最近在 Codewars上做练习，某道题的内容是实现一个 brainFuck（简称BF语言） 解释器（c/python/js等等均可）。动手实践的过程还是很有趣的，中间也遇到了各种各样的问题，最终通过测试，代码也比较接近目前的 JS 高分 solution。这篇文章准备聊聊相关的一些知识和实现的细节。
“脑洞大开”的语言 —— BF 简介
BrainFuck（后文以简写BF指代），单是名字就很容易让人脑洞大开，有种不可描述的“哲学”韵味。所以如果你忍不住 google 一下相关图片的话，你会可能搜到类似下面的图片：
画面是不是已经很生动了？
BF 字面上的含义已经暗示了这是一种不太直观和容易阅读的语言，当然，在当下也不会是一种通用语言。她属于 Esolang（全称 Esoteric programming language，直译：深奥的编程语言） 的范畴。
BF诞生于上世纪30年代，曾运用于早期的 PC（Amiga），想详细了解的童鞋可以浏览 维基百科。
BF 在当下有什么应用场景呢？
我想，对一个吃瓜群众来说，了解了它，对写作 逼格 和 脑力 的提升是很有用的。BF 具有极简主义（搞设计的童鞋的不妨了解下下）和功能齐全（图灵完全）的特点，旨在为用户带来困惑和挑战，丰富劳动人民的业余生活。
8 种运算符及其操作
BF 作为一种极简的计算机语言，仅有8种运算符，分别为: < > + - , . [ ]，其功能对照如下表所示：
| 指令 | 含义 |
|---|---|
< |
指针减一（指针左移） |
> |
指针加一（指针右移） |
+ |
指针指向的字节的值加一（当前单元的数值+1） |
- |
指针指向的字节的值减一（当前单元的数值-1） |
, |
输入内容到指针指向的单元（输入一个字符，将其ASCII码保存到当前指针所指单元） |
. |
将指针指向的存储单元的内容作为字符输出（将ASCII码输出为字符） |
[ |
如果指针指向的存储单元为零，向后跳转到对应的 ] 指令处 |
] |
如果指针指向的存储单元不为零，向前跳转到对应的 [ 指令处 |
BF基于一个简单的机器模型，除了八个指令，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。
对 BF 比较有意思的比拟可以是这样的：
- 如果把机器内存看成是一个无限长的“小火车”（类似于
Array或List的数据结构）,每个车厢（存储单元）里面的货物默认都是数字0，列车上仅有一个列车员（数据指针）； -
<>相当于列车员在车厢间进行移动，只有当列车员在某节车厢时，才能对车厢的货物进行操作； -
+-相当于列车员对当前所在车厢的货物进行增减； -
,相当于列车在装货，列车员将当前所在车厢的货物替换为货运站输入的单批次货物（一个字符的ASCII码）； -
.会将当前车厢里的货物名称（单个字符）输出来； -
[]相当于列车员在满足条件的两节车厢间来回移动；
这里要注意的是，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。例如，当某个存储单元的值为 255 时，其执行指令 + 的结果为 0。类似的， 0 执行指令 - 的结果为 255.
与通用语言的类比
据此，BF的运算符与通用语言的类比如下（以C语言为例）：
| BrainFuck | C |
|---|---|
< |
--ptr; |
> |
++ptr; |
+ |
++*ptr; |
- |
--*ptr; |
, |
*ptr = getchar(); |
. |
putchar(*ptr); |
[ |
while (*ptr) { |
] |
} |
BF 解释器的 JS 函数实现
代码奉上：
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
}
实现思路阐述（与代码中注释的序号对应）：
(1) 我们实现了一个函数 brainLuck 用以模拟 BF 语言的解释执行，函数 brainLuck 的用例如下：
const code = ',+[-.,+]';
const input = 'Parksben' + String.fromCharCode(255);
const output = brainLuck(code, input);
console.log(output); // -> 'Parksben'
(2) 将输入的字符串切割为单个字符，暂存进数组 inputChars；
(3) 将 BF 程序切割为单个操作符，方便遍历每个指令，用 codeIdx 作为下标进行遍历；
(4) 声明一个数组 arr 用以模拟机器内存，过程产生的数值存储到此数组中；
(5) 用字符串 outputStr 存储程序的输出；
(6) 遍历 BF 运算符，对不同指令进行相应的操作；
(7) 方法 handleLeftBracket，用以匹配到与当前 [ 对应的 ]（通过操作下标 codeIdx）；
(8) 方法 handleRightBracket，用以匹配到与当前 ] 对应的 [（通过操作下标 codeIdx）；
(9) 用以处理不同指令的 switch 语句；
(10) codeIdx 加一，以向前遍历 codes；
(11) 程序输出；
延伸阅读
Brainfuck: a Programming Language or a Joke?
丹尼尔·克里斯托法尼的一些 BF 实例
深奥的编程语言 - 维基百科