论程序设计方法

本文是我在“软件工程师班”开学第一节课的讲义，和“计算机软件设计发展”讲座上的内容整理而成。写作本文的目的是引导学生从更高的层次来看待程序设计方法，为将来成为高级程序员而做好理论准备。

一、计算机硬件环境对软件设计方法的限制
　　计算机的发明到现在已经60年了，计算机程序设计方法也伴随着计算机硬件技术的提高而不断发展。硬件环境对软件设计既有严重的制约作用，也有积极的推动作用。
　　在我的大学母校（此处删除6个字），数学系的一些老师，有幸成为了我国第一代的计算机DIY一族。呵呵，不要以为是组装PC机呦，他们组装的可是小型机。一人多高铁皮柜大小的主机，加上纸带机（后期改进为读卡机），组装好后，除了供学校自己的科研使用外，还在全国各地销售了十几台。当时（七十年代）一台的售价是10几万元人民币，如果换算到今天，相当于价值大约为100多万元，非常高档的小型计算机了。下面大家猜猜，这么高档的计算机，它的内存是多少那？（都把嘴闭好了，我要公布答案了）—— 4K。
一块50公分见方的内存板，
插入到主机箱中，好了------ 1K；
再插一块内存板，好了------ 2K；
再插一块内存板，好了------ 3K；
再插一块内存板，好了------ 4K；
再......不行了，插不起了，太贵了！这就是当时的环境。这样的环境下，用什么写程序那？当然只有机器码了。先用汇编写，然后翻阅手册手工改写为机器码，然后打卡或穿纸带，输入运行。可以想象，在当时的条件下，什么叫好的程序那？什么叫优秀的程序那？—— 技巧！
　　程序设计的最初始阶段，是讲究技巧的年代。如何能节省一个字节，如何能提高程序运行的效率，这些都是要严肃考虑的问题。而所谓的程序的易读性，程序的可维护性根本不在考虑范围之内。
　　今天，35岁以上的学习过计算机的朋友可能都使用过一种个人计算机——APPLE-II（中国也生产过这种计算机的类似产品“中华学习机”）。主频1M，内存48K（扩展后，最多可达到64K）。我就是使用这样的计算机长大的 :)。当年，类似的个人计算机产品，还有PC1500，Layser310等。这种计算机上已经固化了 BASIC 语言，当然只是为学习使用。要想开发出真正的商业程序，则必须使用汇编，否则的话，程序就比蜗牛还要慢了。于是，程序设计中对于技巧的运用，是至关重要的了。

题外话1：
　　比尔盖茨是 BASIC 的忠实拥护和推动者。当年，他在没有调式环境的状况下，用汇编语言写出了一款仅有 4K 大小的 BASIC 解释器，且一次通过。确实另人佩服。（不象现在微软出品的程序，动辄几十兆。）这也许就是比尔对 BASIC 情有独忠的原因，每当微软推出（临摹）一个新技术，则他会立刻在 BASIC 中提供支持。

题外话2：
　　在 APPLE-II 上有一款游戏软件“警察抓小偷”，当年熬夜玩游戏，乐趣无穷。后来这款游戏被移植到了PC上，咳~~~根本没有办法玩，因为小偷还没跑就被警察抓到了。硬件的速度提升，另我无法再回味以前的时光了。

二、结构化程序设计
　　随着计算机的价格不断下降，硬件环境不断改善，运行速度不断提升。程序越写越大，功能越来越强，讲究技巧的程序设计方法已经不能适应需求了。记得是哪本书上讲过，一个软件的开发成本是由：程序设计 30% 和程序维护 70% 构成。这是书上给出的一个理论值，但实际上，从我十几年的工作经验中，我得到的体会是：程序设计占 10%，而维护要占 90%。也许我说的还是太保守了，维护的成本还应该再提高。下面这个程序，提供了两种设计方案，大家看看哪个更好一些那？

题目：对一个数组中的100个元素，从小到大排序并显示输出。(BASIC)

方法1：冒泡法排序，同时输出。

  FOR I=1 TO 100
       FOR J=I+1 TO 100
            IF A[I] > A[J] THEN T=A[J]: A[J]=A[I]: A[I]=T
       NEXT J
       ? A[I]
  NEXT I
      

方法2：冒泡法排序，然后再输出。

  FOR I=1 TO 100
       FOR J=I+1 TO 100
            IF A[I] > A[J] THEN T=A[J]: A[J]=A[I]: A[I]=T
       NEXT
  NEXT
  
  FOR I=1 TO 100
      ? A[I]
  NEXT      

　　显然，“方法1”比“方法2”的效率要高，运行的更快。但是，从现在的程序设计角度来看，“方法2”更高级。原因很简单：（1）功能模块分割清晰——易读；（2）也是最重要的——易维护。程序在设计阶段的时候，就要考虑以后的维护问题。比如现在是实现了在屏幕上的输出，也许将来某一天，你要修改程序，输出到打印机上、输出到绘图仪上；也许将来某一天，你学习了一个新的高级的排序方法，由“冒泡法”改进为“快速排序”、“堆排序”。那么在“方法2”的基础上进行修改，是不是就更简单了，更容易了？！这种把功能模块分离的程序设计方法，就叫“结构化程序设计”。

三、对程序设计中技巧使用的思考
　　我可以肯定，大家在开始学习程序设计的时候，一定都做过这样一个题目：求100以内的素数。老师在黑板上，眉飞色舞地写出了第一个程序：（C程序）
方法1：

for(i=1; i<100; i++)
{
   for(j=2; j< i; j++)
       if(i%j == 0) break;
   if(j >= i) printf("%d,", i);
}      

　　然后，老师开始批判这个程序“这个叫什么呀？太慢了！因为我们都知道大偶数不可能是素数了，因此，要排除掉！” 于是，意尤未尽地写出了第二个程序：

方法2：

printf("2,");
for(i=3; i<100; i+=2)
{
   for(j=2; j< i; j++)
       if(i%j == 0) break;
   if(j >= i) printf("%d,", i);
}      

　　老师说：“看！我们只改动了一点点，程序运行的速度就提高了一倍多”。然后运用诱导式教学法继续提问“程序的效率，还能再提高吗？能！”，得意地写出第三个程序：

方法3：

printf("2,");
for(i=3; i<100; i+=2)		''不考虑大偶数
{
    for(j=3; j< i/2; j+=2)	''不考虑用偶数去测试，而且只验算到一半就足够了
        if(i%j == 0) break;
    if(j >= i) printf("%d,", i);
}      

　　“大家看，我们又只改动了一点点，运行速度又提高了一倍多。可以了吗？不可以！我们还能再提高”。于是又高傲地写出了第四个程序：

方法4：

printf("2,");
for(i=3; i<100; i+=2)
{
    int k = sqrt(i);
    for(j=3; j<= k; j+=2)
        if(i%j == 0) break;
    if(j >= k ) printf("%d", i);
}      

然后，开始证明为什么我们判断素数的时候，只需要验算到平方根就足够了：

　　假设p是合数，那么令:p=a*b。反正法：由于我们已经判断了p的平方根以内的整数都不能被p整除，于是 a>SQRT(p)。基于同样的理由 b>SQRT(p)。于是 p = a * b > SQRT(p) * SQRT(p) = p 得出矛盾， 命题得正。
　　的确，“方法4”的确比“方法1”的运行速度要提高了好几倍，甚至好几十倍。但我们仔细分析测试看看。
（1）“程序4”到底比“程序1”快了多少那？我在某台计算机上进行测试（P4，1.5G)得到的速度对比表：

计算范围	100	1000	10000	100000
速度差	0.00秒	0.01秒	0.18秒	15秒

（2） 在10万以上，才会看出一些差别。而这种差别根本就不够底偿程序设计阶段的付出。如果计算的范围再大，那么不管是“方法1”，还是“方法4”都不是好的算法。（计算素数的另外一个比较优秀的算法叫“漏筛法”）

（3）写出“方法1”，只要具有小学四年级的数学水平就够了，而“方法4”则需要初中三年级的水平并且还要具备一些“数论”的知识。

（4）从维护性看，如果你写的程序需要另外一个程序员来维护，或者若干时间以后，你重新来阅读这段程序，那么就会对这个程序产生很多疑问：这个求平方根是干什么用的？其实，就这个题目来说，使用到“方法3”就已经足够了。

总结发言：

• I. 计算机的价格每年下降一半，而运算速度每年提高一倍”，因此我们应该把速度提高的任务交给硬件实现。
• II. 从易读性、维护性出发，程序员只负责按定义给出软件实现。算法的问题是数学家解决的。

题外话：
　　多年以来，人们一直在寻找动态图象(影视)的存储和回放的算法，但效果都不理想。直到有人发现，原来在200多年前的数学家早就帮我们解决了这个问题——傅立叶（Fourier）级数展开。因此我要说，优秀的算法不是我们程序员要考虑的问题，我们的任务只要按照数学家给出的算法翻译为计算机程序语言而已。（这句话恐怕要遭到大多数程序员抛出的板砖袭击）再比如，计算一元多次方程解的问题。我们使用的就是牛顿的迭代算法。不要怪我瞧不起你，你能发明这个方法的话，那就是当代的牛顿了。

四、程序的易读性与书写方法
　　程序是否容易阅读和维护，与怎么书写有很大的关系。说实在的，C语言中为了方便程序员书写，允许使用++,--,<<,&&，？......这些运算符号。但很多人经常乱用，以为自己写的程序多么简洁，效率多高。其实，当你分行书写的话则更加容易阅读和维护，效率也不会降低，因为编译程序早就帮你优化为最快捷的代码了。先看一个简单的例子：

计算一个整数乘 255(C语言)

方法1：a *= 255;

方法2：因为移位运算比乘法运算要快很多倍，因此a*255的运算书写为：

a =(a<<8)-a; //a*255 = a*256 - a = (a<<8) - a

　　方法1的书写非常简单，直截了当，显然更容易维护。而方法2的书写运用了移位的技巧，不容易阅读，但效率最高。是不是真的是这样那？把这两个程序编译为汇编代码看看。原来无论是方法1还是方法2，它们的汇编代码都是一样的：

mov ecx, eax
shl eax, 8
sub eax, ecx

　　也就是说，你认为非常技巧的书写方法，其实编译器的优化功能早就帮你想到了。那么方法2的方式就很值得批判了。下面是几个有关C语言书写方面的重要原则：
　

1. 尽量表达愿义，多加注释；
2. 变量名称和函数名称，要使用有意义的符号，并且遵守“匈牙利命名法”；
3. 不要为俭省内存，使一个变量在一个模块中表达多个含义。
   在某个模块中，前半部分用i表示计数器，由于后半部分不再使用计数器了，于是又用i来保存某个中间的结果。等你维护这段程序的时候，保证你肯定会犯傻的。
4. 在使用条件表达式的时候，不要混合书写运算表达式；
   经常有人在书写for循环的时候，使用这样的方式：

           for(int a=1,s=0; a<=100 && (s+=a); a++);      

   天呀，这样写是不会提高程序运行效率的，尤其是当运算表达式复杂的时候，就更不容易阅读了，还是把运算写到for的循环体中吧。

           int s = 0;
           for(int a=1; a<=100; a++)
           s += a; //计算1+2+...+100 这不很好吗?!        

   再比如，if(a=b)这个写法在语法上是允许的，但不要使用。要使用也要if(0!=(a=b))这样的方式。 还有值得一提的是慎用“,”（逗号运算符）。
5. 不要连续使用++,--,<<，*，& .....这样的运算符号。
   

           a = b++-(--c<<1+e&0x0f>>1); //这个人有病。出这个题目考试的老师，也有病。        

6. 常量要写在条件表达式的左边；
   if(5 == a) 这是正确的写法，这样书写可以避免勿输入而导致的 if(a=5)这样的错误。
7. 避免程序中{ }的嵌套层次太深；
   最多4层。如果必须大于4层，那么写成调用子函数或宏的方式。
8. 尽量多地使用断言；
   当你在书写程序的过程中，凭你的智慧，你一定是知道：程序运行到我正书写的这行代码的时候某个变量一定是某个值。好啦，那么不要忧郁，马上加上一句代码：ASSERT(nnn == xxx);。将来在调式维护这段代码的时候，你会得到无限美妙的回报。
9. 书写需要“成对匹配”使用的代码的时候，在写使用代码之前，就先把结束写出来；
   

           file.Open(...); //当要打开文件的时候 char *lp=new char [100]; //当要申请内存的时候
           ...... //先不要写这段代码 ...... //先不要写这段代码
           file.Close(); //马上写关闭 delete [] lp; //马上写释放
           
           xxx.Loack(); //当某个对象需要锁定的时候 for(....)
           ...... //先不要写这段代码 { //写大括号的时候
           xxx.Unlock(); //马上写解锁 } //马上写大括号结束       

   和这个道理相同，在C++的类中，如果需要申请内存，那么先在构造函数中给出 lp=NULL;然后马上在析构函数中书写 if(lp) delete []lp;
10. 可以适当地使用goto；
    在结构化程序设计中，goto 是被排斥的。但是，如果适当地使用 goto 不但不影响斜率，而且还能提高程序的可读性。

题目：合并2个文件到一个新文件中。（不要挑我的毛病呀~~~~~，我使用的是类C的方式书写的。）
方法1：

FILE *f1,*f2,*f3;
if(Open(f1)成功)
{
    if(Open(f2)成功)
    {
        if(Open(f3)成功)
        {
            ......	//这里是真正干活的地方
            Close(f1);
            Close(f2);
            Close(f3);
        }
        else //f3不成功
        {
            Close(f1);
            Close(f2);
            ......
        }
    }
    else //f2不成功
    {
        Close(f1);
        ......
    }
}
else //f1不成功
{
......
}      

==========================================================
方法2：

FILE *f1=NULL,*f2=NULL,*f3=NULL;
if(Open(f1)不成功) goto err;
if(Open(f2)不成功) goto err;
if(Open(f3)不成功) goto err;
...... //这里是真正干活的地方
err:
if(f3) Close(f3);
if(f2) Close(f2);
if(f1) Close(f1);

　　方法1是最最标准的结构化设计，好吗？不好！尤其是当{ }的层次比较深的时候，估计你寻找真正干活的代码的地方都找不到。而使用方法2的程序，不但程序容易读，而且没有{ } 的深度。在C++中，又提供了异常try/catch的设计结构，而异常的结构则比 goto 的结构更好、更完善了。

五、面向对象的程序设计
　　随着程序的设计的复杂性增加，结构化程序设计方法又不够用了。不够用的根本原因是“代码重用”的时候不方便。面向对象的方法诞生了，它通过继承来实现比较完善的代码重用功能。很多学生在应聘工作，面试的时候，常被问及一个问题“你来谈谈什么是面向对象的程序设计”，学生无言，回来问我，这个问题应该怎么回答。我告诉他，你只要说一句话就够了“面向对象程序设计是对数据的封装；范式（模板）的程序设计是对算法的封装。”后来再有学生遇到了这个问题，只简单的一句对答，对方就对这个学生就刮目相看了（学生后来自豪地告诉我的）。为什么那？因为只有经过彻底的体会和实践才能提炼出这个精华。
　　面向对象的设计方法和思想，其实早在70年代初就已经被提出来了。其目的就是：强制程序必须通过函数的方式来操纵数据。这样实现了数据的封装，就避免了以前设计方法中的，任何代码都可以随便操作数据而因起的BUG，而查找修改这个BUG是非常困难的。那么你可以说，即使我不使用面向对象，当我想访问某个数据的时候，我就通过调用函数访问不就可以了吗？是的，的确可以，但并不是强制的。人都有惰性，当我想对 i 加1的时候，干吗非要调用函数呀？算了，直接i++多省事呀。呵呵，正式由于这个懒惰，当程序出BUG的时候，可就不好捉啦。而面向对象是强制性的，从编译阶段就解决了你懒惰的问题。
　　巧合的是，面向对象的思想，其实和我们的日常生活中处理问题是吻合的。举例来说，我打算丢掉一个茶杯，怎么扔那？太简单了，拿起茶杯，走到垃圾桶，扔！注意分析这个过程，我们是先选一个“对象”------茶杯，然后向这个对象施加一个动作——扔。每个对象所能施加在它上面的动作是有一定限制的：茶杯，可以被扔，可以被砸，可以用来喝水，可以敲它发出声音......；一张纸，可以被写字，可以撕，可以烧......。也就是说，一旦确定了一个对象，则方法也就跟着确定了。我们的日常生活就是如此。但是，大家回想一下我们程序设计和对计算机的操作，却不是这样的。拿DOS的操作来说，我要删除一个文件，方法是在DOS提示符下：c:> del 文件名<回车>。注意看这个过程，动作在前（del），对象在后(文件名),和面向对象的方法正好顺序相反。那么只是一个顺序的问题，会带来什么影响那？呵呵，大家一定看到过这个现象：File not found. “啊~~~，我错了，我错了，文件名敲错了一个字母”，于是重新输入：c:> del 文件名2<回车>。不幸又发生了，计算机报告：File read only. 哈哈，痛苦吧:)。所以DOS的操作其实是违反我们日常生活中的习惯的（当然，以前谁也没有提出过异议），而现在由于使用了面向对象的设计，那么这些问题，就在编译的时候解决了，而不是在运行的时候。obj.fun()，对于这条语句，无论是对象，还是函数，如果你输入有问题，那么都会在编译的时候报告出来，方便你修改，而不是在执行的时候出错，害的你到处去捉虫子。
　　同时，面向对象又能解决代码重用的问题——继承。我以前写了一个“狗”的类，属性有（变量）：有毛、4条腿、有翘着的尾巴（耷拉着尾巴的那是狼）、鼻子很灵敏、喜欢吃肉骨头......方法有（函数）：能跑、能闻、汪汪叫......如果它去抓耗子，人家叫它“多管闲事”。好了，狗这个类写好了。但在我实际的生活中，我家养的这条狗和我以前写的这个“狗类”非常相似，只有一点点的不同，就是我的这条狗，它是：卷毛而且长长的，鼻子小，嘴小......。于是，我派生一个新的类型，叫“哈巴狗类”在“狗类”的基础上，加上新的特性。好了，程序写完了，并且是重用了以前的正确的代码——这就是面向对象程序设计的好处。我的成功只是站在了巨人的肩膀上。当然，如果你使用VC的话，重用最多的代码就是MFC的类库。

六、组件（COM）程序设计
　　有了面向对象程序设计方法，就彻底解决了代码重用的问题了吗？答案是：否！硬件越来越快，越来越小了，软件的规模却也越来越大了，集体合作越来越重要，代码重用又出现的新的问题。

1. 我用C++写的类，不能被BASIC重用——不能夸语言；
2. 你要干什么，想重用我的代码？不行，这样你就看见了我的设计思想——只能在源程序级别重用，不能在二进制级别（可执行代码及）重用；
3. 我耗尽毕生的精力，写了一个包罗万象的类库，但没有人用。因为他们说：你这个太大了，我的程序只有1K，你却给我一个 10000MB 的库——MFC 的尴尬；
4. 太好了，我终于找到了程序中的一个BUG，已经修改完成，而且是只改动了一个字节。接下来我要重新向我的用户分发新的版本，我的用户有......10万个——升级的非鲁棒性，不是我分发累死了，就是用户重新安装累死了。（鲁棒：robust。意为强壮性的，平顺的，顺滑的.....鬼知道是哪个不懂计算机的人翻译的这个词汇。）
5. 我想写一个集大成的软件，这个软件的功能是我中有你，你中有我。既能实现文字编辑，又能实现电子表格计算，又能实现自动翻译，还能画图，还能实现数据库检索，还可以看电影.....只要用了我的这个软件，想要什么就有什么，我要强占整个软件的市场------OLE实现的重用功能，只要学会了COM，这些都不是问题了；
6. 用户甲要求我的软件窗口上下分割，用户乙要求我的软件窗口左右分割......我需要在我的软件基础上，派生出100个类型，可怎么办呀？将来怎么维护呀？------在脚本的支持下，实现同一程序的的灵活配置而重用，问题迎刃而解了；
7. 我是个老板，你知道我有多痛苦吗？我手下的员工向我提出加工资的要求，我不得不答应呀。因为如果这个员工跳槽了，他的代码要维护起来有多难！！！——现在好啦，我要求员工统统用组件写模块，想加工资？门都没有，威胁我要走？那你走吧，这个月的工资也不发了。反正用组件写的代码，我可以很容易地进行包容和聚合实现维护。（老板的福音，程序员的悲哀）；
8. 还有好多那，现在想不起来了......

　　COM程序设计方法，就是解决以上问题的一个方式。有很多朋友觉得COM非常复杂难懂，不想学习了。你一定学习过程序设计的最基本的方法（非结构化设计：汇编、gwBasic......）,然后，你又学习了结构化程序设计（C、Pascal......）,然后，你又努力学习并熟练掌握了面向对象的程序设计方法（C++、Delphi、Java......）,那么不要怕，要有信心去学习组件程序设计，它只是一个设计方法和思想，并且是目前较高级的方法，如果不掌握，就太可惜了。

学习了结构化程序设计，你就会“藐视”那些不遵守结构化设计思想而写出的代码；
学习了面向对象设计，你就会“嘲笑”那些为找BUG而晕头转向的程序员；
同样，学习了组件程序设计，你就会站在更高的层次看待程序设计。

七、结束语
　　写程序的目的是什么？养家糊口、兴趣使然、我的事业......这些都对。但我要强调的是：写程序的目的是为了修改程序。在这个观点上，那么写注释、写文档、选择语言、选择结构......都是为这个服务的。本文从软件设计方法的进化角度来反复阐述这个观点，希望爱好者能有所体会和思考。
文中所讨论的技术和观点，适合于大多数情况下的程序设计，而对于特殊的应用的（驱动开发，嵌入式开发，网络通讯，实时视频......），这些领域中，由于硬件环境的限制和极限效率的要求，有些观点就不合适了，需要具体情况具体分析。另外就是对于程序设计的初学者，可以先不考虑这么多问题，以掌握基本技巧方法和思想为要。

欢迎大家批评指正。文中一些调侃的部分，也请勿对号入坐^_^。

原文转自：http://www.ltesting.net