【第1回】Brainfuckを実装しながら学ぶC++【Brainfuckとは】
2021.12.20
第1回目～Brainfuckを実装しながらC++学ぼう
本連載では、「Brainfuck」の特性を理解しながら、実際に Brainfuck インタプリタを作成していきたいと思います！
実は、Brainfuck を理解するということは、C/C++ でつまずきがちな「ポインタの概念を理解する」ということにつながります。
つまり、Brainfuck インタプリタの実装は、プログラミング言語を深く学習するのに、もってこいの題材だということ。
今まで、C/C++ を避けていたプログラマの皆さん！
これを機に、C/C++ をマスターしながら、Brainfuck もマスターしていきましょう！
Brainfuckとは
Brainfuck (またはBrainf*ck) は、実用性を無視した、難読プログラミング言語 (通称 Esolang ) に分類されます。
単なるユーモアプログラミング言語でありながら、チューリング完全 (≒なんでもプログラミング可能) な言語でもあるのです。
例えば、「Hello, world!」と出力させたければ、Brainfuck では以下のように記述します。
1 2 | +++++++++[->++++++++>+++++++++++>+++++<<<]>.>++.+++++++..+++.>-. ------------.<++++++++.--------.+++.------.--------.>+. |
見た目は、何をしているのか、さっぱりですね…。
にもかかわらず、やっていることは、大したことありません！（笑）
Brainfuckの基本を学ぼう
連載第1回目では、まずは Brainfuck の仕組みを理解していきましょう！
Brainfuck には、8つの命令が存在します。
Brainfuckの命令
| + | ポインタの指す値を1加算する |
| - | ポインタの指す値を1減算する |
| > | ポインタを1つ進める |
| < | ポインタを1つ戻す |
| [ | ループ始まり：ポインタの指す値が0ならば ] を指すポインタの一つ先に移動 |
| ] | ループ終わり： [ を指すポインタに移動 |
| . | ポインタの値をASCIIコードで変換して出力 |
| , | 入力を受け取る |
以上の8つの命令で、Brainfuck は成り立っているのです。
これ以外は、全てコメントとみなされます。
さて、ここで「ポインタ」という概念が出てきました。
ポインタについて、簡単に説明します！
ポインタ (Pointer)
ポインタとは、その名の通り「指すもの」を表します。
何を指しているかというと、メモリ番地です。
プログラミングの世界では、変数や関数を読み取るとき、その内容をメモリに保存します。
例えば、4バイト分のメモリを使用する整数型の int であれば、次のように保持されます。
これら変数にアクセスするときは、メモリ番地をもとに参照しますよね？
そのメモリ番地を指すのが、ポインタです。
この場合、変数 num のポインタは「4」であり、「メモリ番地 4 」ということになります。
そこに格納されている値が、「123 (=0x007b)」ということです (「0x」は16進数)。
つまり、変数にアクセスしたときは、「まずはポインタで、メモリのどこに格納されているかを探し、その値を読み取る」というプロセスが起こっているわけですね！
ちなみに Brainfuck では、ポインタの初期値は「0」で、値も全て「0」です。
Brainfuckを実際に書いてみよう
では次に、実際に書きながら理解しましょう。
インタプリタは、WEBrainfuck のようなブラウザで動作するタイプでもいいですし、インタプリタをお手持ちの PC にインストールするタイプでも構いません。
macOS であれば、
1 | $ brew install brainfuck |
で、できます。
Windows であれば、以下のリンクから、実行するでもいいでしょう。
【BFI.exe】
http://esoteric.sange.fi/brainfuck/compiled/win/BFI.exe
とりあえず 「H」 を出力させる
「Hello, world!」の前に、まずは一文字目の「H」を出力させてみましょう！
「H」は、ASCII コードでは、10進数で「72」です。
したがって、以下のようにポインタの指す値を「+」で72回インクリメントして、「.」で出力させれば良いのです。
1 2 3 4 | ++++++++++++++++++++ ++++++++++++++++++++ ++++++++++++++++++++ ++++++++++++. |
これで「H」が出力されます。
...が、この調子で「Hello, world!」を出力させようとすると、まずそうな雰囲気が漂ってきますね（笑）
そこで、 [ と ] の出番です。
ループで綺麗に書く
Brainfuck にも、Brainfuck らしい綺麗なコード、というものがあります。
[ は、最初に解説したように、今ポインタが指している値が「0」であれば、 ] の一つ後へ飛ぶ命令。
そして ] は、 [ に飛ぶ命令です。
これを使って、スマートに「H」を出力してみましょう。
1 2 3 | ++++++++++ # ループカウンタ [->+++++++<] # 7x10 = 70回インクリメント >++. # +2 して出力 |
これでも「H」が出力されるはずです。
記法はこの限りではありませんが、 [ と ] を使うだけで、Brainfuck らしいコードになります。
このとき、0番地目のメモリはループカウンタ、1番地目のメモリは「H」の ASCII コードを保持しています。
さらに細かく紐解くと、以下のような感じ。
1 2 3 4 5 6 7 | ++++++++++ # ループカウンタ [ -> # ループカウンタを一つ減らしてポインタを右シフト +++++++ # +10 < # ポインタをループカウンタへ移動 ] >++. # +2 して出力 |
ここまでくれば、あなたはもう Brainfucker ですね！
Hello, world!
それでは「Hello, world!」に挑戦しましょう。
各 ASCII コードは以下になります。
| H | 72 |
| e | 101 |
| l | 108 |
| o | 111 |
| , | 44 |
| [スペース] | 32 |
| w | 119 |
| r | 114 |
| d | 100 |
| ! | 33 |
メモリの使い方によって、実装方法はたくさんありますので、ここでは一例を示します。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 | ++++++++++[->+++++++<]>++. # 10 × 7 ＋ 2 = 72 >++++++++++[->++++++++++<]>+. # 10 × 10 ＋ 1 = 101 <+++[->++<]>+. # 101 ＋ 3 × 2 ＋ 1 = 108 . # 108 +++. # 108 ＋ 3 = 111 <<<++++[->-------<]>. # 72 ー 4 × 7 = 44 <+++[->----<]>. # 44 ー 2 × 4 = 32 >++[->++++<]>. # 111 ＋ 2 × 4 = 119 <++[->----<]>. # 111 ー 2 × 4 = 111 +++. # 111 ＋ 3 = 114 <++[->---<]>. # 114 ー 2 × 3 = 108 <++[->----<]>. # 108 ー 2 × 4 = 100 <<+. # 32 ＋ 1 = 33 |
冒頭の例とは違った例で、できるだけループを使うようにしてみました。
ちなみに、コメントの＋ーは、わざと全角にしています。
1行につき一文字です。
これを改行なしで書くと、さらに Brainfuck 感が出ますね（笑）
1 | ++++++++++[->+++++++<]>++.>++++++++++[->++++++++++<]>+.<+++[->++<]>+..+++.<<<++++[->-------<]>.<+++[->----<]>.>++[->++++<]>.<++[->----<]>.+++.<++[->---<]>.<++[->----<]>.<<+. |
次回からはBrainfuckのインタプリタを作る
さて、Brainfuck の仕組みがわかったところで、いよいよ Brainfuck をデコードするインタプリタを作ってみましょう！
ポインタを扱うには、C/C++ が最適ですので、C/C++ の知識も同時に身につけていきます。
第2回へつづく！
今回は、実装する前の予備知識として、Brainfuck を解説しました。
次回からは、いよいよ C/C++ を使って、インタプリタの実装をしていきます。
本連載では、今まで C/C++ を触ったことがないような人にも、理解できるような内容になっているので安心してくださいね！
それでは、次回をお楽しみに！
第2回はこちら！
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書いた人はこんな人
- 「好きを仕事にするエンジニア集団」の（株）ライトコードです！
ライトコードは、福岡、東京、大阪の3拠点で事業展開するIT企業です。
現在は、国内を代表する大手IT企業を取引先にもち、ITシステムの受託事業が中心。
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