然並卵系列：來寫個 Brainfuck 直譯器吧

Lisp 是 write-only 語言？你忘記了這個圖靈完備的著名“亂碼”。

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。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）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