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// Wherein we develop a comprehensive mathematical proof of the inexistance of a merciful god //
// or //
// Implementing Brainfuck via C++ Template Metaprogramming //
// BrainFuck Implementation Details
// Memory : RAM Bound, expands in either direction as needed
// Slots : wrapping integers of value 0 to 255
// Geometry : angles do not seem right, as if they don't quite fit.
// : going in further to find the source of the whispering
//
// TYPE BOXED NUMBERS
//
template < unsigned char given >
struct BrainFuckSlot {
typedef BrainFuckSlot< given + 1 > Increment ;
typedef BrainFuckSlot< given - 1 > Decrement ;
const static unsigned char value = given ;
};
template <>
struct BrainFuckSlot< 0 > {
typedef BrainFuckSlot< 1 > Increment ;
typedef BrainFuckSlot< 255 > Decrement ;
const static unsigned char value = 0 ;
};
template <>
struct BrainFuckSlot< 255 > {
typedef BrainFuckSlot< 0 > Increment ;
typedef BrainFuckSlot< 254 > Decrement ;
const static unsigned char value = 255 ;
};
//
// MEMORY
//
struct BrainFuckEOM {};
template < typename Current, typename Next > struct BrainFuckMemoryVector{
typedef Current Head ;
typedef Next Tail ;
};
template < typename Current >
struct BrainFuckMemoryVector< Current, BrainFuckEOM > {
typedef Current Head ;
typedef BrainFuckMemoryVector< BrainFuckSlot< 0 >, BrainFuckEOM > Tail ;
};
template < typename Before, typename Current, typename After >
struct BrainFuckMemory {
typedef BrainFuckMemory< Before, typename Current::Increment, After > Increment ;
typedef BrainFuckMemory< Before, typename Current::Decrement, After > Decrement ;
typedef BrainFuckMemory< typename Before::Tail,
typename Before::Head,
BrainFuckMemoryVector< Current, After > > Left ;
typedef BrainFuckMemory< BrainFuckMemoryVector< Current, Before >,
typename After::Head,
typename After::Tail > Right ;
template < typename Anything >
struct Set {
typedef BrainFuckMemory< Before, BrainFuckSlot< Anything::value >, After > Result ;
};
typedef Current Peek;
};
//
// STATE
//
template < unsigned long long int Ops, typename Memory, typename TheInput, typename TheOutput >
struct BrainFuckState {
typedef BrainFuckState< Ops + 1, Memory, TheInput, TheOutput > Noop ;
typedef BrainFuckState< Ops + 1, typename Memory::Increment, TheInput, TheOutput > Increment ;
typedef BrainFuckState< Ops + 1, typename Memory::Decrement, TheInput, TheOutput > Decrement ;
typedef BrainFuckState< Ops + 1, typename Memory::Left , TheInput, TheOutput > Left ;
typedef BrainFuckState< Ops + 1, typename Memory::Right , TheInput, TheOutput > Right ;
typedef BrainFuckState<
Ops + 1,
typename Memory::template Set< typename TheInput::Head >::Result,
typename TheInput::Tail,
TheOutput
>
Input ;
typedef BrainFuckState<
Ops + 1 ,
Memory ,
TheInput ,
typename TheOutput::template Push< Memory::Peek::value >::Result
>
Output ;
typedef typename Memory::Peek Peek;
typedef TheOutput GetOutput;
template < typename Injectee >
struct InjectState {
typedef typename
Injectee
::template ApplyToState< BrainFuckState< Ops, Memory, TheInput, TheOutput > >
::Result
Result;
};
};
//
// QUEUE
//
template < unsigned char... Chars > struct BrainFuckQueue ;
template < unsigned char Anything, unsigned char... Chars >
struct BrainFuckQueue < Anything, Chars... >{
typedef BrainFuckSlot< Anything > Head ;
typedef BrainFuckQueue< Chars... > Tail ;
template < unsigned char InChar >
struct Push {
typedef BrainFuckQueue< InChar, Anything, Chars... > Result ;
};
};
template <>
struct BrainFuckQueue <> {
typedef BrainFuckSlot< 0 > Head ;
typedef BrainFuckQueue<> Tail ;
template < unsigned char InChar >
struct Push {
typedef BrainFuckQueue< InChar > Result ;
};
};
//
// COMMAND TRAVERSER DECLARATIONS
//
template < typename TheApplicator, unsigned char... Chars > struct BrainFuckTraverser ;
template < unsigned char... Chars > struct Applicator ;
//
// COMMAND INTERPRETER
//
template < unsigned char... Commands > struct BrainFuckProgram ;
template < unsigned char... Commands >
struct BrainFuckProgram < '+', Commands... > {
template < typename State >
struct ApplyToState {
typedef typename
BrainFuckProgram< Commands... >
::template ApplyToState< typename State::Increment >
::Result
Result
;
};
};
template < unsigned char... Commands >
struct BrainFuckProgram < '-', Commands... > {
template < typename State >
struct ApplyToState {
typedef typename
BrainFuckProgram< Commands... >
::template ApplyToState< typename State::Decrement >
::Result
Result
;
};
};
template < unsigned char... Commands >
struct BrainFuckProgram < '<', Commands... > {
template < typename State >
struct ApplyToState {
typedef typename
BrainFuckProgram< Commands... >
::template ApplyToState< typename State::Left >
::Result
Result
;
};
};
template < unsigned char... Commands >
struct BrainFuckProgram < '>', Commands... > {
template < typename State >
struct ApplyToState {
typedef typename
BrainFuckProgram< Commands... >
::template ApplyToState< typename State::Right >
::Result
Result
;
};
};
template < unsigned char... Commands >
struct BrainFuckProgram < '.', Commands... > {
template < typename State >
struct ApplyToState {
typedef typename
BrainFuckProgram< Commands... >
::template ApplyToState< typename State::Output >
::Result
Result
;
};
};
template < unsigned char... Commands >
struct BrainFuckProgram < ',', Commands... > {
template < typename State >
struct ApplyToState {
typedef typename
BrainFuckProgram< Commands... >
::template ApplyToState< typename State::Input >
::Result
Result
;
};
};
struct BrainFuckProgramFactory {
template < unsigned char... Chars >
struct ReceiveChars {
typedef BrainFuckProgram< Chars... > Result ;
};
};
template < unsigned char SlotValue, typename State, unsigned char... Commands >
struct HandleLoop {
typedef typename
BrainFuckTraverser< Applicator<>, Commands... >
::Until
::template InjectChars< BrainFuckProgramFactory >
::Result
::template ApplyToState< State >
::Result
::template InjectState< BrainFuckProgram< '[', Commands... > >
::Result
Result;
;
};
template < typename State, unsigned char... Commands >
struct HandleLoop< 0, State, Commands... > {
typedef typename
BrainFuckTraverser< Applicator<>, Commands... >
::After
::template InjectChars< BrainFuckProgramFactory >
::Result
::template ApplyToState< State >
::Result
Result;
};
template < unsigned char... Commands >
struct BrainFuckProgram < '[', Commands... > {
template < typename State >
struct ApplyToState {
typedef typename
HandleLoop<
State::Peek::value,
State,
Commands...
>
::Result
Result
;
};
};
template < unsigned char Anything, unsigned char... Commands >
struct BrainFuckProgram < Anything, Commands... > {
// an ignored character
template < typename State >
struct ApplyToState {
typedef typename
BrainFuckProgram< Commands... >
::template ApplyToState< typename State::Noop >
::Result
Result
;
};
};
template <>
struct BrainFuckProgram <> {
// end of program
template < typename State >
struct ApplyToState {
typedef typename State::Noop Result ;
};
};
//
// COMMAND TRAVERSER
//
template < unsigned char... Chars > struct Applicator ;
template < unsigned char... Chars >
struct Applicator {
template < typename Target >
struct InjectChars {
typedef typename Target::template ReceiveChars< Chars... >::Result Result;
};
template < unsigned char Char >
struct Append {
typedef Applicator< Chars..., Char > Result;
};
template < unsigned char... AdditionalChars >
struct ReceiveChars {
typedef Applicator< Chars..., AdditionalChars... > Result ;
};
};
template < typename TheApplicator, unsigned char... Chars >
struct BrainFuckTraverser< TheApplicator, ']', Chars... > {
// end of subsection
typedef TheApplicator Until ;
typedef Applicator< Chars... > After ;
};
template < typename TheApplicator, unsigned char... Chars >
struct BrainFuckTraverser< TheApplicator, '[', Chars... > {
// start of subsection
typedef typename
BrainFuckTraverser< Applicator<>, Chars... >
::After
::template InjectChars<
typename
BrainFuckTraverser< Applicator<>, Chars... >
::Until
::template InjectChars< typename TheApplicator::template Append< '[' >::Result > ::Result
::template Append< ']' > ::Result
>
::Result
Until ;
typedef typename
BrainFuckTraverser< Applicator<>, Chars... >::After
After;
};
template < typename TheApplicator, unsigned char Anything, unsigned char... Chars >
struct BrainFuckTraverser< TheApplicator, Anything, Chars... > {
// anything else
typedef typename
BrainFuckTraverser< typename TheApplicator::template Append< Anything >::Result, Chars... >::Until
Until
;
typedef typename
BrainFuckTraverser< Applicator<>, Chars... >::After
After;
};
template < typename TheApplicator >
struct BrainFuckTraverser< TheApplicator > {
// end of program
typedef TheApplicator Until ;
typedef Applicator<> After ;
// if we reach the end w/o finding the ] we just return nothing
// this means our BF programs artificially terminate all dangling
// ['s at the end of the program. A dangling [...] pair is malformed
// input
};
//
// WONDER TWIN POWERS ACTIVATE
//
int main( int argc, char ** argv ){
typedef BrainFuckMemory<
BrainFuckMemoryVector< BrainFuckSlot< 0 >, BrainFuckEOM >,
BrainFuckSlot< 0 >,
BrainFuckMemoryVector< BrainFuckSlot< 0 >, BrainFuckEOM >
>
InitialMemoryState
;
typedef BrainFuckQueue<> InitialOutput ;
// from wikipedia
struct HelloWorld {
typedef BrainFuckProgram<
'+', '+', '+', '+', '+', '+', '+', '+', '+', '+', '[', '>', '+',
'+', '+', '+', '+', '+', '+', '>', '+', '+', '+', '+', '+', '+',
'+', '+', '+', '+', '>', '+', '+', '+', '>', '+', '<', '<', '<',
'<', '-', ']', '>', '+', '+', '.', '>', '+', '.', '+', '+', '+',
'+', '+', '+', '+', '.', '.', '+', '+', '+', '.', '>', '+', '+',
'.', '<', '<', '+', '+', '+', '+', '+', '+', '+', '+', '+', '+',
'+', '+', '+', '+', '+', '.', '>', '.', '+', '+', '+', '.', '-',
'-', '-', '-', '-', '-', '.', '-', '-', '-', '-', '-', '-', '-',
'-', '.', '>', '+', '.', '>', '.'
>
Program
;
typedef BrainFuckQueue<> Input ;
};
// from http://www.hevanet.com/cristofd/brainfuck/results1.txt
// exceeded template depth on first attempt
// exceeded available memory on all further attempts
struct BrainFuckQuine {
typedef BrainFuckProgram<
'-', '>', '+', '>', '+', '+', '+', '>', '>', '+', '>', '+', '+',
'>', '+', '>', '+', '+', '+', '>', '>', '+', '>', '+', '+', '>',
'>', '>', '+', '>', '+', '>', '+', '>', '+', '+', '>', '+', '>',
'>', '>', '>', '+', '+', '+', '>', '+', '>', '>', '+', '+', '>',
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>
Program;
typedef BrainFuckQueue<> Input ;
};
// Exceeds template depth as expected
struct InfiniteLoop {
typedef BrainFuckProgram<
'+', '[', ']'
>
Program
;
typedef BrainFuckQueue<> Input ;
};
// http://codegolf.com/competition/run/8/1
// hello world
struct CodeGolf_01 {
typedef BrainFuckProgram<
'>', '+', '+', '+', '+', '+', '+', '+', '+', '+', '[', '<', '+',
'+', '+', '+', '+', '+', '+', '+', '>', '-', ']', '<', '.', '>',
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>
Program;
typedef BrainFuckQueue<> Input ;
};
// http://codegolf.com/competition/run/8/2
// just another brainfuck hacker
// lol: (g++) : error: template instantiation depth exceeds maximum of 16384
// lol: (clang) : bf.cpp:194:41: fatal error: recursive template instantiation exceeded maximum depth of 32768
// : setting instantiation to 65536 exhausts memory
struct CodeGolf_02 {
typedef BrainFuckProgram<
'+', '+', '+', '[', '>', '+', '+', '+', '+', '+', '<', '-', ']',
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>
Program;
typedef BrainFuckQueue<> Input ;
};
// oops : forgot to note where I got this
// also hits memory exhaustion
struct Fibonacci {
typedef BrainFuckProgram<
// number of numbers to generate
// '+', '+', '+', '+', '+', '+', '+', '+', '+', '+', '+',
// exhausts even for a single number, lol
'+',
// generator
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'+', '+', '+', '+', '+', '+', '+', '+', '+', '+', '+', '+', '+',
'+', '+', '+', '+', '+', '+', '+', '+', '+', '+', '+', '+', '+',
'+', '+', '+', '+', '+', '+', '+', '+', '+', '+', '+', '>', '+',
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>
Program;
typedef BrainFuckQueue<> Input ;
};
// (g++) 57230ull steps to complete for input of 150
// input of 200 exhausted memory
//
// (clang) 101305 steps to complete for input 200
// input of 255 exhausted memory
struct Test {
typedef BrainFuckProgram<
',',
'[',
'[',
'>', '+', '<', '-',
']',
'>', '-',
']'
>
Program;
typedef BrainFuckQueue< 255 > Input ;
};
/////
////
/// change running program here
//
typedef Test SelectedProgram ;
//
///
////
/////
typedef
BrainFuckState< 0, InitialMemoryState, typename SelectedProgram::Input, InitialOutput >
InitialState
;
typedef typename
SelectedProgram
::Program
::ApplyToState< InitialState >
::Result
Final
;
// this causes a template error which prints out the final state of the 'program'
// Final::GetOutput::Wat ;
Final::Wat ;
return 0;
}