Эзотерические языки программирования: панорамный обзор

Несмотря на то, что программирование прочно вошло в нашу жизнь, многим оно до сих пор кажется какой-то совершенно непонятной магией. Что уж говорить о прежних временах, когда даже простой процесс хакинга в кино изображали с разными психоделическими спецэффектами, чтобы достичь «вау-эффекта».

Но в IT всегда были люди, которым мало «обычного» хардкорного кода, и они начали изобретать собственные, иногда совершенно безумные и оригинальные эзотерические языки программирования. О них мы сегодня и поговорим.

Кому вообще пришло это в голову?

Как ни удивительно, но первый эзотерический язык программирования, INTERCAL, появился еще в 1972 году, почти одновременно с первым мейнстримовым (Язык C был разработан Деннисом Ритчи в 1969—1973 годах). 

Создатели этого странного детища, Дон Вудс и Джеймс М. Лайон заявляли впоследствии, что просто хотели разработать язык, который бы не был похож ни на один из существовавших на тот момент (а их на самом деле было не так много). Некоторые элементы из Fortran, COBOL и ассемблера пародировались в открытую. Балаган начинался уже с названия:

Полное название нашего компилятора [sic] — «Язык Компилирования, Который Нельзя Сократить До Удобной Аббревиатуры» (Compiler Language With No Pronounceable Acronym) или, для удобства, сокращенно INTERCAL.

Дон Вудс и Джеймс М. Лайон

INTERCAL был первым в своем роде, но остался только на бумаге в качестве мануала, который многие воспринимали как шутку. Реально на нем ничего не программировали до начала 1990-х годов, когда Эрик С. Реймонд (автор термина open source) на волне интереса к эзотерическим языкам имплементировал INTERCAL в C и показал, что он на самом деле работает.

Есть языки-обфускаторы, которые маскируют свой код, соответственно, под пьесы Шекспира (Shakespeare) или под рецепты блюд (Chef). Читается это невероятно увлекательно (особенно когда Офелия начинает ругаться с Джульеттой и забываешь, что все имена — это переменные).

Есть очень странные языки, основанные на принципе самокопирования, например изобретенный в 1994 году Крисом Пресси язык SMETANA (Self-Modifying Extremely Tiny AutomatoN Application), работающий на серии шагов с двумя инструкциями. В 2016 году Таннером Светтом была создана его модификация «Сметана до бесконечности» (SMETANA To Infinity!).

Что именно происходит

Эзотерический язык программирования — язык программирования, разработанный для исследования границ возможностей разработки языков программирования (спасибо за тавтологию, Википедия). Это в каком-то смысле метаязык, который позволяет исследовать и сам себя и сами возможности исследования.

В случае с эзотерическими языками программирования заново, как в первый раз, программист изучает следующие темы:

— Как устроен язык отдачи команд.

— Как работать не по принципу максимального удобства, а с другими целями (например, чтобы было красиво или максимально зашифрованно).

— Как команды взаимодействуют между собой.

— Как на все это влияет фактор рандома.

— Как достичь простого результата максимально сложными целями.

Создание таких языков требует проницательности и креативности, что позволяет разработчикам лучше осознать собственные когнитивные рамки и привычные паттерны мышления, которые часто ограничивают способность к инновациям. Погружение в мир экзотических языков помогает раскрыть новые способы решения проблем и выход за пределы привычных методик, осознать, что программирование может быть не только функциональным, но и художественным процессом. 

Это наверное похоже на изучение второго иностранного языка (причем хардкорного вроде китайского или немецкого), когда основные столбы и несущие балки логических конструкций отрываются от земли и перемешиваются, чтобы составить очень странный, но работающий каркас, в котором все по-другому.

Зачем это нужно?

Во-первых, потому что это весело. Для многих программистов-экспериментаторов fun — сам по себе достаточная мотивация, чтобы создать нечто странное. Во-вторых, потому, что это позволяет раздвинуть рамки и показать, что возможности человеческого креативного гения гораздо шире, чем можно себе представить. В-третьих, потому что это очень весело (да!). 

Вот крутое определение от TechInsider:

Основной критерий, который определяет эзотеричность языка программирования довольно субъективен – это уровень доведения до абсурда отдельных идей, свойств или ограничений, что делает такие языки непригодными для массовой продуктовой разработки.

Цели создания ЭЯП напрямую следуют из их определения. Мы знаем ЭЯП, созданные для подтверждения или опровержения концепций, и те, которые были созданы в целях высокого искусства программирования. В таких случаях ЯП выступает средством художественной выразительности, показателем уровня мастерства художника, программиста или разработчика формальных языков.

На самом деле эзотерических языков программирования сейчас уже так много, что глаза разбегаются, и классифицировать это богатство довольно сложно. Можно начать с разделения на две большие группы: тьюринг-полные языки (то есть, «настоящие» языки программирования, на которых теоретически можно написать что угодно, хотя иногда это будет ОЧЕНЬ сложно) и специально ограниченные языки, которые представляют собой скорее пародии или приколы с целью что-то продемонстрировать. 

К первой категории относится вышеупомянутый INTERCAL, самый известный из эзотерических языков Brainfuck (о нем подробнее ниже) и ряд других, им подобных структурно.

Ко второй — например, HQ9+, который состоит всего из четырех базовых команд (каждая из них вызывается символом, входящим в название языка): 1) вывод сообщения «Hello, world!»; 2) демонстрация исходного кода программы; 3) вывод на экран текста американской застольной песни «99 Bottles of Beer on the Wall» и 4) увеличение на единицу счетчика (который больше ничего не делает и никак не используется). 

У HQ9+ есть, кстати, еще и модификации: в HQ9++ после команды ++ создается некий объект (к которому у пользователя нет доступа), а в HQ9± при использовании оператора «-», в зависимости от его местонахождения, запускается одна из заведомо «катастрофических» операций (например, деление на ноль или бесконечная рекурсия до переполнения стека).

В общем, основная мотивация разработчиков эзотерических языков: чтобы было как можно больше абсурда, веселья и сложности, и желательно, чтобы при этом все еще и реально работало. Поаплодируем этим героям.

Если «нормальные языки» программирования ориентированы на понятность и удобство, то отважные экспериментаторы отвергают подобные плебейские ценности и наоборот — создают языки, на которых максимально неудобно, нелогично и иногда практически невозможно программировать. 

Одним словом, полный…

Brainfuck

Несомненно самым ярким (в силу своей меметичности) примером эзотерического языка, можно даже сказать витриной всего движения, следует считать разработанный в 1993 году Урбаном Мюллером язык Brainfuck (переводить, вероятно, не требуется).

В языке всего восемь команд, каждая из которых записывается одним символом. Дополнительный синтаксис отсутствует. Нет копирования значения, промежуточной памяти, операторов, арифметики, нет вообще ничего — хотя все эти ограничения можно обойти очень хитрым способом изнутри самого языка.

Вот как выглядит «Hello, world!» на брейнфаковском:

>+++++++++[<++++++++>-]<.>+++++++[<++++>-]<+.+++++++..+++.>>>++++++++[<++++>-]

<.>>>++++++++++[<+++++++++>-]<---.<<<<.+++.------.--------.>>+.>++++++++++.

Brainfuck можно назвать классическим примером «тьюринговской трясины» — несмотря на ужас, который вы испытываете при взгляде на этот код, язык вполне рабочий, и на нем можно программировать. Просто это очень долго и сложно и в целом как-то противоестественно. 

Хотя, конечно, не так долго, сложно и противоестественно, как в некоторых других эзотерических языках, вдохновленных безумным экспериментом Brainfuck.

Следующие уровни ада

Как насчет «орангутанского» языка Ook!, который на первый взгляд состоит только из одного этого слова?

Но это все попытки максимально упростить сам код на выводе (при усложнении его программирования).

А кто вообще сказал, что код должен быть легким? Может наоборот сделать его как можно более сложным?!

Пучина

В 1998 году Бен Олмстед придумал Malbolge — самый сложный эзотерический язык программирования в мире. Это чудовище получило название от «Malebolge», восьмого круга ада Данте, и сейчас станет ясно, почему.

Вот Hello, World на Malbolge:

(=<`:9876Z4321UT.-Q+*)M'&%$H"!~}|Bzy?=|{z]KwZY44Eq0/{mlk**hKs_dG5[m_BA{?-Y;;Vb'rR5431M}/.zHGwEDCBA@986543W10/.R,+O<

А еще вот:

('&%:9]!~}|z2Vxwv-,POqponl$Hjig%eB@@>}=<M:9wv6WsU2T|nm-,jcL(I&%$#"`CB]V?Tx<uVtT`Rpo3NlF.Jh++FdbCBA@?]!~|4XzyTT43Qsqq(Lnmkj"Fhg${z@>

Или вот:

(=<`#9]~6ZY32Vx/4Rs+0No-&Jk)"Fh}|Bcy?`=*z]Kw%oG4UUS0/@-ejc(:'8dc

Если вы скажете, что эти три строчки выглядят как совершенно разные, причем рандомные и бессмысленные наборы символов, вас никто не осудит.

Но оно работает. Работающий куайн (самовывод кода) был написан 3 декабря 2012 года, через 14 лет после создания самого языка. Что,как бы само по себе, говорит о многом.

Вот выдержка из одной старой статьи на Хабре о принципах работы Malbolge:

В Malbolge есть три регистра: a, c и d. Регистр c – регистр кода, используемый в качестве указателя на текущую команду. Регистр d – регистр данных, используемый для управления данными. Регистр a – аккумулятор, также используемый некоторыми командами для манипуляции данными.

В Malbolge есть 8 команд. Машина определяет, какую команду выполнять, следующим образом: к значению ячейки с адресом c ([c]) прибавляется значение c, а в качестве команды выступает остаток от деления этого числа на 94, если [C] не входит в диапазон от 33 до 126 включительно.

А вот собственно список команд:

• j D = [D] Сдвигает указатель данных в ячейку, на которую указывало его прошлое значение

• i C = [C] Сдвигает указатель инструкций в ячейку, на которую указывало его прошлое значение

• * A = [D] = ROTATE([D]) Циклически сдвигает значение в ячейке, на которую указывает D, на один трит вправо. Попутно это значение записывается в A.

• p A = [D] = CRAZY(A, [D]) Применяет операцию crazy к значению регистра A и ячейки, на которую указывает D.

• / A = INPUT Читает один символ из потока ввода и сохраняет его в A.

• < PRINT A Выводит на печать символ с ASCII-кодом A mod 256.

• v STOP Завершить выполнение программы.

• o NOP Команда, которая не делает ничего (единственная допустимая).

После выполнения каждой инструкции она шифруется операцией Crazy.

Очень сложный и нечитаемый код это победа! Отлично, этого мы достигли.

А может быть… для программирования вообще не нужен видимый код???

Повелители пустоты

Поприветствуем Whitespace, эзотерический язык программирования, в котором вообще нет ни одного символа, кроме пробелов (технически это три разных символа: пробел, табуляция и перевод строки).

Как раз недавно на Хабре была хорошая статья про основы того, как он устроен.

Пример «Hello, World!» на Whitespace (чтобы было хоть что-то понятно, S обозначает место пробела, T — Табуляции и L — перевода строки).

Куда идти еще дальше? Что может быть более пустым, чем файл, открыв который, пользователь ничего увидит?

Например, отсутствие файлов как таковых.

Дэниел Темкин, владелец прекрасного блога https://esoteric.codes/ создал эзотерический язык программирования Folders, вдохновившись Whitespace. По его задумке, программирование в этом языке вообще не требует файлов, нужно лишь дерево папок файловой системы, структура которого и определяет код. 

Let that sink in, а пока посмотрите, как выглядит «Hello, World!» на Folders.

Эту картинку я взял из еще одной прекрасной забытой статьи на Хабре.

Там же, кстати, рассказывается и про язык Groot, который, как уже догадались все смотревшие фильмы Marvel, состоит только из вариаций фразы I am Groot.

А можно, чтобы картиночкой?

Можно.

Есть целая огромная категория графических эзотерических языков (они же two-dimensional languages, осторожно, по ссылке практически бесконечная бездна ада).

Самый известный из них Piet, который превращает своего программиста практически в модернистского художника начала XX века (вот отличная старая статья про язык на Хабре).

Модель языка содержит три элемента: программа является двухмерным изображением, составленных из пикселей. Последние могут быть любого цвета. В программе участвуют только 20.

В Piet есть блоки. Это связные множества пикселей одного цвета. Блок — минимальная часть в построении текста программ. Группы пикселей, которые соответствуют одному блоку при увеличении, — это кодел. Увеличение необходимо для детального рассмотрения и точности.

Память Пита организована в виде стека. Тип данных языка — целые числа. Это единственный тип. Обработка символов происходит в виде их ASCII-кодов.

Вот как выглядит Hello, World! на Piet:

А чтобы только звук?

Можно и со звуком.

Вот язык Velato, в котором программы закодированы в виде MIDI-файла, считываемого компилятором.

И многое, многое другое

Перечислить все эзотерические языки программирования не хватит никакой статьи.

Есть вот шестиугольные соты языка Hexagony. Название происходит от слов «hexagon» (шестиугольник) и «agony» (агония), потому что ха-ха-ха, вы и так догадались уже, наверное, Господь всемогущий, помоги нам:

Кто-то вот окончательно оторвался от бренной земли и двигает код в четырехмерном пространстве (в языке 4DL для представления программы используется четырехмерная решетка с 8 направлениями выполнения):

Есть очень странный язык Bit, который «обрабатывает все данные так же, как язык C обрабатывает строки».

Кто-то из хабровцев придумывает свои собственные странные языки, например, вдохновившись узелковым письмом индейцев кипу (интересно, как сейчас дела у его автора?):

Вот здесь же, на Хабре, старая и явно заслуживающая внимания статья с примерами 39 кодов на 39 ЭЯП (некоторые из них мы уже упоминали выше).

Зачем все это надо

Хороший вопрос. Ну, во-первых (как уже было много раз сказано), это весело. Даже сама попытка разобраться в совершенно новой программной логике, не говоря уже про ее разработку, весьма сильно расширяет когнитивные навыки.

Да, для приземленных практических задач, эзотерические языки, как правило заведомо бесполезны — зачем делать что-то долго и сложно, если можно сделать это быстро и просто, правда? Но ведь в качестве протеста против подобной бизнес-логики многие из ЭЯП и создавались — чтобы можно было оглядеться по сторонам и вспомнить, что эффективность и скорость, несмотря на то, что они делают хороший KPI — не единственное и не самое интересное в жизни.

А что интересное? Ну, например, узнавать и создавать новое, мыслить out of the box. Опять же тренировочный фактор: работа с такими странными языками неплохо прокачивают мозги. А все, что прокачивает наши мозги, это, как известно, хорошо.

Хочется напоследок сказать спасибо авторам всех опубликованных ранее прекрасных статей на Хабре, посвященных теме ЭЯП, которые мы прочитали для вдохновения и информации перед написанием собственной!

Список использованной хабросетературы:

Самые неординарные языки программирования

5 самых странных языков программирования: для чего они нужны и что на них можно написать

Malbolge: Programming from Hell

Примеры кода на 39 эзотерических языках программирования

Quipu — эзотерический язык программирования на основе узелковой письменности Инков

5-минутный гид по эзотерическим языкам программирования: попробуем их классифицировать

Эзотерические языки программирования Folders и Groot

Основы Whitespace: невидимого языка программирования