Brainfuck 是一种特殊的编程语言，它只有 8 个指令，而且非常简单。Brainfuck的源代码是由一系列的指令组成的，这些指令可以操作一个数组，也可以输出或输入数据。
要用 C 语言来编写 Brainfuck 的代码，可以按照以下步骤进行：
- 定义一个 char 类型的数组作为 Brainfuck 的数据空间。
- 读取用户输入的 Brainfuck 源代码。
- 根据读入的源代码，使用 switch-case 语句实现 Brainfuck 的 8 个指令，包括：+，-，>，<，.，,，[，]。
>：将指针右移。如果指针已经达到数组的末尾，则返回出错。
<：将指针左移。如果指针已经达到数组的开头，则返回出错。
+：将指针所指的内存块的值加1。
-：将指针所指的内存块的值减1。
.：输出指针所指的内存块的值。（ASCII码）
,：等待输入，并将输入的字符存储到指针所指的内存块中。（ASCII码）
[：如果指针所指的内存块的值为0，则跳转到对应的’]‘之后；否则继续执行下一个指令。
]：如果指针所指的内存块的值不为0，则跳转到对应的’['之后；否则继续执行下一个指令。
该函数返回0表示执行成功，返回-1表示出错。 - 声明一个指针用于指向当前数据空间的位置。
实现 Brainfuck 中的循环语句。对于 [ 指令，需要记录当前指针位置，当该位置存储的值为 0 时则跳转到下一个 ] 指令；对于 ] 指令，需要回到上一个 [ 指令的位置重新执行。
简易的代码实现：
#include <stdio.h> int main(){ char array[30000] = {0}; // 定义数据空间 char input[1000]; // 存储 Brainfuck 源代码 char *ptr = array; // 定义指针指向数据空间头部 printf("请输入 Brainfuck 源代码：\n"); fgets(input, 1000, stdin); // 读取用户输入的 Brainfuck 源代码 for (char *p = input; *p; p++) { switch (*p) { case '>': ptr++; break; case '<': ptr--; break; case '+': (*ptr)++; break; case '-': (*ptr)--; break; case '.': putchar(*ptr); break; case ',': *ptr = getchar(); break; case '[': { char *tmp = p; while (*ptr) { p++; while (*p) { if (*p == '[') p++; else if (*p == ']') { if (--tmp == p) break; else p++; } } } break; } case ']': { char *tmp = p; while (*ptr) { p--; while (p >= input) { if (*p == ']') p--; else if (*p == '[') { if (++tmp == p) break; else p--; } } } break; } } } return 0; }
在上述代码中，我们定义了一个包含 30000 个字符的数组，作为 Brainfuck 的数据空间；然后读取用户输入的源代码，通过 switch-case 语句实现 Brainfuck 的 8 种指令；最后定义一个指针指向数据空间头部，实现循环语句。
需要注意的是，Brainfuck 的源代码较为特殊，一些字符可能会被特殊处理。因此，在实现时需要注意，不能被转义的字符需要单独处理。
除了用一个字符数组来模拟，我们还可以利用结构体来做一些比较复杂的实现：
#include <stdint.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include<string.h> // Interpreter state struct BFState { // The array and the size of the array. size_t array_len; uint8_t* array; // Pointer to the current position in the array; array <= cur < (array+array_len) uint8_t* cur; }; //typedef unsigned char uint8_t; /* parameter: state: 一个指向 BFState 结构体的指针，该结构体记录了 brainfuck 程序的运行状态和数据。 在函数内部，我们通过对 state 指针所引用的结构体进行操作，来实现 brainfuck 程序的运行。 program: 一个指向常量字符串的指针，该字符串表示要执行的 brainfuck 程序。 在函数内部，我们需要解析该字符串并根据解析结果来执行各种指令，对state进行操作， 从而实现整个 brainfuck 程序的执行。 */ // Return 0 on success, and -1 in case of an error (e.g., an out-of-bounds access). int brainfuck(struct BFState* state, const char* program) { size_t program_len = 0; //brainfuck程序的长度 int ip = 0; // instruction pointer 程序指针 while(program[program_len] != '\0') program_len++; // printf("%d\n%s\n", program_len, program); //扫描程序的每一个指令 while (ip < program_len) { // printf("%c ", program[ip]); switch (program[ip]) { case '>': // rightward shift if (state->cur + 1 >= state->array + state->array_len) { return -1; // out of bounds } ip++; state->cur++; break; case '<': // leftward shift if (state->cur - 1 < state->array) { printf("error here\n"); return -1; // out of bounds } ip++; state->cur--; break; case '+': // plus 1 (*(state->cur))++; ip++; break; case '-': // minus 1 (*(state->cur))--; ip++; break; case '.': // output putchar(*state->cur); ip++; fflush(stdout); // ensure output is immediately written to the console break; case ',': // Waits for input and stores the input character into the block of memory pointed to by the pointer *state->cur = getchar(); ip++; break; case '[': if ((*(state->cur)) == 0) { // move to the matching ] size_t nesting_level = 1; ip++; while (ip < program_len) { if (program[ip] == '[') nesting_level++; //左括号 else if (program[ip] == ']') nesting_level--; //右括号（抵消） if(nesting_level == 0) break; //如果抵消之后为零，这个右括号就是与之匹配的 ip++; } if (ip == program_len) { return -1; // no matching ] } } ip++; break; case ']': if ((*(state->cur)) != 0) { // move to the matching [ int nesting_level = 1; ip--; while (ip >= 0) { if (program[ip] == ']') nesting_level++; //右括号 else if (program[ip] == '[') nesting_level--; //左括号（抵消） if (nesting_level == 0) break; //如果抵消之后为零，这个右括号就是与之匹配的 ip--; } if (ip < 0) { return -1; // no matching [ } } ip++; break; default: ip++; // invalid command } } return 0; // program successfully executed } int main(){ size_t array_len = 3000; uint8_t* array = (uint8_t*)malloc(array_len*sizeof(uint8_t)); // uint8_t* array = calloc(array_len, sizeof(uint8_t)); if (!array) { fprintf(stderr, "could not allocate memory\n"); return EXIT_FAILURE; } // 定义结构体，初始化结构体变量，指针指向首地址 struct BFState state = { .array_len = array_len, .array = array, .cur = array, }; state.cur++; state.cur++; state.cur++; memset(state.array, 0, array_len); // state.array[0] = 1; int res = brainfuck(&state, "[[-<<+>>]<+[->+<]>>]<<<[>>[-<+>]<<[->>+<<]<]>>>"); printf("res = %d\n", res); for(int i = 0; i < 50; i++) printf("%d ", state.array[i]); printf("\n"); return 0; } //int main(int argc, char** argv) { // if (argc != 2) { // fprintf(stderr, "usage: %s <bfprog>\n", argv[0]); // return EXIT_FAILURE; // } // // size_t array_len = 3000; // uint8_t* array = (uint8_t*)malloc(array_len*sizeof(uint8_t)); uint8_t* array = calloc(array_len, sizeof(uint8_t)); // if (!array) { // fprintf(stderr, "could not allocate memory\n"); // return EXIT_FAILURE; // } // // // 定义结构体，初始化结构体变量，指针指向首地址 // struct BFState state = { // .array_len = array_len, // .array = array, // .cur = array, // }; // int res = brainfuck(&state, argv[1]); // if (res) { // puts("an error occured"); // return EXIT_FAILURE; // } // // return EXIT_SUCCESS; //}
在brainfuck语言中，程序通过操作存储在数据数组中的数据完成计算过程。在BFState这个结构体中，array指向数据数组的首地址，cur表示当前指向的位置。
因为brainfuck语言中操作数据数组的指令非常多，需要经常更改cur的指向，这些指令包括“I”（指针加1）、“D”（指针减1）等等。cur指针的存在可以让程序更加方便地对数据数组进行操作，而无需每次都从数组的首地址开始进行寻址。此外，cur还可以在不同操作中传递，实现了数据数组的多位置操作。
