Python实现BrainFxxk虚拟机

Python实现BrainFxxk虚拟机

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👨‍🏫前言：什么是BrainFxxk？

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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。

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👨‍🔬内容一：BrainFxxk的字符标识

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👉 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：

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👨‍⚖️内容二：经典案例——打印 Hello World！

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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'
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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)
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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！

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👨‍💻内容三：BrainFxxk编程中的加减乘除

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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

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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)
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运行一下发现确实实现了想要的效果😆😆😆

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