不过这么看 Hello World! 还是太长了，不适合用来一上来就展示，我们换个简单点的输出 123：

那我们上 godbolt 看看 .NET 给我们的 Brainfuck 程序产生了怎样的机器代码？

Copy

push rbp push r15 push r14 push r13 push rbx lea rbp, [rsp+0x20] mov rbx, rsi mov r15, r8 movsxd rsi, edi add rsi, rbx add byte ptr [rsi], 49 ; '1' inc edi movsxd rsi, edi add rsi, rbx add byte ptr [rsi], 50 ; '2' inc edi movsxd rsi, edi add rsi, rbx add byte ptr [rsi], 51 ; '3' lea r14d, [rdi-0x02] movsxd rsi, r14d movzx rsi, byte ptr [rbx+rsi] mov rdi, r15 mov rax, qword ptr [r15] mov r13, qword ptr [rax+0x68] call [r13]System.IO.Stream:WriteByte(ubyte):this inc r14d movsxd rsi, r14d movzx rsi, byte ptr [rbx+rsi] mov rdi, r15 call [r13]System.IO.Stream:WriteByte(ubyte):this inc r14d movsxd rsi, r14d movzx rsi, byte ptr [rbx+rsi] mov rdi, r15 call [r13]System.IO.Stream:WriteByte(ubyte):this mov eax, r14d pop rbx pop r13 pop r14 pop r15 pop rbp ret

这不就是

Copy

*(ptr++) = '1'; *(ptr++) = '2'; *ptr = '3'; ptr -= 2; WriteByte(*(ptr++)); WriteByte(*(ptr++)); WriteByte(*ptr);

吗？可以看到我们代码里的抽象全都被 .NET 给优化干净了。

而前面那个不怎么直观的 Hello World! 代码则编译出：

Copy

AddData<8, Loop< AddPointer<1, AddData<4, Loop< AddPointer<1, AddData<2, AddPointer<1, AddData<3, AddPointer<1, AddData<3, AddPointer<1, AddData<1, AddPointer<-4, AddData<-1, Stop>>>>>>>>>>, AddPointer<1, AddData<1, AddPointer<1, AddData<1, AddPointer<1, AddData<-1, AddPointer<2, AddData<1, Loop<AddPointer<-1, Stop>, AddPointer<-1, AddData<-1, Stop>> >>>>>>>>> >>>, AddPointer<2, OutputData<AddPointer<1, AddData<-3, OutputData<AddData<7, OutputData<OutputData<AddData<3, OutputData<AddPointer<2, OutputData<AddPointer<-1, AddData<-1, OutputData<AddPointer<-1, OutputData<AddData<3, OutputData<AddData<-6, OutputData<AddData<-8, OutputData<AddPointer<2, AddData<1, OutputData<AddPointer<1, AddData<2, OutputData<Stop>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

JIT 编译#

如果我们想以 JIT 的形式运行 Brainfuck 代码，那如何在运行时生成类型然后运行代码呢？我们在 .NET 中有完善的反射支持，因此完全可以做到运行时创建类型。

比如根据数字来生成数字类型：

Copy

var type = GetNum(42); static Type GetHex(int hex) { return hex switch { 0 => typeof(Hex0), 1 => typeof(Hex1), 2 => typeof(Hex2), 3 => typeof(Hex3), 4 => typeof(Hex4), 5 => typeof(Hex5), 6 => typeof(Hex6), 7 => typeof(Hex7), 8 => typeof(Hex8), 9 => typeof(Hex9), 10 => typeof(HexA), 11 => typeof(HexB), 12 => typeof(HexC), 13 => typeof(HexD), 14 => typeof(HexE), 15 => typeof(HexF), _ => throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(hex)), }; } static Type GetNum(int num) { var hex0 = num & 0xF; var hex1 = (num >>> 4) & 0xF; var hex2 = (num >>> 8) & 0xF; var hex3 = (num >>> 12) & 0xF; var hex4 = (num >>> 16) & 0xF; var hex5 = (num >>> 20) & 0xF; var hex6 = (num >>> 24) & 0xF; var hex7 = (num >>> 28) & 0xF; return typeof(Int<,,,,,,,>).MakeGenericType(GetHex(hex7), GetHex(hex6), GetHex(hex5), GetHex(hex4), GetHex(hex3), GetHex(hex2), GetHex(hex1), GetHex(hex0)); }

同理也可以用于生成各种程序结构上。

最后我们只需要对构建好的类型进行反射然后调用Run方法即可：

Copy

var run = (EntryPoint)Delegate.CreateDelegate(typeof(EntryPoint), type.GetMethod("Run")!); run(0, memory, input, output); delegate int EntryPoint(int address, Span<byte> memory, Stream input, Stream output);

AOT 编译#

那如果我不想 JIT，而是想 AOT 编译出来一个可执行文件呢？

你会发现，因为编译出的东西是类型，因此我们不仅可以在 JIT 环境下跑，还能直接把类型当作程序 AOT 编译出可执行文件！只需要编写一个入口点方法调用Run即可：

Copy

using HelloWorld = AddData<8, Loop< AddPointer<1, AddData<4, Loop< AddPointer<1, AddData<2, AddPointer<1, AddData<3, AddPointer<1, AddData<3, AddPointer<1, AddData<1, AddPointer<-4, AddData<-1, Stop>>>>>>>>>>, AddPointer<1, AddData<1, AddPointer<1, AddData<1, AddPointer<1, AddData<-1, AddPointer<2, AddData<1, Loop<AddPointer<-1, Stop>, AddPointer<-1, AddData<-1, Stop>> >>>>>>>>> >>>, AddPointer<2, OutputData<AddPointer<1, AddData<-3, OutputData<AddData<7, OutputData<OutputData<AddData<3, OutputData<AddPointer<2, OutputData<AddPointer<-1, AddData<-1, OutputData<AddPointer<-1, OutputData<AddData<3, OutputData<AddData<-6, OutputData<AddData<-8, OutputData<AddPointer<2, AddData<1, OutputData<AddPointer<1, AddData<2, OutputData<Stop>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>; static void Main() { HelloWorld.Run(0, stackalloc byte[16], Console.OpenStandardInput(), Console.OpenStandardOutput()); }

然后调用 AOT 编译：

Copy

dotnet publish -c Release -r linux-x64 /p:PublishAot=true /p:IlcInstructionSet=native /p:OptimizationPreference=Speed

上面的/p:IlcInstructionSet=native即 C++ 世界里的-march=native，OptimizationPreference=Speed则是-O2。

运行编译后的程序就能直接输出Hello World!。

性能测试#

这里我们采用一段用 Brainfuck 编写的 Mandelbrot 程序进行性能测试，代码见 Pastebin。

它运行之后会在屏幕上输出：

这段程序编译出来的类型也是非常的壮观：