紙上程式設計

http://www.ithome.com.tw/itadm/article.php?c=77103 文/林信良 2012-11-07

善用紙上作業，避免附屬性困難的干擾

林信良 因在網路上經營「良葛格學習筆記」（openhome.cc）而聞名，曾任昇陽教育訓練中心技術顧問、甲骨文教育訓練中心授權講師，目前為自由工作者，從事講師、技術書籍寫作與翻譯，專長為Java 程式開發相關技術教育訓練，研究興趣包括：程式語言、Web 相關開放原始碼框架。閒暇之餘記錄所學，技術文件涵蓋 C/C++、Java、Ruby/Rails、Python、JavaScript 等領域。 現代人太依賴電腦，任何事都在電腦上進行，忘了拿筆時應有的思考方式，忘了面對紙時的環境隔離。有時開發者會發現，自己根本不是在思考如何解題，而是被一堆語法混亂、被API名稱給困擾。 此時與其胡亂地在電腦上打字，看著不斷吐出的錯誤訊息，不如關掉電腦，封閉在紙筆的世界中，專心一致地解決問題的本質性困難。 程式設計師最怕沒有電腦？ 對於程式初學者，許多先進都會告誡，以文字檔案撰寫程式，使用命令模式編譯程式等以奠定基礎，這樣才能掌握該門語言技術的細節，才不會被特定開發工具給限制，將來面對問題時也才有能力解決。 先進們的話沒有錯，開發工具會協助開發者處理許多細節以增進程式產能，然而基礎不足的初學者直接使用開發工具，會因為隱藏過多細節而看不清底層運作的各種原理。 直接面對編譯器等基本工具，開發者需要注意原始碼檔名、格式、編碼等問題，得瞭解發生問題時，編譯器抱怨的內容為何，要明白如何布局原始碼與相關資源，而等到將來使用開發工具時，對於各種便捷功能或自動化流程，我們就能清楚明白底層的實際運作。 若直接面對編譯器這樣的簡單工具，可讓開發者瞭解語言技術的本質，而語言技術是用來描述問題的工具，那麼如果連編譯器都沒有，不！如果連電腦都沒有，那麼開發者是否可完全掌握到所面對的問題本質呢？ 沒有電腦？那怎麼寫程式？《黑客列傳》描述了電腦還是龐然大物的那個年代：「操作員會依照這些特權人士想要輸入紙卡的各種指令，用這些機器在紙卡上打洞。卡片上的洞代表給電腦的各種指令……」操作員會把紙卡放到「讀取器」裡讀取那些孔洞，然後等待幾個小時或幾天才能得到結果，如果程式有誤，就得拿回紙卡進行修正，重來一次這個漫長的過程，為了避免使用電腦的這種附屬困擾，獲得使用特權的人得兼具細心、耐心，完全靠腦袋仔細分析問題，以便在紙上寫出要電腦執行的工作流程。 時至今日，程式設計發展近五、六十年，開發者可在電腦上直接撰寫程式、編譯、執行、除錯，即時互動給予程式開發者莫大產能，雖然附屬困擾大幅降低，但依舊存在。 在用語言描述問題時，關鍵字、語法錯誤會令開發者分心，考慮使用何種API會讓焦點離開問題，為了查詢組態設定，查閱文件或開啟瀏覽器，更讓開發者進入搜尋的情境，徹底把真正要解決的問題拋在一旁……，結果就是……。現在沒有了電腦，恐怕許多開發者一行程式也寫不了。 《人月神話》作者Frederick P. Brooks在《沒有銀彈：軟體工程的本質性與附屬性工作》中指出，軟體開發的困難分為兩類：從軟體天性沿生（inherent）而來的本質性（Essence）困難，以及伴隨（attend）產品而來的附屬性（Accidents）困難。  本質性困難在於軟體本身是由眾多交錯的概念建構而成，像是資料集、資料項目之間的關係、演算法等，若要解決軟體面對的問題，就是解決這些概念本身的複雜性（Complexity）、概念間彼此的配合性（Conformity）、概念受到人、事、時、地、物等因子影響的可變性（Changeability），以及軟體本身看不到、摸不著、難以呈現結構的不可見性（Invisibility）。  附屬性困難則在於將建構好的概念實際呈現，也就是具體在電腦上實作時發生的困難。  《黑客列傳》中描述了TX-0中可用的指令只有00、01、10、11，單是要讓兩個數字相乘，得連續組合這四個指令，像是10011001100001——盯著一長串由二進位制數字組成的指令「會讓你在幾分鐘內成為語無倫次的精神病人」。丹尼斯撰寫了組譯器，可以用ADD Y等較簡單的象徵形式來寫程式；高階語言避免直接處理暫存器等低階細節；具備垃圾收集（Garbage Collection）的語言，讓開發者免於自行配置與釋放記憶體，避免許多犯錯的機會。  相同軟體概念在不同時空於電腦上實現時，會產生不同的附屬性困難，也會因為技術突破消除掉重大的附屬性困難，使得開發難度下降，而獲得大幅的產能甚至品質提升。  然而無論語言技術或工具如何便利，本身必然都會帶入某些附屬性困難。框架的使用必然會有組態設定問題；使用所視即所得工具，開發者能自行控制、修改的部份必然受限。附屬性困難會造成解決問題本質性困難的阻礙，例如某開發者對於大整數運算的資料結構與演算就算瞭然於心，但要以某不熟悉的語言實作時，首先都會因關鍵字、語法或API等問題而暫時絆住了腳。  紙上作業避免附屬性困難的干擾  有些公司在應徵新人時，會讓新人當場寫程式，有的是用電腦寫，有的是用紙筆寫，對於後者，多數應徵者反應通常不佳。《程式之美》描述應徵者典型的回應模式是：「我不習慣在紙上寫程式，平時都在電腦上寫……」作者談到，其實可藉此觀察到「應徵者面對這個陌生問題時，如何開始分析」。  面對陌生問題時如何開始分析，就是要觀察應徵者如何面對問題的本質性困難。如果真正想解決的是問題本身，想要分離問題的本質性困難與附屬性困難，最好的方法也許是遠離電腦。開發者或許都有這種經驗，在程式中胡亂地調整數據或語法，像是發現迴圈中判斷停止有問題時，隨意地將>改為>=，結果「好像」對了就好……那麼你真的瞭解問題並解決了嗎？是否清楚明白迴圈中止的條件與邊界呢？  常聽及不少先進談到，由於早期電腦不普及，對於程式設計的狂熱，使得他們常在沒有電腦的情況下，於紙上進行程式設計，這使得他們不會被附屬性困難干擾，專心面對問題的本質性困難。實際上在紙上實作是一種相當重要的訓練，曾看過有公司的應徵條件之一是「能用筆在紙上寫程式，用眼睛幫別人程式除蟲（Debug）」。  在紙上寫程式既然是要避免附屬性困擾的干擾，找出解決問題時的真正邏輯，首先就得避免從語言的角度開始，改由分析問題的組成與結構出發。 例如要解決的問題集合為何？需要什麼樣的流程？要產生何種結果？在紙上，先將整個或部分程式概略地計畫出來，接下來運用語言描述出來，這邊的語言不一定是指程式語言，也不是要求寫出語法正確無誤的程式碼，開發者可用任何能在紙上運用自如的語言，必要時亦可使用母語表示，也無需盤算呼叫特定API。例如，如果想清空項目清單，並非分心去查閱List是否有clear方法可呼叫，儘管寫下「清空清單」就好。  重點在定義問題  《Coders at work》中Guy Steele談到：「在做演算法設計的時候，使用多種語言的結合，我感到運用自如。在我需要和自己交流的時候，我總是走到白板前，寫下Java、Fortran還有混雜著APL的片段。」  實際上，這是一種真正在定義問題本質的過程，開發者若對問題本身沒有足夠的瞭解，就急忙打開電腦直接寫程式，或許更多時間只是被語法混亂而浪費掉。  就如《Best Programming Quotations》中收錄的引言，「程式越早寫，程式寫越久」、「花幾個星期寫程式，可以省下你幾個小時的規畫時間」。面對本質越來越複雜的軟體，定義問題越來越重要，而語言、框架或工具的出現，只是為了更快地將概念施行在電腦上的一種手段。