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HongMain 的博客

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谈谈编程  

2011-08-06 10:49:25|  分类: 编程语言(主要是 |  标签: |举报 |字号 订阅

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网上看了篇文章,觉得很不错,抄在下面。因原文没注明作者,在这也不知道作者是谁了。

编程概述

编程术可以看作实用魔法的一个分支。编程魔法师用时间和精力做祭品,与生活在计算机中的精灵订立契约,以换取驾驭代码的能力。
---fmddlmyy

要提高编程水平,唯有多看多写。这篇文章看似经验之谈,实质还是灌水。本次灌水,拟定了以下几个主题:

§       编程概述

§       软件开发中的方法论

§       编程实践

§       嵌入式编程的特点

编程概述

本文将从不同角度讨论 什么是编程 ,或者 什么是编程的本质问题 。这些讨论并不是要得出什么定义,我们实际上是在表述各种编程思想,以期加深对编程的理解。

1 编程不是艺术

我们的世界是模糊的、连续的、不精确的,但软件是精确、离散的、形式化的,这就注定了软件不能完全描述现实世界。因此我们需要知道描述哪些部分,忽略哪些部分,这就是软件的本质问题。
--- Tom Demarco

编程不是艺术。编程不追求完美,它的目的是解决问题。

和艺术上的 只能意会,不可言传 相反,编程甚至不能忍受自然语言的模糊性,它要求问题被表述成可编译、可运行的代码,文字和图表只是辅助交流的工具。

每个程序员有两个面具:职业的和专业的。戴上职业面具后,程序员会用能找到的最好用的工具,以尽可能简单的方式,在合理的成本内解决问题中必须解决的部分。

而戴上专业面具的程序员,会不厌其烦地学习各种编程知识(很多都不是职业需要的),积累经验值,吸收可复用的模式和思想。他们会用大量时间去理解程序的表象和 CPU 的汇编代码之间究竟发生了什么。他们有着探索未知领域和练功升级的强烈欲望。

他们 在不断接近技艺的完美,而这个技艺本身是以不谈完美、但求有效的方式解决问题。他们付出了大量的努力,而这些努力的驱动力是好奇心和进取心。如同《魔法学 徒》中描述的魔法师,一个魔法师所追求的东西只有志趣相投的魔法师才能理解,而不管他们出于哪个阵营。了解事物真相本身带来的满足就可以作为一切努力的回 报,

2 控制复杂性

任何一个正在构建大型系统的人,天天面对的中心议题就是:如何剔除不必要的、人为的、自找的复杂部分,并控制好剩下的,无可逃避的复杂性。
--- Betrand Meyer

编程可以被看成一种管理工作,管理的对象是代码,控制的对象是代码的复杂性。

中国的传统思维比较喜欢谈本质,追求一种称作 的东西。而在编程上,表象和本质同样重要。所有程序说到底不过是一些汇编语句的组合,但了解这个本质在大多数场合都不能有助于解决实际问题。

写代码是为了解决实际问题。当代码的数量增加到一定程度,对代码自身的控制也会成为一个重要的问题。数量改变了本质。

管理的要诀是削弱、孤立被管理的对象, 使民无知 使民 ”“ 鸡犬之声相闻 至老死 不相往来 。每个被管理的对象在完成自身工作的前提下,对其它对象的了解应当尽可能少。通过尽量降低对象间的耦合程度来控制复杂性。

只有有效地控制复杂性,我们才能使用越来越大的信息块,驾驭越来越多的代码,用这些 0 1 的操作去实现前人没有,甚至无法完成的工作。

3 复用

编程技艺的核心是代码的复用。复用已有的知识是积累、提高的前提,否则就会像谁谁谁那样每天推石头上山,而不能累进。在上帝看来,重复是一种惩罚的手段。

编程这个职业知识更新比较快,可以学习的东西也很多。有些人觉得累,但有些人却觉得其乐无穷,觉得从事这个职业是很幸运的事情。

编程 的实质是建筑,根据应用的需求,不断建筑更大的信息块。我们所写的所有程序,都可以被看作对语言的扩充。事实上,我们在不停地开发新的语言,我们所写的每 个函数、每个类都是在为现有语言增加新的功能。我们按照适合特定应用的模式,组合各种信息块,完成实际的应用。这些信息块有的是我们自己做的,有的是拿来 的。

信息块可以被组合的关键就是简单、明确的接口。所以,我们应当针对接口编程,而不是针对应用编程。应用意味着变化和不可复用。将应用合理分解为模块,定义好模块间的接口,然后按照接口构建模块。模块分解的原则是:

§       模块的耦合程度尽可能得低(有人称此为最少知识原则);

§       接口尽可能简单(有人称此为接口隔离原则);

§       如果将变化的因素封装到模块中,每个模块应该只封装一个因素(有人称此为单一责任原则);

§       使特定于应用的代码尽可能得少

针对接口编程的好处有两个方面:

§       信息块可以被复用;

§       复杂性可以被更好地控制。

人们用各种方式复用知识,其实 C 语言本身又何尝不是知识的复用呢?其它复用方式包括:库函数、新的语言和编译器、新的脚本、类库、程序框架、设计模式、面向对象、面向组件、面向服务、面向方面、面向领域、各种开源代码、开发环境提供的各种 Wizard 和糖衣、各种代码生成工具等等。充分了解编程环境,善于复用各种资源,是程序员的基本功。

 

软件开发中的方法论

 

1 项目管理的方法论

1.1 方法论

方法论的英文为 Methodology ,编程的方法论应该是指软件开发的一整套方法、过程、规则、实践、技术。不过我们一般提到的方法论都偏重于项目、过程和人员的管理。

Agile Software Development 》的作者 Alistair Cockburn 提出方法论具有以下要素:角色、个性、技能、团队、技术、活动、过程、产品、里程碑、标准、质量、工具、团队价值,它们的关系可以用一幅图来表示:

 image001.jpg

虽然将这幅图贴在这里,事实上我不了解这些要素及其关系的确切定义,对于这些不能精确描述的东西,我接受起来比较困难。

其实,项目管理的核心是沟通和反馈。只要能够保证良好的沟通和即时的反馈,开发团队即使并没有采用先进的方法论,一样可以成功。从另一个角度说,过程和工件能辅助,但不能保证开发人员、项目经理和客户的良好交流。

1.2 重型方法

有的方法论规定了大量的中间文档和复杂的过程管理。那些中间文档被称为 artifact ,或工件。需要大量 artifact 和软件开发方法被称作重型( Heavy Weight )方法。

这些复杂的方法来源于恐惧。

在中大型的项目中,项目经理往往远离代码,他们无法有效的了解目前的工程的进度、质量、成本等因素。为了克服未知的恐惧感,项目经理制定了大量的中间管理方法,希望能够控制整个项目,最典型的莫过于要求开发人员频繁地递交各种报告。重型方法中的基本假设是过程(及各种 artifact )比个人可靠。

虽然很多轻型方法都将重型方法作为反面例子,但对于大多数大型项目,重型方法是管理所必需的。

1.3 轻型方法

为了解决重型方法存在的问题,业界出现了很多轻型( Light Weight )方法论。提出这些方法论的部分作者结成了一个联盟:敏捷软件开发。他们还有一个宣言:

§       Individuals and interactions over processes and tools.

§       Working software over comprehensive documentation.

§       Customer collaboration over contract negotiation.

§       Responding to change over following a plan.

在这些宣言后面还有很多原则。概括起来主要是:尊重个人,强调沟通和反馈,与客户紧密合作,保持设计的简单性等等。敏捷方法在重型方法论和无管理状态之间寻求一个平衡点,希望用低成本的管理活动带来最大的产出。

2 编程的方法论

作为程序员,我更感兴趣的是可以指导编程的方法论。

2.1 测试驱动开发

2.1.1 未谋进,先谋退

开始一件事情之前,必须先明确什么时候可以停止。什么 止于至善 ,在编程工作中可以一脚踢开。我们必须明确要做什么,做到什么样子就算完成了。

怎样才算明确呢?最理想的方法是先写一个测试程序,然后再编写代码,让测试通过。测试程序规定了停止的必要条件。

测试程序是针对接口编写的。要写出测试程序,必须先定义好接口,然后针对接口编程。测试程序同时示范了接口的使用。

如果有一个运行很方便的测试程序,我们在维护代码时,就放心得多。可以经常跑一跑,测试一下,以保证测试要求的功能还没有被破坏。相反,如果没有测试程序,我在修改代码的 bug 时,心里就很不踏实,因为我不清楚我的修改是否会引入新的 bug

2.1.2 保持可运行,可调试的状态

先写测试程序 适合没有 UI ,功能相对简单的模块。对于功能复杂的软件系统,需要测试的方面很多,测试时间很长,在开发前就建立一个比较全面的测试,并且随时使用,有时是不可能的。

但我们至少应该保证:写任何程序,都要尽量保持在可运行、可调试的状态。即使要为此写一些额外的程序,都是值得的。在不能运行的情况下,编写大量代码是不可思议的事情。

2.1.3 可测试性

IC 设计上有一个 “Design For Test” 的说法,即 IC 的设计中必须要考虑到如何测试,留好测试的接口。软件开发也是一样的,我们写每段代码,都要考虑一下这段代码是否可以测试,为了保证可测试性,必要的时候可以修改设计。

2.2 重构

《重构》这本书内容朴实、但对我个人影响很大。在了解 两顶帽子 小步前进 的方法后,我敢于修改任何代码,甚至是我不熟悉底层逻辑的代码。

2.2.1 两顶帽子

我们有两顶帽子:一顶是不改变功能的前提下,改善现有现有程序的设计;另一顶是增加新的功能,以适应需求变化。我们在任意阶段,应该只戴一顶帽子,绝对不能同时戴两顶帽子。

在增加新功能的时候,往往需要先改进现有的代码结构,使之能更好地适应变化。如果功能有较大变动,我们应该将这变动分解成尽可能小的步骤,并让改进代码和新增功能的小步骤交替进行。将原有代码平滑地演变到新代码,既增加了功能,又改善原有代码的设计。

重构的正式定义应该是 在代码写好之后改进它的设计 。但对我而言,重构的思想已经融入了我的开发过程。在开发中,我同样按照 两顶帽子 小步前进 的方针平滑地演变代码,从无到有,逐步完善。

2.2.2 代码的坏味道

重构的对象是消除 代码的坏味道 ,保持新鲜、健康的代码。《重构》中列举了一些典型的坏味道,例如重复代码、太长的函数、太长的参数列等等。

2.2.3 设计和重构

存在这么一种说法: 设计不再是一切动作的前提,而是在整个开发过程中逐渐浮现出来 的。

事实上,在没有任何软件工程理论的时代,编程基本上是写到哪儿算哪儿。历史是螺旋上升的,在投影上很接近的两个点在铅垂线方向上是处于不同高度的。

重构是要纠正过度设计的倾向,告诉程序员:即使开始的设计有缺陷,也没关系,更不要僵化地保持,我们可以重构代码,平滑地修改原有设计。这并不是说前期设计不重要。

设计是在整个开发过程中逐渐浮现出来 ,这是在说随着开发的深入,我们会对很多问题考虑地更加清楚。在必要的时候,我们应该用重构的方法灵活地改变设计,适应变化。

 

 

编程实践

鸠集遗失,鉴玩整理,昼夜精勤,每获一卷,遇一画,毕孜孜葺缀,竟日宝玩,可致者必货敝衣 , 减粮食。妻子童仆切切嗤笑,或曰:终日为无益之事何补哉。既而叹曰:若复不为无益之事,则安能悦有涯之生。
---
张彦远 《历代名画记》

1 编程的要素

编程有 3 个要素:语言、环境和思想。

1.1 语言

有人喜欢争论语言的优劣。其实,除了汇编语言,各种语言、脚本、标准库、类库、框架都蕴含着大量成熟的编程经验和思想。程序员应该多熟悉一些语言,特别是有代表性的语言。

个人觉得,一个程序员应该掌握一两种汇编语言( CISC X86 RISC ARM )、一种面向过程语言( C )、两、三种面向对象语言( C++ Java Delphi )、一两种脚本语言( perl python ruby )。如果有时间,可以再学习一些学术性较强的语言,例如 Scheme

学习新的语言,不仅可以吸收语言中蕴含的设计理念,还可以打开连接新空间的大门,使我们可以学习、复用使用该语言的各种资源,例如源代码、文章、书籍。

1.2 环境

1.2.1 开发时和运行时

环境可以被理解为程序所有外界环境的总和,包括开发时环境、运行时环境。我们在写一段程序时,应该对该程序的相关环境有清楚的了解。

开发时环境包括我们使用的编译(链接)环境、复用的代码(框架、类库、控件等),系统的逻辑结构、代码的文件组织、需要的工具软件、调试环境等等。

运行时环境包括程序运行时环境中所包含、发生的一切,特别是与我们的程序相关的部分。从小处看,我们应该知道如何确定每段代码运行的 context (线程和堆栈),每个变量所使用的空间的信息。从大处看,我们应该了解系统运行的来龙去脉,各个模块(逻辑概念)如何相互配合,各个线程(调度单位)如何相互通信,什么时候可能发生调度,系统中有哪些不确定的因素等等。

1.2.2 软件类型

比较 典型 的软件类型包括:

1.   Windows 操作系统;

2.   Linux 操作系统;

3.   编译器;

4.   虚拟机;

5.   调试器;

6.   Windows 的单机应用程序;

7.   Windows 的驱动程序;

8.   Linux 的应用程序和驱动程序;

9.   基于 socket 的客户端 - 服务器程序;

10.   数据库应用程序;

11.   使用数据库的 Web 应用程序;

12.   使用 RTOS 的嵌入式软件;

13.   不使用 RTOS 的单片机程序;

14.   DSP 程序;

15.   嵌入式环境的第三方程序( J2ME 应用、 BREW 应用、 symbian 的应用程序等等);

16.   各种中大型程序的脚本环境,插件的开发、运行环境;

17.   Office 应用程序开发;

18.   flash 编程;

软件的种类实在太多,所谓 典型 只是我个人的理解,肯定还有很多软件类型没有被列出来。程序员应该了解开发和运行这些软件时,究竟发生了什么。

对于 Windows Linux 操作系统,我们应该有个概要的了解:从 BIOS 程序读 Master Boot Record ,到系统的装载运行;应用程序或动态连接库( Linux SO )的装载;操作系统的基本模块(包括内核)的功能; Windows 如何通过 COM 机制将各个功能模块组合起来等等。这些内容是 PC 程序的基本运行环境。

嵌入式环境相对 PC 环境要简单一些,特别是用 NOR flash ,代码直接从 ROM 运行的系统。一方面,程序员通常可以看到系统运行的所有代码;另一方面,嵌入式环境有时不提供第三方程序运行机制,有时提供比较简单的机制,有时用 java 虚拟机当作第三方程序运行机制。不过,智能手机的应用处理器一般使用 NAND flash ,从 BIOS 运行一小段启动代码,将系统装载到 RAM 运行,同时支持应用程序装载运行,已经很接近 PC 环境。

编写单机应用程序,除了语言外,主要要熟悉各种库、框架、组件。一些通用库提供了常用函数、各种容器和算法、 GUI 、典型的程序框架,系统 API 的封装等等,例如:

§       移植性比较好的 C 标准库、 STL boost TK 等;

§       Windows 上的 MFC VCL Delphi/C++ Builder );

§       Linux 上的 ncurses X Windows GTK Qt 等;

§       访问数据库: VC++ ODBC DAO ADO Borland BDE 等;

§       Borland 做了一些在源代码级跨平台的库: Delphi/Kylix CLX dbExpress

§       CPAN 上的大量 perl 模块、 java 的类库等等;

上面列出的是一些比较通用的库。还有用于各种语言的大量专用库,各种提供二进制接口的组件、控件。

编译器、虚拟机也是单机应用程序(在嵌入式环境,虚拟机可能是系统软件的一个模块)。不过它们的地位比较特殊。作为程序员,我们应该了解编译器、集成开发环境、软件框架、虚拟机、操作系统分别为我们做了什么。

作为程序员,我们同样应该理解调试器也是一个应用程序,调试器的基本原理,它能做什么,有什么限制。如果调试器与目标程序运行在不同的 CPU 上,调试是如何实现的,有哪些不同的实现方式?例如 JTAG 调试利用了目标 CPU 的调试接口直接调试目标程序;串口调试要求将一段调试代码和目标程序链接在一起下到目标 CPU 中,由嵌入的调试代码与 PC 机的调试器通信实现调试。不同的实现手段决定了调试器的能力和限制。

目前最热门的软件类型就是使用数据库的 Web 应用了,例如各种网站、网络游戏、各种企业、行业、政府机构的管理系统,在这个领域集中了处于食物链不同环节的大量厂商,各种 Web 服务器、基础平台、应用开发框架。随便列一下,也能列出一堆名词:

§       HTML/CSS CGI

§       java applet java script ActiveX 控件;

§       php asp jsp servlet

§       .net 家族: asp.net ado.net 等;

§       J2EE with/without EJB Spring Struts Hibernate

§       Ruby on Rails Plone 等;

在一种软件类型上,集中了这么多开发技术、框架、模式,也可以称得上蔚为壮观了。不过,这个领域里确实是各种最新的编程思想、方法、设计模式的演武厅,如同当年的编译器,值得所有程序员研究、学习。

1.3 思想

COM 可以被看作 OLE 发展的衍生品。但它的重要性远远超过了 OLE 。它首被独立出来,成为 OLE ActiveX 的基础,然后逐步成为在 Windows 进行二进制集成的基础。 COM RPC 的结合产生了 DCOM DCOM MTS 的结合产生了 COM+ 。虽然这些技术都是用于 Windows 平台的,但组件技术的基本思想是独立于具体环境的。也就是说,对程序员而言,存在着独立于语言和环境之外的领域,这就是编程的思想。

例如看看 Qualcomm BREW ,就会发现它从 COM 中学习了多少东西。嵌入式平台的程序员使用 PC 平台的技术,这就是编程思想的价值。对于程序员来说,各种编程思想、设计模式,是最为宝贵的东西。这里所说的设计模式并不局限于 GOF 的《设计模式》,任何惯用的手法都可以被看作模式。

一些基本的编程思想起源于更普遍的智慧。例如:

心智的活动,除了尽力产生各种简单的认识之外,主要表现在以下三个方面: 1) 将若干简单认识组合成一个复合认识,由此产生出各种复杂的认识。 2) 将两个认识放在一起对照(在这样做时并不将它们合而为一),不管它们如何简单或者复杂,由此得到有关它们的相互关系的认识。 3) 将有关认识与那些在实际中和它们同在的所有其他认识隔离开,这就是抽象。所有具有普遍性的认识都是这样得到的。
--- John Locke,
有关人类理解的随笔

程序员从这段 1690 年的文字中能看到什么。组合、对照、抽象,这些基本的思维工具同样也是程序员最基本的工具。

2 编程规则

编程是一门技艺,如同我们必须跳到水里才能学会游泳,我们必须多看、多写程序,才能学会编程。

任何 技艺的学习都包括知识和能力两个部分。知识是明确的,可以用时间换取。能力是说不清的,不易掌握的。一般而言,能力高的人能够更快地积累知识,善于从已有 的实践中总结规律,善于复用已有的模式,他们能更快地对复杂的环境形成清晰的认识,用最简洁、优雅的方式解决问题。如何提高编程能力应该是因人而异,每个 人应该找到自己的学习路径,有自己的规划。

编程的表象千变万化,但在表象背后,还是有一定规律的。在某些条件下,这样做会比那样做更好一些。我们可以将这些东西称作经验、原则、规则,或者其它任何名词。

下面松散地列举了一些规则。我们应该在实践中检验已知的规则,总结自己的规则。

规则一 这世界上唯一的真理就是不要盲目相信真理

从某种意义看,原则、规矩这类东西就是用来打破的。所谓原则,就是对历史上某种经验的总结。如果我们踏入的河流和前人非常接近,我们可以参考前人的经验。我们是主动地拿来,而不是被动的遵守。

规则二 未蕴而变,自欺也;知律而变,智者之道也

这句话谈的是学词,必须先了解格律,然后才谈得上变化,否则就是自欺欺人了。在编程上,也是一样。在有资格打破一条原则前,首先要了解这条原则。先了解事物的规律,然后才是变化和灵活的应用。不要打倒自己不了解的东西。

规则三 寻找结构和成本的平衡点。当结构不能容纳变化时,重构代码到新的平衡点

开闭原则要求:一个软件实体应该对扩展开放,对修改关闭。即软件的结构要达到:允许在不修改软件的前提下扩展软件功能。

但好结构是要花成本的。程序员总是在折衷,寻找结构和成本的平衡点。我们会放一些余量,让结构能承受一定的变化。

规则四 要针对接口编程,不要针对应用编程

前面谈过了。我们总希望通过工作得到一些收获,积累一些经验。只有将代码分解成尽可能独立的模块,然后针对接口编程,才能保护我们的成果,让我们有所积累。

规则五 最少知识原则:模块对外界的了解应当尽可能少

前面也谈过了。所谓 圣人之治 ,经常是 虚其心,实其腹;弱其志,强其骨,常使民无知无欲 。让被管理的对象尽可能得弱,对象间的关系尽可能得简单,可以降低管理的成本。

在面向对象编程中 组合优于继承 ,就是因为继承将基类的实现细节暴露给子类,两者的耦合性太强了。另外,继承的实现是静态的,而组合可以更灵活地实现。

规则六 尊重习惯

在任何领域编程,应该尽量了解这个领域的习惯,尽量符合这些习惯。这样,别人可以更容易地理解和使用我们的程序,更不容易出错。

规则七 程序中不要出现 magic number 或其它神奇的东西

magic number 就是诸如 17 42 这类数字。请用有描述性的常数名替代它们。常数名、变量名、函数名就是最好的注释。结构清晰的代码甚至可以不需要其它注释。

需要很多注释的代码 是代码坏味道的一种,常常意味着需要重构代码,使它更容易被理解。

规则八 两顶帽子 小步前进

两顶帽子 前面讲过了。面对复杂的问题,我们不仅要从结构上分解它,还要将实现步骤尽可能地分小,在一时一地以压倒性优势解决问题的一小部分。 n-1 个总比 n 个好对付,我们越来越强大,敌人越来越弱小,我们要做的只是将优势保持到最后。 保持优势 的关键是正确的理解、合理的划分。

规则九 适当地引入中间层,可以解决所有问题

这条规则是实质是 抽象 。在遇到问题时,多引入一层接口,将问题封装起来。

抽象本身并没有消除系统的复杂性,但它减少了在某个时刻需要处理的细节的数量。或者说,抽象将复杂性控制在接口和模型的后面,可以推迟我们处理这些复杂性的时刻。

这条规则的另一个说法是 多做白日梦 。假设我们已经得到了需要的东西,然后会怎么样?通过 白日梦 我们可以在更高的层次考察问题,可能找到解决问题的线索,也有可能发现这个问题毫无价值。即使毫无收获,我们也的损失也很小。

规则十 不要依赖调试,尽可能地依赖分析和推理

我经常会在头脑中预演调试的过程,计算我要做什么,我能得到什么。 预演 的结果经常是我没有必要这样调试,或者应该试一试另一个方法。

根据测不准原理,任何实际的测量、调试都会改变、影响被研究的对象。用调试辅助、验证我们的推测,但不要依赖调试。
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