Python 中的 Brainf**k 解释器

什么是 Brainf**k语言？

Brainf**k 语言是一种极小化的、被设计用来作为计算机代码最小化编译器的程序语言。它是由 Urban Müller 发明于1993年的。

它是一种基于寄存器的 CPU 模型，该模型有以下八种指令：

| 操作符 | 描述 | | ------ | --------------------------------------------------------- | | > | 将数据指针向右移动一格，向前指向下一个内存单元 | | < | 将数据指针向左移动一格，向后指向上一个内存单元 | | + | 将指向的内存单元中的数据加 1 | | - | 将指向的内存单元中的数据减 1 | | . | 输出指向的内存单元中的数据为 ASCII 码对应的字符 | | , | 从输入流中读入一个字符，并将其写入指向的内存单元 | | [ | 如果指向的内存单元中存储的是零值，则执行下一条指令；否则向后跳转到对应的 ] 指令 | | ] | 如果指向的内存单元中存储的不是零值，则执行下一条指令；否则向前跳转到对应的 [ 指令 |

这些操作符构成了 Brainf**k 语言的语法。

解释器实现

以下是一个简单的 Brainf**k 解释器，它能够读入 Brainf**k 代码并执行。解释器采用 Python 语言实现，代码如下：

class Brainfuck:

    def __init__(self):
        self.memory = [0] * 30000
        self.pointer = 0
        self.instructions = ''
        self.inst_pointer = 0
        self.bracket_map = {}

    def evaluate(self, code):
        self.instructions = self._sanitize(code)
        self._map_brackets()
        self._execute()

    def _sanitize(self, code):
        return ''.join(filter(lambda x: x in '+-<>.,[]', code))

    def _map_brackets(self):
        stack = []
        for i, c in enumerate(self.instructions):
            if c == '[':
                stack.append(i)
            elif c == ']':
                j = stack.pop()
                self.bracket_map[i] = j
                self.bracket_map[j] = i

    def _execute(self):
        while self.inst_pointer < len(self.instructions):
            cmd = self.instructions[self.inst_pointer]

            if cmd == '>':
                self.pointer += 1
            elif cmd == '<':
                self.pointer -= 1
            elif cmd == '+':
                self.memory[self.pointer] += 1
            elif cmd == '-':
                self.memory[self.pointer] -= 1
            elif cmd == '.':
                print(chr(self.memory[self.pointer]), end='')
            elif cmd == ',':
                self.memory[self.pointer] = ord(input()[0])
            elif cmd == '[' and self.memory[self.pointer] == 0:
                self.inst_pointer = self.bracket_map[self.inst_pointer]
            elif cmd == ']' and self.memory[self.pointer] != 0:
                self.inst_pointer = self.bracket_map[self.inst_pointer]

            self.inst_pointer += 1

这个解释器包含一个 Brainfuck 类，它有以下几个方法：

• __init__(self)：构造函数，初始化内存、指针、代码、指令指针和括号映射表等信息
• evaluate(self, code)：解析并执行代码
• _sanitize(self, code)：过滤掉代码中的非法字符
• _map_brackets(self)：构建代码中括号的映射表
• _execute(self)：执行单条指令，循环直到指令执行完毕

使用这个解释器可以运行 Brainf**k 代码，例如以下代码可以输出 hello world。

code = '''
++++++++[>++++[>++>+++>+++>+<<<<-]>+>+>->>+[<]<-]>>.>---.
+++++++..+++.>>.<-.<.+++.------.--------.>>+.>++.
'''
bf = Brainfuck()
bf.evaluate(code)

总结

Brainf**k 语言不常用，但是它的设计思想具有借鉴意义。Brainf**k 解释器的实现过程可以让程序员加深对 CPU 工作原理和编译器实现的理解，增强编程能力。