用C语言编写的Brainfuck口译员

我是C语言的初学者。我习惯于使用高级语言（Java，Python，JS等），这是我第一个使用低级语言的项目。鉴于我的Python实现非常慢，因此我写了一个简单的Brainfuck解释器。

代码如下：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <stdbool.h>

unsigned char mem[30000] = {0};
unsigned char* ptr = mem;

void goToLoopEnd(char** ip) {
    int searching = 1;

    while (searching > 0) {
        (*ip)++;

        switch (**ip) {
            case '[':
                searching++;
                break;
            case ']':
                searching--;
                break;
            default:
                break;
        }
    }
}

void goToLoopStart(char** ip) {
    int searching = 1;

    while (searching > 0) {
        (*ip)--;

        switch (**ip) {
            case ']':
                searching++;
                break;
            case '[':
                searching--;
                break;
            default:
                break;
        }
    }
}

void interpret(char* code) {
    char* ip;

    for (ip = code; *ip != 'q4312078q'; ip++) {
        switch (*ip) {
            case '>':
                ptr++;
                break;
            case '<':
                ptr--;
                break;
            case '+':
                (*ptr)++;
                break;
            case '-':
                (*ptr)--;
                break;
            case '.':
                putchar(*ptr);
                break;
            case ',':
                *ptr = getchar();
                break;
            case '[':
                if (*ptr == 0) {
                    goToLoopEnd(&ip);
                }
                break;
            case ']':
                if (*ptr != 0) {
                    goToLoopStart(&ip);
                }
                break;
            default:
                break;
        }
    }
}

int main() {
    // Set to interpret a mandelbrot set fractal viewer in brainfuck written by Erik Bosman.
    interpret("+++++++++++++[->++>>>+++++>++>+<<<<<<]>>>>>++++++>--->>>>>>>>>>+++++++++++++++[[>>>>>>>>>]+[<<<<<<<<<]>>>>>>>>>-]+[>>>>>>>>[-]>]<<<<<<<<<[<<<<<<<<<]>>>>>>>>[-]+<<<<<<<+++++[-[->>>>>>>>>+<<<<<<<<<]>>>>>>>>>]>>>>>>>+>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>+<<<<<<<<<<<<<<<<<[<<<<<<<<<]>>>[-]+[>>>>>>[>>>>>>>[-]>>]<<<<<<<<<[<<<<<<<<<]>>>>>>>[-]+<<<<<<++++[-[->>>>>>>>>+<<<<<<<<<]>>>>>>>>>]>>>>>>+<<<<<<+++++++[-[->>>>>>>>>+<<<<<<<<<]>>>>>>>>>]>>>>>>+<<<<<<<<<<<<<<<<[<<<<<<<<<]>>>[[-]>>>>>>[>>>>>>>[-<<<<<<+>>>>>>]<<<<<<[->>>>>>+<<+<<<+<]>>>>>>>>]<<<<<<<<<[<<<<<<<<<]>>>>>>>>>[>>>>>>>>[-<<<<<<<+>>>>>>>]<<<<<<<[->>>>>>>+<<+<<<+<<]>>>>>>>>]<<<<<<<<<[<<<<<<<<<]>>>>>>>[-<<<<<<<+>>>>>>>]<<<<<<<[->>>>>>>+<<+<<<<<]>>>>>>>>>+++++++++++++++[[>>>>>>>>>]+>[-]>[-]>[-]>[-]>[-]>[-]>[-]>[-]>[-]<<<<<<<<<[<<<<<<<<<]>>>>>>>>>-]+[>+>>>>>>>>]<<<<<<<<<[<<<<<<<<<]>>>>>>>>>[>->>>>[-<<<<+>>>>]<<<<[->>>>+<<<<<[->>[-<<+>>]<<[->>+>>+<<<<]+>>>>>>>>>]<<<<<<<<[<<<<<<<<<]]>>>>>>>>>[>>>>>>>>>]<<<<<<<<<[>[->>>>>>>>>+<<<<<<<<<]<<<<<<<<<<]>[->>>>>>>>>+<<<<<<<<<]<+>>>>>>>>]<<<<<<<<<[>[-]<->>>>[-<<<<+>[<->-<<<<<<+>>>>>>]<[->+<]>>>>]<<<[->>>+<<<]<+<<<<<<<<<]>>>>>>>>>[>+>>>>>>>>]<<<<<<<<<[<<<<<<<<<]>>>>>>>>>[>->>>>>[-<<<<<+>>>>>]<<<<<[->>>>>+<<<<<<[->>>[-<<<+>>>]<<<[->>>+>+<<<<]+>>>>>>>>>]<<<<<<<<[<<<<<<<<<]]>>>>>>>>>[>>>>>>>>>]<<<<<<<<<[>>[->>>>>>>>>+<<<<<<<<<]<<<<<<<<<<<]>>[->>>>>>>>>+<<<<<<<<<]<<+>>>>>>>>]<<<<<<<<<[>[-]<->>>>[-<<<<+>[<->-<<<<<<+>>>>>>]<[->+<]>>>>]<<<[->>>+<<<]<+<<<<<<<<<]>>>>>>>>>[>>>>[-<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<+>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>]>>>>>]<<<<<<<<<[<<<<<<<<<]>>>>>>>>>+++++++++++++++[[>>>>>>>>>]<<<<<<<<<-<<<<<<<<<[<<<<<<<<<]>>>>>>>>>-]+>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>+<<<[<<<<<<<<<]>>>>>>>>>[>>>[-<<<->>>]+<<<[->>>->[-<<<<+>>>>]<<<<[->>>>+<<<<<<<<<<<<<[<<<<<<<<<]>>>>[-]+>>>>>[>>>>>>>>>]>+<]]+>>>>[-<<<<->>>>]+<<<<[->>>>-<[-<<<+>>>]<<<[->>>+<<<<<<<<<<<<[<<<<<<<<<]>>>[-]+>>>>>>[>>>>>>>>>]>[-]+<]]+>[-<[>>>>>>>>>]<<<<<<<<]>>>>>>>>]<<<<<<<<<[<<<<<<<<<]<<<<<<<[->+>>>-<<<<]>>>>>>>>>++++++++++++++++++++++++++>>[-<<<<+>>>>]<<<<[->>>>+<<[-]<<]>>[<<<<<<<+<[-<+>>>>+<<[-]]>[-<<[->+>>>-<<<<]>>>]>>>>>>>>>>>>>[>>[-]>[-]>[-]>>>>>]<<<<<<<<<[<<<<<<<<<]>>>[-]>>>>>>[>>>>>[-<<<<+>>>>]<<<<[->>>>+<<<+<]>>>>>>>>]<<<<<<<<<[<<<<<<<<<]>>>>>>>>>[>>[-<<<<<<<<<+>>>>>>>>>]>>>>>>>]<<<<<<<<<[<<<<<<<<<]>>>>>>>>>+++++++++++++++[[>>>>>>>>>]+>[-]>[-]>[-]>[-]>[-]>[-]>[-]>[-]>[-]<<<<<<<<<[<<<<<<<<<]>>>>>>>>>-]+[>+>>>>>>>>]<<<<<<<<<[<<<<<<<<<]>>>>>>>>>[>->>>>>[-<<<<<+>>>>>]<<<<<[->>>>>+<<<<<<[->>[-<<+>>]<<[->>+>+<<<]+>>>>>>>>>]<<<<<<<<[<<<<<<<<<]]>>>>>>>>>[>>>>>>>>>]<<<<<<<<<[>[->>>>>>>>>+<<<<<<<<<]<<<<<<<<<<]>[->>>>>>>>>+<<<<<<<<<]<+>>>>>>>>]<<<<<<<<<[>[-]<->>>[-<<<+>[<->-<<<<<<<+>>>>>>>]<[->+<]>>>]<<[->>+<<]<+<<<<<<<<<]>>>>>>>>>[>>>>>>[-<<<<<+>>>>>]<<<<<[->>>>>+<<<<+<]>>>>>>>>]<<<<<<<<<[<<<<<<<<<]>>>>>>>>>[>+>>>>>>>>]<<<<<<<<<[<<<<<<<<<]>>>>>>>>>[>->>>>>[-<<<<<+>>>>>]<<<<<[->>>>>+<<<<<<[->>[-<<+>>]<<[->>+>>+<<<<]+>>>>>>>>>]<<<<<<<<[<<<<<<<<<]]>>>>>>>>>[>>>>>>>>>]<<<<<<<<<[>[->>>>>>>>>+<<<<<<<<<]<<<<<<<<<<]>[->>>>>>>>>+<<<<<<<<<]<+>>>>>>>>]<<<<<<<<<[>[-]<->>>>[-<<<<+>[<->-<<<<<<+>>>>>>]<[->+<]>>>>]<<<[->>>+<<<]<+<<<<<<<<<]>>>>>>>>>[>>>>[-<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<+>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>]>>>>>]<<<<<<<<<[<<<<<<<<<]>>>>>>>>>[>>>[-<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<+>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>]>>>>>>]<<<<<<<<<[<<<<<<<<<]>>>>>>>>>+++++++++++++++[[>>>>>>>>>]<<<<<<<<<-<<<<<<<<<[<<<<<<<<<]>>>>>>>>>-]+[>>>>>>>>[-<<<<<<<+>>>>>>>]<<<<<<<[->>>>>>>+<<<<<<+<]>>>>>>>>]<<<<<<<<<[<<<<<<<<<]>>>>>>>>>[>>>>>>[-]>>>]<<<<<<<<<[<<<<<<<<<]>>>>+>[-<-<<<<+>>>>>]>[-<<<<<<[->>>>>+<++<<<<]>>>>>[-<<<<<+>>>>>]<->+>]<[->+<]<<<<<[->>>>>+<<<<<]>>>>>>[-]<<<<<<+>>>>[-<<<<->>>>]+<<<<[->>>>->>>>>[>>[-<<->>]+<<[->>->[-<<<+>>>]<<<[->>>+<<<<<<<<<<<<[<<<<<<<<<]>>>[-]+>>>>>>[>>>>>>>>>]>+<]]+>>>[-<<<->>>]+<<<[->>>-<[-<<+>>]<<[->>+<<<<<<<<<<<[<<<<<<<<<]>>>>[-]+>>>>>[>>>>>>>>>]>[-]+<]]+>[-<[>>>>>>>>>]<<<<<<<<]>>>>>>>>]<<<<<<<<<[<<<<<<<<<]>>>>[-<<<<+>>>>]<<<<[->>>>+>>>>>[>+>>[-<<->>]<<[->>+<<]>>>>>>>>]<<<<<<<<+<[>[->>>>>+<<<<[->>>>-<<<<<<<<<<<<<<+>>>>>>>>>>>[->>>+<<<]<]>[->>>-<<<<<<<<<<<<<<+>>>>>>>>>>>]<<]>[->>>>+<<<[->>>-<<<<<<<<<<<<<<+>>>>>>>>>>>]<]>[->>>+<<<]<<<<<<<<<<<<]>>>>[-]<<<<]>>>[-<<<+>>>]<<<[->>>+>>>>>>[>+>[-<->]<[->+<]>>>>>>>>]<<<<<<<<+<[>[->>>>>+<<<[->>>-<<<<<<<<<<<<<<+>>>>>>>>>>[->>>>+<<<<]>]<[->>>>-<<<<<<<<<<<<<<+>>>>>>>>>>]<]>>[->>>+<<<<[->>>>-<<<<<<<<<<<<<<+>>>>>>>>>>]>]<[->>>>+<<<<]<<<<<<<<<<<]>>>>>>+<<<<<<]]>>>>[-<<<<+>>>>]<<<<[->>>>+>>>>>[>>>>>>>>>]<<<<<<<<<[>[->>>>>+<<<<[->>>>-<<<<<<<<<<<<<<+>>>>>>>>>>>[->>>+<<<]<]>[->>>-<<<<<<<<<<<<<<+>>>>>>>>>>>]<<]>[->>>>+<<<[->>>-<<<<<<<<<<<<<<+>>>>>>>>>>>]<]>[->>>+<<<]<<<<<<<<<<<<]]>[-]>>[-]>[-]>>>>>[>>[-]>[-]>>>>>>]<<<<<<<<<[<<<<<<<<<]>>>>>>>>>[>>>>>[-<<<<+>>>>]<<<<[->>>>+<<<+<]>>>>>>>>]<<<<<<<<<[<<<<<<<<<]>>>>>>>>>+++++++++++++++[[>>>>>>>>>]+>[-]>[-]>[-]>[-]>[-]>[-]>[-]>[-]>[-]<<<<<<<<<[<<<<<<<<<]>>>>>>>>>-]+[>+>>>>>>>>]<<<<<<<<<[<<<<<<<<<]>>>>>>>>>[>->>>>[-<<<<+>>>>]<<<<[->>>>+<<<<<[->>[-<<+>>]<<[->>+>+<<<]+>>>>>>>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    return 0;
}
```

当您成为经验丰富的C程序员后，我期待您的来信！ :-)

对于循环：将循环的起始位置放在每个[遇到，然后在]上检查堆栈的最高地址（并在单元格中的0弹出堆栈）是否更好？ IMO，它将减少goToLoop函数中的遍历次数。

这很好！一个建议：将内存和指令指针包装到“ BrainFuckVM”结构中。这样可以整理代码，并允许您在函数上使用一些更强大的类型签名。另外，您可以从那里开始欣赏并添加快照以保存/恢复虚拟机状态，还可以添加“撤消”以在处理中及时返回，等等！

幸运的是……我前不久问了我的事，我得拿出一笔赏金才能得到任何东西。

#1 楼

这是一个简单解释器的相当合理的开始。爱德华的建议都是好的。其他一些建议：

interpret("+++++++++++++[->....

请把那条长线分开。 C允许您分解文字字符串

"like "
"this."

void goToLoopEnd(char** ip) {
...
void goToLoopStart(char** ip) {
...

如果您将其写为

char * findLoopEnd(char* ip) {
...
char * findLoopStart(char* ip) { 
...

，那么您拥有的功能同样有用，但不修改输入，因此可以通过独立的单元测试进行测试。

这也消除了重复指针;

这也使您可以改进这些方法的约定；因此，如果想用一种便宜又简便的方法来摆脱它们，就不妨使用双指针。例如，如果没有匹配的括号，则可以返回null。这就引起了...

除此之外，我的解释器最大的问题是，如果程序无效，它到处都有未定义的行为。如果存在不匹配的[会发生什么？如果指针移到可用内存之前会怎样？坏东西，就是这样。好的解释器，无论输入什么，都是安全的，并且在输入错误时可以为用户提供良好的诊断。始终构造一个解释器，以便它检测到错误的输入，因为它会得到错误的输入。磁带是否“环绕”？这是一个错误吗？是否应该在两个方向上都存在无限的磁带？保守的做法是使它出错，但是您甚至还没有这样做。您只是做一些未定义的事情。

一旦您控制了未定义的行为，请考虑一直进行线性搜索以匹配括号的成本。扫描源代码一次，记下所有匹配的括号对的位置几乎总是更有效的，然后当您敲括号时，您只需查找目标，而不是线性搜索即可。是的，如果程序很小，则线性搜索会很快，但是程序可能不会很小。

此步骤可支持上一个问题；如果在运行程序之前记录了匹配的括号，则可以确保每个括号都匹配！

\ $ \ begingroup \ $
奇怪的是，对于Brainfuck解释器没有标准的诊断要求。您关于检查输入错误的记录很重要！
\ $ \ endgroup \ $
–爱德华
19年11月25日在19:49

\ $ \ begingroup \ $
我同意您关于未定义行为的逻辑，但具有讽刺意味的是，我们在用C语言编写的问题上对此有所抱怨。
\ $ \ endgroup \ $
–曼上尉
19年11月25日在22:07

\ $ \ begingroup \ $
@CaptainMan：有点讽刺，是的。给定的实现将BF语言中的未定义行为转换为C语言中的未定义行为！更好的方法是用BF语言定义行为，然后实现该行为，以便C实现中没有UB。
\ $ \ endgroup \ $
–埃里克·利珀特
19年11月25日在22:18

\ $ \ begingroup \ $
+1，即将写出关于使用O（1）映射/字典数据结构查找分支目标的答案（可能像char *数组一样简单，或者在BF程序中由offset索引的无符号数），但是您已经提到了。而且depth或nest_depth可能是比搜索更清晰的var名称。
\ $ \ endgroup \ $
– Peter Cordes
19-11-26在2:50

\ $ \ begingroup \ $
@Ghost：是否选择“过度设计”完全取决于您的客户的要求。据说您是从Python转到C的，因为性能不够好。您是唯一知道性能是否仍然不够好的人。我想您也选择了C，因为它是您要学习的语言，实现像哈希图这样的简单数据结构是学习新语言的好方法。
\ $ \ endgroup \ $
–埃里克·利珀特
19年11月26日在15:30

#2 楼

以下是一些可以帮助您改进程序的内容。总而言之，这似乎是不错的，简单的代码，可以完成所需的工作。好的开始！

仅使用必需的#include s

代码具有#include <stdbool.h>，但不使用布尔值。似乎也没有使用<stdlib.h>中的任何内容。仅包含实际需要的文件。

避免使用全局变量

我看到ptr和间接的mem仅在interpret()中使用，但它们被声明为全局变量。通常最好在函数可能的最小范围内显式传递函数将需要的变量或对其进行声明，而不要使用模糊的全局变量隐式链接。在这种情况下，mem和ptr都可以是interpret()内的局部变量。如果需要将内容清零，请使用memset。

在实际可行的地方使用const

interpret()函数不会修改所传递的code指针的内容，因此应该声明为const：

void interpret(const char* code) { /*...*/ }

这也意味着ip可以为const，其他函数的参数也可以为。

声明本地例程static

如果将goToLoopEnd和goToLoopStart声明为static，则编译器将知道它们永远不会在该文件之外被调用。利用这些信息，可以进行更多的优化，例如内联代码。

让编译器生成代码

当C程序到达main的末尾时，编译器将自动生成代码以返回0，因此无需在以下位置显式编写return 0; main的结尾。

\ $ \ begingroup \ $
除最后一个建议外，我同意所有这些建议。我希望返回值是明确的。 main是唯一一个省略返回值的函数（void函数除外），因此在其中包含它也使代码更加一致。我在C ++核心指南中没有看到关于此的明确指导，因此这似乎是一个优先事项。
\ $ \ endgroup \ $
–米奇·林格伦（Mitch Lindgren）
19年11月25日在19:26

\ $ \ begingroup \ $
内存在内部解释中可能会很麻烦。动态分配ptr可能会更容易。
\ $ \ endgroup \ $
–S.S. Anne
19年11月25日在19:42

\ $ \ begingroup \ $
@MitchLindgren完全是一个优先选择的问题，但是很高兴以任何一种方式了解标准的这一方面。
\ $ \ endgroup \ $
–爱德华
19-11-25在20:13

\ $ \ begingroup \ $
@ JL2210：效率最高但仍然不错的样式：静态无符号char mem [30000] = {0};内部解释。如果您知道需要多少零内存，那么不妨在BSS中静态分配它，而不是通过calloc动态分配。尽管出于实际目的，使用较大的calloc可能会使它远离其他任何东西，并提供更多保护以防止越界写入（简单的段错误而不是破坏.data或其他BSS对象）。用C术语来说，格式错误的BF程序可能会以这种方式导致UB的翻译；在主流实现中，细节很重要。
\ $ \ endgroup \ $
– Peter Cordes
19/11/26在2:41

\ $ \ begingroup \ $
如果不包括stdbool.h，则替换unsigned char mem [30000] = {0};由static unsigned char mem [30000];提供，由int main（void）提供原型，并且不遵循最后的建议，那么您的代码现在与C89兼容，并且您可以使用更多编译器。
\ $ \ endgroup \ $
–尼尔
19年11月26日在20:50

#3 楼

用“ const”扩展Edward的观点：正确地验证所有常量数据是一种好习惯，而不是为了优化（参见http://www.gotw.ca/gotw/081.htm），而是显示作者的意图，以及用于防止错误。 const具有传染性，因此您必须更改在恒定的Brainfuck代码上操作的所有函数签名和指针声明。没有char *（这反映了这样一个事实，即（我认为）可以在当时典型的机器（如PDP11）上的内存中的任何位置进行写操作）。因此，已经有很多代码可能会崩溃，甚至在1989年之后，很多人都没有使用const。

回到您的程序：一个疯子程序很可能像图灵机一样进行自我修改。它不会这样做，可以用C表示，也可以防止意外的写尝试。

顺便说一句，此更改使您的程序成为有效的C ++，这是我发现的一个很好的实践，即使与Monica进行的Lightness Races可能不同意：因此，如果您有任何Q4312079q，也可以对其进行强制转换（即使unwind也不同意），如果有的话，将赋值转换为枚举，并常量化const。

\ $ \ begingroup \ $
谢天谢地，高炉程序不是自我修改的。 BF程序就像图灵机一样，具有两个磁带，该程序有一个有限的只读磁带，而数据有一个可写的无限磁带。由于BF是Turing Complete，因此您当然可以在BF中编写TM的模拟。剩下来作为练习。 :)
\ $ \ endgroup \ $
–埃里克·利珀特
19年11月27日，0：05

\ $ \ begingroup \ $
使代码也有效C ++通常是好的，但是在强制转换malloc IMO时不是。回复：可写的字符串：某些PDP-11型号确实具有内存保护功能（维基百科）。早期的Unix是在PDP-11上开发的；也许它没有强制执行只读页面，或者工具链在.data节中放置了字符串文字。请注意，如果您从未真正通过指针写过，char * p =“ hello”不会有问题。但是，是的，除非您使用GCC3或更早版本的编译器使用gcc -fwriteable-strings进行编译，否则这将在现代Unix系统上出现段错误。
\ $ \ endgroup \ $
– Peter Cordes
19年11月28日在6:08

\ $ \ begingroup \ $
@PeterCordes啊，有趣！（PDP11和gcc信息）。
\ $ \ endgroup \ $
–彼得-恢复莫妮卡
19年11月28日在8:17

\ $ \ begingroup \ $
@EricLippert您尚未见过“ fukyorbrain”，这是两个具有“多个”线程并相互修改的BF程序：）
\ $ \ endgroup \ $
– ljrk
19/12/14在17:34

#4 楼

添加到其他答案：这些函数声明

int foo();
int bar() { }

不会分别声明foo的原型bar。因此，这是foo的合法实现：

int foo(int a) { }

这可能是对bar的非法调用，但是编译器无法警告：

bar(42);

要提供原型，请在括号内添加void以使其成为参数列表（而不是C89标识符列表），而以上所有这些都会产生编译时错误：

int foo(void);
int bar(void) {}

这是由于Cs的K＆R样式函数声明和定义的历史：

int foo();

int foo(a)
int a;
{
   /* do something */
}

兼容性很好，但我认为如果没有明确的要求，您不应该低于C99，尤其是如果它可以降低出现严重错误的可能性；）

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