Brainfuck

Brainfuck

Brainfuck，是一种极小化的计算机语言，它是由Urban Müller在1993年创建的。由於fuck在英語中是髒話，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ptr是char*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

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

• Brian Raiter, Muppetlabs. Brainfuck: 八条指令的Turing-Complete编程语言. 这个网站包括一个brainfuck程序quine.
• Panu Kalliokoski. Brainfuck档案有许多brainfuck实现、程序和quine.
• Cat's Eye Technologies. Brainfuck
• Frans Faase. BF is Turing Complete
• Brainfucked - Brainfuck Compiler