谈谈编程(3) 编程实践

谈谈编程(3) 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。
--- 唐 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的X86、RISC的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的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++的ODBC、DAO、ADO，Borland的BDE等；
  
• Borland做了一些在源代码级跨平台的库：Delphi/Kylix的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和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和RPC的结合产生了DCOM。DCOM和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的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”和“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。