這段代碼為何能輸出"Hello World"？

01-05

來自brainfuck語言：
++++++++++[&>+++++++&>++++++++++&>+++&>+&<&<&<&<-] &>++.&>+.+++++++..+++.&>++.&<&<+++++++++++++++. &>.+++.------.--------.&>+.&>.
參考鏈接：https://zh.wikipedia.org/wiki/Hello_World%E7%A8%8B%E5%BA%8F%E6%A0%B7%E4%BE%8B

作為一個用這個語言寫過不少有趣東西的程（shen）序（jing）員（bing）

我們來粗略地理解一下。

首先談到這個語言的定義和運行原理

該語言定義在這樣一個環境之上：

你有一列無限長的小火車，每個車廂里裝了一個數字，初始為0。

還有一個列車員，初始在最頭上那節車廂上。

好了，你把你寫的BrainFK程序交給列車員，列車員會做如下的事情：

從左向右、由上自下一個字元一個字元地讀取你的程序
當讀到`+`的時候，將所在車廂里的數字加一
當讀到`-`的時候，將所在的車廂里的數字減一
當讀到`&>`的時候，跑到後一個車廂去
當讀到`&<`的時候，跑到前一個車廂去
當讀到`[`的時候，如果該車廂裡面的數字為0，則跳去執行下一個`]`之後的程序內容
當讀到`]`的時候，如果該車想裡面的數字不為0，則跳去執行上一個`[`之後的程序內容
當讀到`.`的時候，將所在車廂裡面的數字翻譯成ASCII字元，顯示在你的屏幕上
當讀到`,`的時候，從等待使用者輸入一個ASCII字元，轉碼成數字寫進所在車廂里

接下來讓我們仔細看這段程序：

++++++++++[&>+++++++&>++++++++++&>+++&>+&<&<&<&<-] &>++.&>+.+++++++..+++.&>++.&<&<+++++++++++++++. &>.+++.------.--------.&>+.&>.

首先我們可以整理一下代碼，將其變為：

++++++++++ [ &>+++++++ &>++++++++++ &>+++ &>+ &<&<&<&<- ] &>++. &>+. +++++++.. +++. &>++. &<&<+++++++++++++++. &>. +++. ------. --------. &>+. &>.

為了提高可讀性，我在此（狂妄地）引入一個宏：

讓我們用 `oX` 來代替連續的X個o號吧！（比如 `+5` &<=&> `+++++`）

為了進一步提高可讀性，我在此（更加狂妄地）引入一個宏：

讓我們用 `//` 在後方形成注釋吧！

於是上面的代碼變成

+10 //火車頭車廂置為10 [ &> +7 //下一個車廂值加 7 &> +10 //下一個車廂值加 10 &> +3 //下一個車廂值加 3 &> +1 //下一個車廂值加 1 &<4 - //前移四個車廂，並將其值減 1 ] //此時列車員在第0車廂，如果該車廂內數字不為0，則跳轉到前面的`[`之後 //稍有常識的人都能看出，只要我們的程序執行到這裡之後 //前五個車廂的最終值就分別為 0, 70, 100, 30, 10 //此時列車員在第 0 車廂 &> +2 . //向後一車廂並+2然後輸出到屏幕，此時列車員在第1車廂，ASCII(72)="H"


&> +1  .   //向後一車廂並+1然後輸出到屏幕，此時列車員在第2車廂，ASCII(101)="e"

  +7  ..  //列車員不動，將所在（第2）車廂內容繼續加7之後輸出兩次，ASCII(108)="l"

  +3  .   //列車員不動，將所在（第2）車廂內容繼續加3之後輸出，ASCII(111)="o"
&> +2  .   //向後一車廂並+2然後輸出，此時列車員在第3車廂，ASCII(32)="&<空格&>"
&<2 +15 .  //向前兩車廂並+15然後輸出，此時列車員在第1車廂，ASCII(87)="W"

&> .       //向後一車廂並直接輸出，此時列車員在第2車廂，該車廂保留原值111，ASCII(111)="o"

 +3 .     //不動，+3而後輸出，ASCII(114)="r"

 -6 .     //ASCII(108)="l"

 -8 .     //ASCII(100)="e"
&> +1 .    //再向後一車廂，此時列車員在第3車廂，+1，ASCII(33)="!"

&> . //再向後一車廂，此時列車員在第4車廂，直接輸出，ASCII(10)="&<換行符&>"

所以事實上只用一個車廂就能寫就這個helloword，但是那樣寫程序就太長太沒有可讀性了。

所以我們需要在前面用一個循環，來初始化70，100，30，10四個車廂（並且預先用第0個車廂來標記循環次數），這四個車廂分別提供了對大寫字母、小寫字母、特殊文字元號、特殊控制符號的方便訪問。

說起來，這個語言簡單優雅易學，一旦熟悉之後，如果能藉助上面定義的數字宏，寫起來方便快捷讀起來行雲流水，簡直就是數組處理界的Regex（知乎為什麼不能給字加刪除線。。）

用這個語言可以有很多趣題，比如說我以前曾經想過一個問題：

能不能實現一個動態指針，即列車員讀取某車廂的數值，然後向後走該數值所表述數量的車廂，以操作目標車廂的數字。

這個問題後來是這樣解決的（摘自我之前的某個博客），下面這段文字里，`[X]`代表第X節車廂，指針即是列車員：

經過這樣的討論，之前的「是否可以實現指針的動態定位」問題變成了下面的問題：
是否可以找到一種方法，讓指針查找的時候，每一次移動都能夠找回原來的位置。
在這裡解釋一下，比如[4]用來存儲另一個地址，或者說[4]中存儲著一個自定義的指針，如果*[4] = 8，那麼當程序執行到[4]的時候應該將主指針定位到[12] // (12 = 8+4)
我們用BF語言試寫一下：
我們先初始化主指針到[4]：
&>&>&>&>

接下來我們將指針自增 *[4] = 8 次，問題就來了
如果我們只要自增八次，我們只要寫下&>&>&>&>&>&>&>&>即可
但是我們在編寫程序的時候可能並不知道[4]的值，或者說，[4]裡面是動態的
最早想到的一個辦法是指針每自增一次，*[4] - 1，但是事實上 *[4] - 1 這個語句在BF語言中就是一個 "-" ，但是主指針必須指向[4]。
如果我們寫 [&>&<-] 那麼到最後指針還是停留在[4]上
如果我們把過程拆開，就是[4]值先自減，指針自增，然後自減，值自減，然後自增兩次，再自減兩次，值自減，自增三次，自減三次，值自減，以此類推，直到*[4] = 0,然後指針自增8次
如果看到這你還沒笑，那你看了下面的代碼，一定就笑了：
- [
&>&<-
&>&>&<&<-

&>&>&>&<&<&<-
&>&>&>&>&<&<&<&<-
&>&>&>&>&>&<&<&<&<&<-
&>&>&>&>&>&>&<&<&<&<&<&<-
&>&>&>&>&>&>&>&<&<&<&<&<&<&<-
] &>&>&>&>&>&>&>&>
真是笑死了，這和&>&>&>&>&>&>&>&>沒有任何區別，[]循環形同虛設，還浪費資源，到頭來編寫者還是要在寫程序時得知*[4]
上面的代碼唯一值得讚揚的就是畫面美感
當然如果你寫成
-[&>&<-&>&>&<&<-&>&>&>&<&<&<-&>&>&>&>&<&<&<&<-&>&>&>&>&>&<&<&<&<&<-&>&>&>&>&>&>&<&<&<&<&<&<-&>&>&>&>&>&>&>&<&<&<&<&<&<&<-] &>&>&>&>&>&>&>&>

那就連畫面美感也沒了
那麼到底有沒有一種辦法可以在指針自增的同時，讓其還可以每一次自增之後再找回原來的[4]呢。
我腦袋比較笨，在討論的當天並沒有想出一個可行的演算法來。
想了很多很多辦法，包括用五個連續的地址存儲一個變數，[n]存儲值，[n+1],[n-1],[n+2][n-2]分別存儲變數的左右信息等等，但最後都被證明不可行。
然而當天清晨，我鬼使神差地夢到了自己用冒泡排序演算法解題。
醒來一拍大腿，哎呀我C，成了。
我所想到的演算法類似冒泡排序中冒泡的過程，如下：
指針每自增一次，[n]與[n-1]的值便交換，然後*[n]自減，重複這一過程直到 *[n] = 0
[n]與[n-1]的值交換，可以有兩種方法實現，一種是對*[n] 和 *[n-1] 進行異或，還有一種就是利用第三方[m]

鄙人不才，尚未找到在BF中實現抑或的辦法，所以決定使用後者。
那麼初步的演算法如下：
規定當*[n]表示一個地址時，*[n-1]必須為零，作為臨時區域，比如上面的例子，就必須*[4] = 8, *[3] = 0，該指針變數由[3]和[4]構成，長度為2，頭地址為[3]。
1 指針指向[n+2],將當前指針位記為[n]
2 [n-2] = [n]; [n] = [n-1]; [n-1] = [0]
3 [n]--
4 如果[n+1] 非零，跳轉到1
5 指針自減2
這個演算法用BF語言書寫如下：

[
&>&>
[&<&<+&>&>-]
&<[&>+&<-]
&>-&<
]&<&<
當然，如果你嫌行數太多看著難受，也可以寫成這樣
[&>&>[&<&<+&>&>-]&<[&>+&<-]&>-&<]&<&<
接下來把後面的所有內容向前移動兩格，填充那個多出來的部分就行了

當然，這段文字提出的方法是有缺陷的：

當列車員被正確定位之後，定位列車員所使用的那個車廂就被置0而無法再次使用（變數被破壞）了。

這個缺陷也是有解決方案，可以自己試試看哈哈哈哈

很顯然它試圖用循環省代碼。

暴力版大概長這樣：

++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++.&>

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++.&>

++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++.&>

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++.&>

++++++++++++++++++++++++++++++++.&>

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++.&>

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++.&>

++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++.&>

++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++.&>

++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++.&>

+++++++++++++++++++++++++++++++++.&>

帥不帥氣？

這代碼太長，所以作者在輸出後面字母時復用了前面的值，其實可以拿一張ANSII碼錶對著數一數，就會發現每一個『.』之前數字剛好是『Hello World』各個字母的值（『.』是bf的輸出符，所以剛好可以在這裡用來對控制輸出每一個字元的代碼做分割）。

很有趣的是bf中字元串輸出比數學運算簡單多了。（畢竟bf是用的ANSII碼。。。）

雖然我不懂這種語言，但如果能輸出hello world，它明顯是在拼Ascii