番外編～Brainfuckを実装しながら学ぶC++
さて前回で、「Brainfuckを実装しながら学ぶC++」シリーズのメインは、終わりを迎えましたね！
今回は番外編ということで、出来上がったコードを、少しだけ改造してみたいと思います。
皆さんのオリジナルの Esolang 作成、または C++ 学習の一助となれば幸いです。
命令を変えてみよう
まずは、一番簡単なアレンジです。
1constexpr char INCREMENT = '+';
2constexpr char DECREMENT = '-';
3constexpr char RIGHT = '>';
4constexpr char LEFT = '<';
5constexpr char LOOP_START = '[';
6constexpr char LOOP_END = ']';
7constexpr char OUTPUT = '.';
8constexpr char INPUT = ',';の部分を好きなものに変えてみましょう。
例えば、
1constexpr char INCREMENT = 'a';
2constexpr char DECREMENT = 'b';
3constexpr char RIGHT = 'c';
4constexpr char LEFT = 'd';
5constexpr char LOOP_START = 'e';
6constexpr char LOOP_END = 'f';
7constexpr char OUTPUT = 'g';
8constexpr char INPUT = 'h';と変えるだけでも、オリジナルの Esolang になりますね！
ただし、char 型は1バイト文字なので、文字列は指定できません。
さらに、C / C++ の switch 文は、「整数」もしくは今回のような「1バイト文字」しか分岐が行えません。
この文字列を使った、Esolang 作成の対処については、後半で紹介します。
switchではなくmapを使う
実は、switch を使わずとも、Brainfuck インタプリタは作成できます。
その場合、std::map<> を使います。
これは、Python の辞書型変数のように扱うことができる、便利な STL (Standard Template Library) の一つです。
mapの使い方
まずは、インクルードしましょう。
1#include <map>これで使えるようになります。
キーは、どんな型でも良いのですが、例えば以下のように扱います。
1std::map<std::string, int> dict = {
2 {"Tokyo", 1395},
3 {"Osaka", 882},
4}
5
6std::cout << map["Osaka"] << "万人" << std::endl;
7// > 882万人stringをキーとして関数を呼ぶ
map を使った実装では、例えば「 "+" をキーとしたら、increment() を呼ぶ」のように実装する必要があります。
つまり、以下のように呼び出せるのが理想です。
1bfs["+"](); // increment()が呼ばれるこういった処理は、関数ポインタを利用して、実装する手段があります。
関数ポインタとは、その名の通り関数へのポインタです。
1#include <iostream>
2#include <map>
3using namespace std;
4
5void increment(){ cout << "Called Increment function." << endl; }
6void decrement(){ cout << "Called Decrement function." << endl; }
7
8int main(){
9 map<string, void (*)()> bfs = {
10 {"+", increment},
11 {"-", decrement},
12 };
13
14 bfs["+"](); // > Called Increment function.
15 bfs["-"](); // > Called Decrement function.
16
17 return 0;
18}このように、関数ポインタは void (*) のように、括弧が必要です。
なぜ括弧が必要かと言うと、こういうことです。
1void* i_ptr() = &increment; // [エラー] これだと void* が戻り値の関数とみなされる
2void (*d_ptr)() = &decrement; // こっちだとd_ptrがポインタだと解釈される
3
4i_ptr(); // エラー
5d_ptr(); // >Called Decrement function.ややこしいですね…
ちなみに、その後ろの括弧は引数です。
Brainfuckインタプリタに適用してみる
早速、関数ポインタと map を駆使して、インタプリタを再構築してみましょう！
まずは、各命令に対して、関数を定義します。
このとき、全ての関数について「ポインタ」や「メモリ」は弄る対象となるので、参照渡しで定義しましょう。
中身は、前回実装したものと同じです。
まずは、関数部。
1/* 省略 */
2#include <map>
3
4/* 省略 */
5
6void increment (unsigned char* memory, unsigned int& ptr, unsigned int& code_ptr, string& code, stack<int>& loops, unsigned int& code_len){ memory[ptr]++; }
7void decrement (unsigned char* memory, unsigned int& ptr, unsigned int& code_ptr, string& code, stack<int>& loops, unsigned int& code_len){ memory[ptr]--; }
8void right (unsigned char* memory, unsigned int& ptr, unsigned int& code_ptr, string& code, stack<int>& loops, unsigned int& code_len){ ptr = (ptr >= MEMORY_SIZE-1)? 0: ptr + 1; }
9void left (unsigned char* memory, unsigned int& ptr, unsigned int& code_ptr, string& code, stack<int>& loops, unsigned int& code_len){ ptr = (ptr <= 0)? MEMORY_SIZE-1: ptr - 1; }
10void output (unsigned char* memory, unsigned int& ptr, unsigned int& code_ptr, string& code, stack<int>& loops, unsigned int& code_len){ putchar(memory[ptr]); }
11void input (unsigned char* memory, unsigned int& ptr, unsigned int& code_ptr, string& code, stack<int>& loops, unsigned int& code_len){ memory[ptr] = getchar(); }
12void loop_start(unsigned char* memory, unsigned int& ptr, unsigned int& code_ptr, string& code, stack<int>& loops, unsigned int& code_len){
13 loops.push(code_ptr); // "["の位置を保存
14 /* ポインタの値が0ならば "]" に飛ぶ */
15 if (memory[ptr] == 0) {
16 int depth = 1; //! ループの深さ
17 // 対応する "]" を探す
18 while (depth > 0){
19 code_ptr++; // コードポインタを進める
20 // もしコード終端に来てしまったらエラー
21 if (code_ptr >= code_len){
22 cerr << "Error: Cannot find \"]\"." << endl;
23 exit(-1);
24 }
25 // "[" と "]" を見つけたら深さを修正
26 if (code[code_ptr] == LOOP_START)
27 depth++;
28 if (code[code_ptr] == LOOP_END)
29 depth--;
30 } // もしdepth=0であれば、対応する "]" が見つかったので抜ける
31 loops.pop(); // ループ終わり
32 }
33}
34void loop_end (unsigned char* memory, unsigned int& ptr, unsigned int& code_ptr, string& code, stack<int>& loops, unsigned int& code_len){
35 if(loops.empty()){
36 cerr << "Error: Loop start order, " << LOOP_START << ", is not found." <<endl;
37 exit(-1);
38 }
39 code_ptr = loops.top() - 1; // 対応する "[" に移動
40 loops.pop(); // 飛んだらまたスタックされるのでポップしておく
41}
42
43int main(int argc, char* argv[]) { /* ... */ }これらを格納する、map を定義します。
1int main(int argc, char* argv[]) {
2
3 unsigned char memory[MEMORY_SIZE]; //! 1Byte=8bit (0~255) で構成されるメモリを定義
4 unsigned int ptr = 0; //! メモリポインタ (負の値は取らないのでunsigned)
5 unsigned int code_ptr = 0; //! Brainfuckコードのポインタ
6 unsigned int code_len = 0; //! Brainfuckコードの終端 (長さ)
7 stack<int> loops; //! ループのネスト用スタック: "[" のコードポインタが格納される
8
9 /* [new] Brainfuck orders */
10 map<char, void(*)(unsigned char*, unsigned int&, unsigned int&, string&, stack<int>&, unsigned int&)> bfs = {
11 {INCREMENT, increment},
12 {DECREMENT, decrement},
13 {RIGHT, right},
14 {LEFT, left},
15 {OUTPUT, output},
16 {INPUT, input},
17 {LOOP_START, loop_start},
18 {LOOP_END, loop_end},
19 };
20
21 /* 省略 */
22}このように定義することで、Brainfuck 解析部分の while 文の中は、以下のようにかなりスッキリしますね！
1/* Brainfuck 解析 */
2while (code_ptr < code_len){
3 // もしキーが存在すれば
4 if (bfs.count(code[code_ptr]) > 0){
5 bfs[code[code_ptr]](memory, ptr, code_ptr, code, loops, code_len);
6 }
7 code_ptr++;
8}ちなみに、map を使った方が、コードの管理はしやすいかもしれません。
ですが、switch の方が、実行速度が速いのです。
文字列を命令にする
map を利用すれば、文字列を命令とした、Esolang が作成できるようになります。
命令を文字列へ
1// 命令をコンパイル時定数として定義
2constexpr char* INCREMENT = (char*) "abc";
3constexpr char* DECREMENT = (char*) "def";
4constexpr char* RIGHT = (char*) "ghi";
5constexpr char* LEFT = (char*) "jkl";
6constexpr char* LOOP_START = (char*) "mno";
7constexpr char* LOOP_END = (char*) "pqr";
8constexpr char* OUTPUT = (char*) "stu";
9constexpr char* INPUT = (char*) "vwx";
10
11constexpr int order_len = 3;このとき、コンパイル時定数は、型変換を明記しておかないと Warning が出てしまいます。
なので、一応 (char*) のように、キャストしてあげましょう。
また、実装のしやすさを考慮して、命令の長さも固定しておくパターンにします。
mapのキーも文字列へ
1map<string , void(*)(unsigned char*, unsigned int&, unsigned int&, string&, stack<int>&, unsigned int&)> bfs = {
2 {INCREMENT, increment},
3 {DECREMENT, decrement},
4 {RIGHT, right},
5 {LEFT, left},
6 {OUTPUT, output},
7 {INPUT, input},
8 {LOOP_START, loop_start},
9 {LOOP_END, loop_end},
10};細かな調整
命令をコードからどう切り取るか、コードポインタをどう進めるかも、修正していきましょう。
1/* Brainfuck 解析 */
2while (code_ptr < code_len){
3 // もしキーが存在すれば
4 string key = code.substr(code_ptr, order_len); // [changed] substr()で命令を抽出
5 if (bfs.count(key) > 0){
6 bfs[key](memory, ptr, code_ptr, code, loops, code_len);
7 }
8 code_ptr += order_len; // [changed]
9}あとは、ループ処理の部分で、コードポインタの取り扱いを変更するだけとなります。
1void loop_start(unsigned char* memory, unsigned int& ptr, unsigned int& code_ptr, string& code, stack<int>& loops, unsigned int& code_len){
2 loops.push(code_ptr); // "["の位置を保存
3 /* ポインタの値が0ならば "]" に飛ぶ */
4 if (memory[ptr] == 0) {
5 int depth = 1; //! ループの深さ
6 // 対応する "]" を探す
7 while (depth > 0){
8 code_ptr += order_len; // [changed] コードポインタを進める
9 // もしコード終端に来てしまったらエラー
10 if (code_ptr >= code_len){
11 cerr << "Error: Cannot find \"]\"." << endl;
12 exit(-1);
13 }
14 // "[" と "]" を見つけたら深さを修正
15 if (code.substr(code_ptr, order_len) == LOOP_START) // [changed]
16 depth++;
17 if (code.substr(code_ptr, order_len) == LOOP_END) // [changed]
18 depth--;
19 } // もしdepth=0であれば、対応する "]" が見つかったので抜ける
20 loops.pop(); // ループ終わり
21 }
22}
23void loop_end (unsigned char* memory, unsigned int& ptr, unsigned int& code_ptr, string& code, stack<int>& loops, unsigned int& code_len){
24 if(loops.empty()){
25 cerr << "Error: Loop start order, " << LOOP_START << ", is not found." <<endl;
26 exit(-1);
27 }
28 code_ptr = loops.top() - order_len; // [changed] 対応する "[" に移動
29 loops.pop(); // 飛んだらまたスタックされるのでポップしておく
30}これで OK です。
試してみる
実装の簡略化で、コードの空白と改行については、取り除く部分は書いていません。
なので、それらがない Esolang コードを、読み取らせてみましょう！
1abcabcabcabcabcabcabcabcabcmnodefghiabcabcabcabcabcabcabcabcghiabcabcabcabcabcabcabcabcabcabcabcghiabcabcabcabcabcjkljkljklpqrghistughiabcabcstuabcabcabcabcabcabcabcstustuabcabcabcstughidefstudefdefdefdefdefdefdefdefdefdefdefdefstujklabcabcabcabcabcabcabcabcstudefdefdefdefdefdefdefdefstuabcabcabcstudefdefdefdefdefdefstudefdefdefdefdefdefdefdefstughiabcstu1$ make
2$ ./brainfuck 3byte_hello/bf
3Hello, world!上のようになれば成功です！
より難解な、オリジナル Esolang が出来上がりましたね！
さいごに
今回は番外編で、オリジナルの Esolang を作成してみました。
もしかしたら、「少し難しい内容だった」という方も、中にいるかもしれませんね！
ただ、もっと改良すれば、日本語のマルチバイト文字を使った Esolang も実現できてしまいます。
余力のある方は、ぜひチャレンジしてみてくださいね！
以上で、番外編含め本連載は終了になります。
ここまでお付き合いいただき、ありがとうございました！
第1回目はこちら！
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