在 Haskell 中解释 Brainfuck

这是一篇关于用 Haskell 实现 Brainfuck 解释器的文章,主要内容如下:

  • 介绍:Brainfuck 是最著名的小众编程语言,其简洁且易于实现,解释器编写是有趣的练习。它有 8 个单字符指令,通过操作内存(至少 30000 字节且初始化为 0)和数据指针来工作,还可读写标准输入输出。文中给出一个打印“Hello, World!”的 BF 程序示例。
  • 设置:导入相关库,抽象解释器接口为类型类Interpreter,用MV.IOVector Int8表示可变内存,定义Memory新类型和相关操作函数,如newMemory创建初始化为 0 的内存数组等。main函数处理命令行参数,调用相应的解释器函数。
  • 字符串解释器(String Interpreter):直接从字符串表示解释 BF 程序,但字符串在 Haskell 中索引速度慢,所以使用字符拉链(CharZipper)。定义CharZipper数据类型和相关操作函数,如czFromString创建字符拉链,czMoveLeftczMoveRight移动焦点等。interpretCharZipper函数根据字符拉链的焦点执行 BF 逻辑,skipRightskipLeft函数用于跳过循环部分。通过测试两个 BF 程序hanoi.bfmandelbrot.bf,发现此解释器速度较慢。
  • AST 解释器(AST Interpreter):将 BF 程序解析为抽象语法树(AST),以减少运行时的括号匹配次数。定义ASTInterpreter类型和相关操作,如ProgramAST表示 BF AST,Instruction数据类型对应 BF 指令,使用ReadP库编写递归下降解析器parseToInstrsinterpretAST函数解释 BF AST。测试结果显示,此解释器比字符串解释器在hanoi.bf上快 2 倍,在mandelbrot.bf上快 2.6 倍。
  • 字节码解释器(Bytecode Interpreter):将 AST 转换为字节码(Bytecode)以提高性能,字节码是一种更紧凑的指令表示形式。定义BytecodeInterpreter类型和相关操作,如ProgramBC表示字节码,Opcode数据类型对应 BF 操作码,translate函数将Instructions转换为Opcodesassemble函数将Opcodes组装为字节码数组。interpretBytecodePtr函数使用指针解释字节码,通过测试发现此解释器比 AST 解释器在hanoi.bf上快 1.3 倍,在mandelbrot.bf上快 2.3 倍。
  • 优化字节码解释器(Optimizing Bytecode Interpreter):通过为频繁出现的特定操作码模式生成专门的操作码来优化字节码解释器,这里优化了[-][+]模式(清空当前内存单元)。定义OptimizingBytecodeInterpreter类型和相关操作,添加OpClear操作码,optimize函数递归优化OpcodesassembleOpcode函数生成OpClear的字节码,修改字节码解释器执行OpClear操作码。测试结果显示,此解释器在hanoi.bf上比非优化字节码解释器快 2.7 倍,在mandelbrot.bf上仅快 1%。
  • 比较:最后比较四种解释器的运行时间,优化字节码解释器在hanoi.bf上比字符串解释器快 7 倍,在mandelbrot.bf上快 6 倍,并以图表形式展示。文章还提到了相关资源和后续探索方向。
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