Python实现BrainFxxk虚拟机
Python实现BrainFxxk虚拟机
文章目录
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- Python实现BrainFxxk虚拟机
- 前言：什么是BrainFxxk？
- 内容一：BrainFxxk的字符标识
- ⚖️内容二：经典案例——打印 Hello World！
- 内容三：BrainFxxk编程中的加减乘除
- 文末推荐【3D科研绘图 · 与学术图表绘制从入门到精通】
前言：什么是BrainFxxk？
Brainfuck是一种极小化的计算机语言，它是由Urban Müller在1993年创建的。由于fuck在英语中是脏话，这种语言有时被称为brainf*ck或brainf**k，甚至被简称为BF。
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、符合图灵完全思想的编程语言。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。
这种语言，是一种按照“Turing complete（图灵完备）”思想设计的语言，它的主要设计思路是：用最小的概念实现一种“简单”的语言，BrainF**k 语言只有八种符号，所有的操作都由这八种符号的组合来完成。
内容一：BrainFxxk的字符标识
Brainfuck基于这样一台机器。它具有一列初始化为0的数组（数组长度最初要求是30,000，但这个标准不是必要的）和一个初始指向第一个元素的指针。
❤️该语言总共只有8个命令，除此之外所有其他字符都会被忽略
><+-.,[]
下面是这八种状态的描述，其中每个状态由一个字符标识：
⚖️内容二：经典案例——打印 Hello World！
了解了关于BrainFuck的一些基本知识，接下来我们试着输出 Hello World！
1️⃣首先，如何用BF换行？
需要注意的是，BF标准规定换行符使用’\n’(10)而非’\r’(13)，所以现在我们需要输出一个10。我们使用+和.两个命令
++++++++++.
这样我们就成功换行。
2️⃣但接着问题就来了，如果我要打印一个’A’(65)怎么办？写65个+？估计这样的话键盘磨损很快吧（当然如果你用程序输出程序当我没说）
这种时候，我们就需要使用乘法了。65=8*8+1，而乘法可以使用循环写，我们再引入其他几个命令。
++++++++[>++++++++<-]>+.
看这个程序，其先将当前位置加8，然后循环运行右移加8左移减1直到左侧单元为0，然后右移加1，就获得了65。这实际上就是将8加8次然后加1。用类似的方法可以大大压缩程序大小。
有了这些知识储备，我们就可以写一个输出"Hello, World!"的程序了
++++++++[>+++++++++<-]>.>>++++++++++[<++++++++++>-]<+.+++++++..+++.>>++++[<+++++++++++>-]<.------------.<<<+++[>+++++<-]>.>.+++.------.--------.>+.(147)
括号里就是整个程序的长度，如你所见，这是很简单的。
为了方便大家理解，我将分析过程也放在下面了
1. ++++++++++ ，将 *ptr0 置为 10，用作后面循环的条件。
2. [>+++++++>++++++++++>+++>+<<<<-] ，循环 10 次，每次执行
*(ptr0 + 1) += 7
*(ptr0 + 2) += 10
*(ptr0 + 3) += 3
*(ptr0 + 4) += 1
当循环完后
*(ptr0 + 1) = 70
*(ptr0 + 2) = 100
*(ptr0 + 3) = 30
*(ptr0 + 4) = 10
3. >++.>+.+++++++..+++.>++.<<+++++++++++++++.>.+++.------.--------.>+.>. ，
这一串就是通过加减得到每个字母对应的 ascii 码，然后将其打印出来，大致过程如下
初始值:
*(ptr0 + 1) = 70
*(ptr0 + 2) = 100
*(ptr0 + 3) = 30
*(ptr0 + 4) = 10
代码计算过程：
*(ptr0 + 1) = 72 输出 'H'
*(ptr0 + 2) = 101 输出 'e'
*(ptr0 + 2) = 108 输出 'l'
*(ptr0 + 2) = 108 输出 'l'
*(ptr0 + 2) = 111 输出 'o'
*(ptr0 + 3) = 32 输出 ' '
*(ptr0 + 1) = 87 输出 'W'
*(ptr0 + 2) = 111 输出 'o'
*(ptr0 + 2) = 114 输出 'r'
*(ptr0 + 2) = 108 输出 'l'
*(ptr0 + 2) = 100 输出 'd'
*(ptr0 + 3) = 33 输出 '!'
*(ptr0 + 4) = 10 输出 '\n'
3️⃣最后我们使用Python来模拟这个过程【代码如下】
import sys
def mtd(code):
data = [0 for i in range(1000)]
pc = 0
ptr = 0
skip_loop = False
bracket_count = 0
stack = []
while pc < len(code):
c = code[pc]
if skip_loop :
if c =='[':
bracket_count+=1
elif c==']':
bracket_count -=1
if bracket_count==0:
skip_loop =False
pc+=1
continue
if c == '>':
ptr +=1
pc +=1
elif c == '<':
ptr -=1
pc +=1
elif c == '+':
data[ptr] +=1
pc +=1
elif c == '-':
data[ptr] -=1
pc +=1
elif c == '.':
print(chr(data[ptr]),end="")
pc +=1
elif c == ',':
pc +=1
elif c == '[':
if data[ptr] == 0:
#nonlocal bracket_count,skip_loop
bracket_count = 1
skip_loop = True
pc+=1
else:
pc+=1
stack.append(pc)
elif c == ']':
if data[ptr] == 0:
pc+=1
stack.pop()
else:
pc = stack[len(stack)-1]
code = input("请输入一串代码：")
mtd(code)
让我们把上述的代码导入看看是什么样的结果吧！
很明显，我们已经成功做到了！
内容三：BrainFxxk编程中的加减乘除
1. x=0
x[-]
我们只需要把变量循环减到0就好了
2. x=y
x[-]tmp[-]y[x+tmp+y-]tmp[y+tmp-]x
我们可以设置一个中间变量tmp，把y同时复制到x和tmp，再把tmp复制回y。
3. x+=y
tmp[-]y[x+tmp+y-]tmp[y+tmp-]x
只需要把x=y中的清空x变量删去即可。
那么x=y+z怎么办？我们可以分别运行x=y，x+=z。这样我们就获得了结果。
4. x-=y
tmp[-]y[x-tmp+y-]tmp[y+tmp-]x
类似x+=y不解释
5.x*=y
x*y可以写作y个x相加，我们可以使用上述for循环，即
for(tmp=x,x=0;tmp;--tmp){
x+=y;
}
翻译一下即得
tmp0[-]tmp1[-]x[tmp1+x-]tmp1[y[tmp0+x+y-]tmp0[y+tmp0-]tmp1-]x
6. x/=y
tmp0=x,x=0;
tmp1=0;
while(tmp0){
for(tmp1=y;tmp1;--tmp1){
--tmp0;
if(tmp0==0){
--tmp1;
if(tmp1){ //如果tmp0==0时tmp1!=0，说明没有整除，x要减掉一个后面多加的1
--x;
tmp1=0;
}
++tmp1;
}
}
++x;
}
翻译后
tmp0[-]tmp1[-]tmp2[-]tmp3[-]x[tmp0+x-]tmp0[y[tmp1+tmp2+y-]tmp2[y+tmp2-]tmp1[tmp2+tmp0-[tmp2-tmp0[tmp3+tmp0-]]tmp3[tmp0+tmp3-]tmp2[tmp1-[x-tmp1[-]]+tmp2[-]]tmp1-]x+tmp0]x
因此我们可以在上述代码的基础上，改写一个减法虚拟机
import sys
def mtd(x,y,code):
data = [0 for i in range(1000)]
data[0] = int(x)
data[1] = int(y)
if(data[0]<data[1]):
t = 0;
t = data[0]
data[0] = data[1]
data[1] = t
pc = 0
ptr = 0
skip_loop = False
bracket_count = 0
stack = []
while pc < len(code):
c = code[pc]
if skip_loop :
if c =='[':
bracket_count+=1
elif c==']':
bracket_count -=1
if bracket_count==0:
skip_loop =False
pc+=1
continue
if c == '>':
ptr +=1
pc +=1
elif c == '<':
ptr -=1
pc +=1
elif c == '+':
data[ptr] +=1
pc +=1
elif c == '-':
data[ptr] -=1
pc +=1
elif c == '.':
print(chr(data[ptr]),end="")
pc +=1
elif c == ',':
pc +=1
elif c == '[':
if data[ptr] == 0:
#nonlocal bracket_count,skip_loop
bracket_count = 1
skip_loop = True
pc+=1
else:
pc+=1
stack.append(pc)
elif c == ']':
if data[ptr] == 0:
pc+=1
stack.pop()
else:
pc = stack[len(stack)-1]
print((data[0]), end="")
x = input("请输入数字一：")
y = input("请输入数字二：")
code = '>>[-]<[<->>+<-]>[<+>-]<<' ## x=x-y
mtd(x,y,code)
运行一下发现确实实现了想要的效果
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李浩东，复旦大学高分子专业博士，国内最大的3D科研绘图微信公众号“3D科研绘图”主笔，杭州思斐迩科技有限公司联合创始人之一、设计总监。曾为全球上百家高校和科研机构提供设计服务，包括中科院、清华、北大、MIT、Stanford、ETHZurich、EPFL等，设计作品被Science、Nature、JACS、Angew等知名期刊选用。目前已为浙江大学、同济大学、上海科技大学、武汉大学、中科院大连化物所、山西煤化所、青岛生物能源所等单位提供专业绘图讲座和培训，线上线下总受众数超十万人。
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