在前言中我们提到了一种语言，brainfuck。接下来的几篇里，我们将详细介绍这种语言，并使用其进行结构化编程。

背景

        1993年，一个叫做FALSE的Esolang出现了，它是图灵完备的，而且最初的编译器只有1024个字节。这种语言影响了后来的许多Esolang，比如Befunge和我们今天要谈到的brainfuck。

        同样是在1993年，Urban Müller发现了这个编译器极小的语言后，想要更上一层楼，发明一个使用更小体积编译器的语言。于是一个只需要240字节的编译器横空出世。后来Brain Raiter更是写出了一个只需要171字节的编译器。[3]

        这种语言是图灵完备的。事实上，现在证明图灵完备的方法之一就是写出一个brainfuck解释器(就是不知道这种方法学不学术……)。

        Müller将其命名为brainfuck。然而，由于众所周知的原因，该语言的名称常被隐去，取而代之的是brainf*ck、bf、brainoof等等。如果要中文翻译的话，脑操真的挺适合的，不管是直译还是意译。

        Brainfuck，官方建议是除了句子开头以外全部用小写，不过大写问题也不大。

语言概述

        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><+-.,[]

        以下是每一个命令的含义以及对应的C语句（p是一个char*）：

解释器

        fatiherikli写了一个解释器，拥有27个上限为255的存储单元，运行代码时可以看到当前运行命令和各个单元的数值。

        网址：http://fatiherikli.github.io/brainfuck-visualizer

        这里还有一个解释器，支持负的数组下标，数组长度也不只局限于27，但是没有过程显示。

        网址：https://tio.run/#brainfuck#

        还能搜到其他一些解释器。而且由于brainfuck本身不难，写一个解释器也不是什么难事。在学Brainfuck的时候，开个解释器很有必要。与之同样必要的还有ASCII码表，除非你已经背下来了。

输出Hello， World！

        当拿到一种新的语言时，作为惯例，第一个程序永远是打印一个Helloworld。不过在那之前，我们先了解一些知识。

        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。

        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。

        但是，brainfuck之所以被称为脑操，不仅是因为它的直译，还因为这玩意儿就像智力游戏一样，极度耗脑子。用BF的人们以压缩程序长度为乐，而有时候极度困难的。比如说，下面就是一个更短的输出"Hello, World"的bf程序。

++++++++[>++++[>++>+++>+++>+>+<<<<<-]>+>+>->+[<]<-]>>.>---.+++++++..+++.>>++++.>.<<-.<.+++.------.--------.>>>+.(112)

        这程序比起上面我写的看起来就有点复杂了。没事，咱们一点一点分析

1. >++++[>++>+++>+++>+>+<<<<<-]

   这一段话结束后从第二个元素开始会是0 8 12 12 4 4，指针在第二个元素上

2. >+>+>->+

   这段话结束后是0 9 13 11 5 4

3. [<]

   向左移到第一个为0的元素，即第二个元素

4. ++++++++[>++++[>++>+++>+++>+>+<<<<<-]>+>+>->+[<]<-]

   将8乘上上述数列，结果从第一个元素开始为0 0 72 104 88 40 32

5. >>.>---.+++++++..+++.>>++++.>.<<-.<.+++.------.--------.>>>+.

   然后分别加上或减去偏移量输出。

        实际上，如果我们放宽限制，或者考虑上BF的其他特性，我们还能得到更短的程序。

        比如，如果元素的值没有范围限制且允许负数，那么我们可以写出如下程序[4]

(>>>>>>>>>>>>>>>>)+[+[<<<+>>>>]+<-<-<<<+<++]<<.<++.<++..+++.<<++.<---.>>.>.+++.------.>-.>>--.(76(92))

--->->->>+>+>>+[++++[>+++[>++++>-->+++<<<-]<-]<+++]>>>.>-->-.>..+>++++>+++.+>-->[>-.<<](87)

        第一个程序使用了负的数组下标，长度旁边括号里的数字是加上最开始移位后程序的长度。

        再比如，如果我们规定超出0~255范围的数字需要取模255（这实际上是大部分解释器规定的），我们还有如下三个程序。[4][5]

(>>>>)--<-<<+[+[<+>--->->->-<<<]>]<<--.<++++++.<<-..<<.+.>>.>>.<<<.+++.>>.>>-.<<<+.(78(82))

(>)-[++[<++>->+++>++<<]---->+]<<<<.<<<<-.<..<<+.<<<<.>>.>>>-.<.+++.>>.>-.<<<<<+.(78(79))

(>>>>>)+[-->-[>>+>-----<<]<--<---]>-.>>>+.>>..+++[.>]<<<<.+++.------.<<-.>>>>+.(72(77))

        不过上面两个程序实在是运行时间太久了，所需的数组长度也非常长。与上面两个相比，最底下那个简直可以称之为优美。它是由KSab用C++程序暴力破解出来的。这个可以在上面提到的fatiherikli的解释器中运行，强烈建议输进去欣赏一下。

        所以BF真的挺废脑子的，你永远也不知道一个更简单的程序可能会长啥样。这可能就是BF的魅力之一吧。

参考：

[1]brainfuck - Esolang https://esolangs.org/wiki/Brainfuck

[2]The Brainfuck Programming Language http://www.muppetlabs.com/~breadbox/bf/

[3]Basics of Brainfuck https://gist.github.com/roachhd/dce54bec8ba55fb17d3a#file-readme-md

[4]code golf - "Hello, World!" - Code Golf Stack Exchange https://codegolf.stackexchange.com/questions/55422/hello-world/163590#163590

[5]code golf - "Hello, World!" - Code Golf Stack Exchange https://codegolf.stackexchange.com/questions/55422/hello-world/68494#68494

[6]Github:ksabry/bfbrute https://github.com/ksabry/bfbrute