烧脑语言Brainfuck及其加减乘除

Brainfuck，文如其名，为“烧脑”而生，简称BF。
BF由Urban Müller于1993年创建，是满足图灵完备性(Turing complete)的一种极小化的计算机语言。
小到什么程度？
BF一共只有8种符号 <>+-.,[] ，编译器也只有区区200多个字节。
用BF写的程序那叫一个不忍直视，好不烧脑！
不信？猜猜下面这行BF代码是干啥用的！

>+++++++++[<++++++++>-]<.>+++++++[<++++>-]<+.+++++++…+++.[-]>++++++++[<++++>-]<.>+++++++++++[<+++++>-]<.>++++++[<++++>-]<.+++.------.--------.[-]>++++++++[<++++>-]<+.[-]++++++++++.

结果是输出下面这几个再熟悉不过的字符：

怎么突然感觉这世界有点陌生了？Oh, f**k！

指令符号

BF只有8种操作符号，对应8种指令：

字符	含义	C语言描述
>	指针前进一位	++ptr;
<	指针后退一位	--ptr;
+	指针指向的字节值加一	++*ptr;
-	指针指向的字节值减一	--*ptr;
.	输出指针所指向的字节值	putchar(*ptr);
,	输入一字节值并存储到指针所指向的字节中	*ptr = getchar();
[	如果指针的值为0，则跳过匹配的]继续向前执行	while(*ptr){
]	跳到前面匹配的[执行，直到指针的值为0	}

下面就是200多个字节的BF官方编译器代码（稍作修改），编译之后就可以运行“烧脑”的BF程序了～

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int p, r, q;
char a[5000], f[5000], b, o, *s=f;void interpret(char *c)
{char *d;int tmp;r++;while(*c){switch(o=1,*c++){case '<': p--;break;case '>':p++;break;case '+':a[p]++;break;case '-':a[p]--;break;case '.':putchar(a[p]);fflush(stdout);break;case ',':tmp = getchar();if(tmp==EOF)a[p]=0;elsea[p]=tmp;break;case '[':for(b=1,d=c; b && *c; c++){if(*c=='[')b += 1;else if(*c==']')b -= 1;}if(b==0){*(c-1)=0;while(a[p])interpret(d);*(c-1)=']';break;}case ']':puts("UNBALANCED BRACKETS");exit(0);default:o=0;}if(p<0||p>100){puts("RANGE ERROR");exit(0);}}r--;
}int main(int argc, char* argv[])
{FILE* z;q=argc;if((z=fopen(argv[1], "r"))){while((b=getc(z))>0){*s++ = b;}*s=0;interpret(f);}return 0;
}

简单例子

1. 将指针当前位置的值清零：

[-]

2. 将当前指针以及之前位置的值都清零：

[[-]<]

3. 从键盘读取一个ASCII字符并输出到屏幕上：

一位数的加减乘除

1. 加法

BF代码：

,>++++++[<-------->-],[<+>-]<.,.

说明：
BF指针每次只读写一个字节，即一个ASCII字符，当用户输入“a+b”(a,b均为个位数)，BF将在字节中存入字符对应的ASCII值，所以这个字节中存储的值并不等于该数字，而是比数字大48，因为“0”的ASCII值是48，所以a+b要减去一个48才能得到正确的ASCII字符。
比如：“3”的ASCII值为51，“5”的ASCII值为53，51-48+53=3+53=56，这正是“8”的ASCII值。而如果直接把“3”和“5”的ASCII值相加，则得51+53=104，对应的ASCII字符是“h”。
你可以在BF代码里面写48个减号，但这样就太不雅观了而且很容易出错，考虑48=6x8，所以可以先定义一个字节c=6，然后用一个while循环，每次c减1, a减8，这样当c减为0时a刚好减了48，代码就是：>++++++[<-------->-]，这时a的字节存储的值才等于真正的数字a，而b字节存储的仍是数字b的ASCII符号的值，这时把a,b两个字节的值相加，就能够得到数字a+b的正确ASCII字符：[<+>-]<.
最后的,.是读取换行符然后在打印结果后输出一个换行。

【测试】

2. 减法

BF代码：

,>,>++++++[<-------->-]<[<->-]<.,.

【测试】

3. 乘法

BF代码：

,>,>++++++++[<------<------>>-]<<[>[>+>+<<-]>>[<<+>>-]<<<-]>>>++++++++[<++++++>-]<.,.

【测试】

4. 除法

先写一个整除的BF程序：

,>,>++++++++[<------<------>>-]<<[>[<->->+<]>[<+>-]>+<<<]>>>>++++++++[<++++++>-]<.,.

【测试】

但是遇到不能整除的情况，结果就不对了。

因为BF的除法是用减法来实现的，比如计算a/b，不断地 --b, --a，当b为0的时候再复位b，并将一个计数位c加一，然后再次运行 --b, --a，这里有两个while循环，外循环的终止条件是a=0，内循环的终止条件是b=0，如果a,b同时为0（b整除a），此时内外循环同时结束，读取计数位c的值就是商。但是如果b不整除a，由于内循环只判断b是否为0而不判断a是否为0，所以会导致a为负数因而外循环不会正常结束或者出错，我们需要在内循环中每一步也要判断a是否为0，而BF语言并没有if-else这样的条件分支语句，这就是处理非整除情况的难点。
经过一番苦思冥想，我终于想到了一个办法。
先在输入开头预留5个字节（01000），考虑在内循环再嵌入一个微循环，该循环在做完 --a之后判断a是否为0，如果a不为0则进入微循环[>>>>>]指针右移5个字节至一个空字节，微循环结束，接着执行<<<<左移4个字节，整体效果就相当于右移了一个字节到b，为什么要这么折腾呢？因为当a=0时指针不会进入微循环，而是直接执行<<<<左移4个字节，这时候就定位到了开头预留的第二个字节1，而指针把这个位置的值当作b，减一之后变成b=0了，内循环结束，指针把第一个字节当作a，读入a=0，所以外循环也结束，然后定位到计数位c取值即可。
这个微循环就相当于goto语句，当a=0时就跳转到预留的位置，相当于提前结束了循环，当b整除a的时候，计算结果c比正确值少1，所以程序在读入用户输入的a值后先把a加1。
以下为修改后的除法程序：

>+>>>>,+>,>++++++++[<------<------>>-]<<[>[<-[>>>>>]<<<<->+<]>[<+>-]>+<<<]>>>>>>>>>++++++++[<++++++>-]<.,.

【测试】

整除：