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） 直譯器（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，程式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。
“腦洞大開”的語言 —— BF 簡介
BrainFuck（後文以簡寫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。她屬於 Esolang（全稱 Esoteric programming language，直譯：深奧的程式語言） 的範疇。
BF誕生於上世紀30年代，曾運用於早期的 PC（Amiga），想詳細瞭解的童鞋可以瀏覽 維基百科。
BF 在當下有什麼應用場景呢？
我想，對一個吃瓜群眾來說，瞭解了它，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瞭解下下）和功能齊全（圖靈完全）的特點，旨在為使用者帶來困惑和挑戰，豐富勞動人民的業餘生活。
8 種運算子及其操作
BF 作為一種極簡的計算機語言，僅有8種運算子，分別為: < > + - , . [ ]，其功能對照如下表所示：
| 指令 | 含義 |
|---|---|
< |
指標減一（指標左移） |
> |
指標加一（指標右移） |
+ |
指標指向的位元組的值加一（當前單元的數值+1） |
- |
指標指向的位元組的值減一（當前單元的數值-1） |
, |
輸入內容到指標指向的單元（輸入一個字元，將其ASCII碼儲存到當前指標所指單元） |
. |
將指標指向的儲存單元的內容作為字元輸出（將ASCII碼輸出為字元） |
[ |
如果指標指向的儲存單元為零，向後跳轉到對應的 ] 指令處 |
] |
如果指標指向的儲存單元不為零，向前跳轉到對應的 [ 指令處 |
BF基於一個簡單的機器模型，除了八個指令，這個機器還包括：一個以位元組為單位、被初始化為零的陣列、一個指向該陣列的指標(初始時指向陣列的第一個位元組)、以及用於輸入輸出的兩個位元組流。
對 BF 比較有意思的比擬可以是這樣的：
- 如果把機器記憶體看成是一個無限長的“小火車”（類似於
Array或List的資料結構）,每個車廂（儲存單元）裡面的貨物預設都是數字0，列車上僅有一個列車員（資料指標）； <>相當於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；+-相當於列車員對當前所在車廂的貨物進行增減；,相當於列車在裝貨，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（一個字元的ASCII碼）；.會將當前車廂裡的貨物名稱（單個字元）輸出來；[]相當於列車員在滿足條件的兩節車廂間來回移動；
這裡要注意的是，陣列的每個單元都是一個位元組大小；- 命令允許溢位，它可以用 255 個 + 命令來代替。例如，當某個儲存單元的值為 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.
與通用語言的類比
據此，BF的運算子與通用語言的類比如下（以C語言為例）：
| BrainFuck | C |
|---|---|
< |
--ptr; |
> |
++ptr; |
+ |
++*ptr; |
- |
--*ptr; |
, |
*ptr = getchar(); |
. |
putchar(*ptr); |
[ |
while (*ptr) { |
] |
} |
BF 直譯器的 JS 函式實現
程式碼奉上：
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
}
複製程式碼實現思路闡述（與程式碼中註釋的序號對應）：
(1) 我們實現了一個函式 brainLuck 用以模擬 BF 語言的解釋執行，函式 brainLuck 的用例如下：
const code = ',+[-.,+]';
const input = 'Parksben' + String.fromCharCode(255);
const output = brainLuck(code, input);
console.log(output); // -> 'Parksben'
複製程式碼(2) 將輸入的字串切割為單個字元，暫存進陣列 inputChars；
(3) 將 BF 程式切割為單個操作符，方便遍歷每個指令，用 codeIdx 作為下標進行遍歷；
(4) 宣告一個陣列 arr 用以模擬機器記憶體，過程產生的數值儲存到此陣列中；
(5) 用字串 outputStr 儲存程式的輸出；
(6) 遍歷 BF 運算子，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) 程式輸出；