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

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++++++++++     # ループカウンタ
2[->+++++++<]   # 7x10 = 70回インクリメント
3>++.           # +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++++++++++     # ループカウンタ
2[
3    ->         # ループカウンタを一つ減らしてポインタを右シフト
4    +++++++    # +10
5    <          # ポインタをループカウンタへ移動
6]   
7>++.           # +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。

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++++++++++[->+++++++<]>++.     # 10 × 7 ＋ 2 = 72
2>++++++++++[->++++++++++<]>+.  # 10 × 10 ＋ 1 = 101
3<+++[->++<]>+.                 # 101 ＋ 3 × 2 ＋ 1 = 108
4.                              # 108
5+++.                           # 108 ＋ 3 = 111
6<<<++++[->-------<]>.          # 72 ー 4 × 7 = 44
7<+++[->----<]>.                # 44 ー 2 × 4 = 32
8>++[->++++<]>.                 # 111 ＋ 2 × 4 = 119
9<++[->----<]>.                 # 111 ー 2 × 4 = 111
10+++.                           # 111 ＋ 3 = 114
11<++[->---<]>.                  # 114 ー 2 × 3 = 108
12<++[->----<]>.                 # 108 ー 2 × 4 = 100
13<<+.                           # 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。

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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