对应的[状态”。这两解释是一样的。)

(第三种同价的说法,[意思是"向前跳转到对应的]",]意思是"向后跳转到对应的[指令的次一指令处,如果指针指向的字节非零。")

Brainfuck程序可以用下面的替换方法翻译成C语言(假设ptrchar*类型): <p>

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。

注意,这里数组的每个单元都是一个字节大小;-命令允许溢出,它可以用255个+命令来代替。同样,如果数组单元是有限、循环的,<可以用29999个>命令代替。每个修改动作都可以被分解为最多7条指令。可是,两个连在一起的修改动作将会破坏Turing-completeness,因为这会把可能的内存状态限制到有限个数。(更确切的说,从这个角度看,现代的计算机依然不是完全意义上的Turing-complete。)

外部链接

<think>好的,用户想了解Brainfuck编程语言的介绍和示例。首先,我需要回忆Brainfuck的基本知识。Brainfuck是一种极简的esolang,只有八个命令,使用指针和数组进行操作。用户可能对它的设计理念和基本语法感兴趣。 接下来,我应该介绍Brainfuck的核心概念,比如指令集、内存模型。要确保用中文解释清楚每个符号的作用,比如>和<移动指针,+和-修改值,.输出,,输入,[]循环。这些部分需要用行内数学公式,比如$...$来包裹符号,符合系统指令的要求。 然后,给出一个简单的示例,比如打印"Hello World"。需要提供代码并用代码块格式展示。同时,要解释代码的结构,比如初始化内存,循环调整值并输出字符。这部分要注意LaTeX的正确使用,比如循环部分用$$...$$单独成段。 可能用户还会想知道Brainfuck的特点,比如为什么难读、适用场景等。需要分点说明,保持结构清晰。同时,根据系统指令,生成相关问题,比如与其他语言对比、调试方法、实际应用等。这些问题要自然,覆盖用户可能进一步的需求。 最后,检查引用部分。用户提供的引用是关于gcc编译的,可能与Brainfuck无关,但需要确保引用标识正确添加。可能引用需要调整,或者确认是否有必要。不过根据示例,引用标识应放在相关段落末尾,比如在提到编译时引用,但Brainfuck通常用解释器,所以可能不需要。这里可能需要忽略该引用,或者寻找合适的点插入,比如提到实现时引用相关编译指令,但如果没有的话,可能不需要强行添加。 总结回答结构:简介、设计目标、指令集、示例代码、特点分析、相关问题。确保每个部分符合格式要求,正确使用LaTeX,代码块正确,问题相关且有助于用户深入学习。</think>### Brainfuck编程语言简介 Brainfuck是一种极简主义的**图灵完备**编程语言,由Urban Müller于1993年设计。其核心特点是仅包含8个指令符号,通过操作内存指针和字节值实现复杂功能[^1]。 #### 设计目标 - **极简主义**:仅用8个符号作为指令 - **教学价值**:展示图灵机的基本原理 - **挑战性**:编写复杂程序需高度抽象思维 #### 指令集 | 符号 | 功能 | |------|--------------------------| | `>` | 指针右移 | | `<` | 指针左移 | | `+` | 当前内存单元值$+1$ | | `-` | 当前内存单元值$-1$ | | `.` | 输出当前字节的ASCII字符 | | `,` | 输入一个字节到当前单元 | | `[` | 循环开始(值非零时执行) | | `]` | 循环结束 | #### 示例:输出"Hello World" ```brainfuck ++++++++[>++++[>++>+++>+++>+<<<<-]>+>+>->>+[<]<-]>>.>---.+++++++..+++.>>.<-.<.+++.------.--------.>>+.>++. ``` 代码解析: 1. 初始化第一个内存单元为8(`++++++++`) 2. 使用嵌套循环构建字符的ASCII值: $$[>++++[...]]$$ 3. 通过指针移动和值调整输出每个字符 #### 语言特点 1. **低可读性**:符号无直观语义关联 2. **内存模型**:包含30000个初始化为0的字节单元 3. **扩展机制**:可通过组合指令实现复杂操作 - 例如`>>+++`表示右移两次后加3 4. **输入/输出**:仅支持单个字符的ASCII操作
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