極客大學架構師訓練營 編程的本質與未來 第三課 聽課總結

說明

編程的本質與未來

這一課的內容都是從Bob大叔（Robert C. Martin）的書《敏捷軟件開發原則、模式與實踐》借鑑而來。筆者也寫過Bob大叔2016年的演講，可以配合來看。【編程的未來 Java, C, Go, Swift, Dart? Uncle Bob Martin - The Future of Programming 】

講師：李智慧

架構設計回顧

上面這張圖是上課的同學分類的，詳細設計很多時候也是架構師的工作內容。筆者在阿里任職期間，實際上是要做開發設計的，比較符合阿里的分類。

李智慧老師從初級工程師到首席架構師的躍遷

李智慧老師，第一份工作是05年做日本的一個大型系統，那個時候前端是VB，服務端是用Java。剛開始的時候，一共也是幾個人。最開始進去時候發現用VB調用Java Server，還沒有辦法直接調用。那個時候高手都到日本出差去了，李智慧老師給項目經理說了這個gap。項目經理也不懂技術，項目經理就說既然你提出這個問題，你就負責做這個組件吧。李智慧老師週末就看了Struts的架構，用兩天時間畫了一些組件圖。週一就找項目經理評審，項目經理就協調了一些技術高手過來評審，覺得沒什麼大的問題。項目經理說現在項目還沒開始，剩下的幾個人就交給你分配任務，完成這個組件，並用一個業務做個Demo。最終組件就按照計劃實現了，業務Demo也跑通了。後來大業務團隊都從日本回來了，因爲時間關係，大家就用了李智慧老師的框架，200多人的大團隊都用了這個模塊組件來進行前後端通信。高手們也提出一些改進計劃，李智慧老師，後面就不斷優化這個通信模塊組件。整個團隊都要李智慧老師培訓，前端、後端如何用這個模塊，包括後面入職新員工，都是由李智慧老師培訓如何用該通信組件開發。李智慧老師從剛入職的低級新員工，到離開的時候就成了首席架構師。

第二份工作，李智慧老師跳槽到另一家日本公司，做的類似於Tomcat這種中間件，脫離了業務，專門去做技術架構。李智慧老師，覺得這兩份工作經歷爲他後來的職業生涯提供了很大的幫助。

軟件開發簡史

從編程的歷史看編程的本質和未來

請帶着以下問題觀看本節課的內容。
你還在用面向對象編程語言寫面向過程的代碼嗎？

萊布尼茲的奇思怪想

萊布尼茲就是跟牛頓打了一輩子官司，誰是微積分的發明人。二進制就是萊布尼茲發明的。一切信息都可以用二進制表示。

計算機軟件編程是個非常新興的行業，程序員這一職業的出現不過半個多世紀，但是人類從事編程的探索卻要久遠的多，在計算機出現之前，甚至蒸汽機出現之前，人類就開始探索軟件編程了。

最早開始編程探索的人是德國人萊布尼茲，早在1700年代，萊布尼茲就期望將各種事物都通過一種邏輯語言進行描述，然後用一種可執行演算規則的機器進行計算，就可以計算出事物的各種結果。這種思想其實和我們現代的軟件編程與計算機已經差不多了，萊布尼茲爲了實現這個想法，進行了大量的工作，獲得了豐碩的成果，其中就包括了微積分和二進制。

萊布尼茲是計算機思想，後來科學家布爾，用Bool實現了邏輯編程。(就是Bool變量的這個布爾。)

人類第一位程序媛

萊布尼茲製造可編程計算機的夢想沒有成功。又過了100年，法國人雅卡爾發明了一臺可編程的織布機，這種織布機讀取紙帶上的打孔，進而控制織布機織出不同的圖案。於是人們開始嘗試將打孔紙帶用於計算機編程，19世紀中葉，當英國人 Ada 利用打孔紙帶寫出人類第一個軟件程序的時候，距離能夠運行這個程序的計算機發明還有100年的時間，而這個程序已經包含了循環和子程序。 Ada 因此被認爲是人類第一個程序員， 準確來說，是程序媛。科技發明受時代的限制，天才們的想象力和聰明才智卻可以超過時代。

什麼是計算機？什麼是程序？

人類發明製造計算機器有非常悠久的歷史，但是這些計算機器都是專門進行數值計算的，加減乘除、微分積分等等。而從萊布尼茲、Ada，到圖靈、馮諾依曼，這些現代計算機的開創者們試圖創造的是一種通用的計算機，這種計算機不是讀取數值進行計算，而是讀取數據進行計算，這些數據本身包含着計算的邏輯，這個數據就是程序。

現代計算機與現代的程序

當馮諾依曼在 ENIAC 計算機上輸入第一個程序的時候，標誌着現代計算機的誕生，也意味着軟件編程這一新興行業即將出現。

最早的計算機編程非常麻煩，程序員需要將電線編來編去，作爲輸入數據，以控制計算機的執行，這也是編程這個詞的由來。不過很快人們就將打孔紙帶應用到計算機上，編程的效率極大提升。

面向電線編程的時代。

形形色色的編程語言

彙編語言（以下爲6502彙編）

2000: BMI $2009     ;若結果爲負數，那麼轉地址2009
2002: BEQ $200C     ;若 = 0，轉地址 200C
2004: CLC           ;這裏說明 > 0
2005: ADC #$01 
2007: TAY 
2008: RTS 
2009: LDY #$01 
200B: RTS 
200C: LDY #$00 
200E: RTS

每一種 CPU 都有獨特的機器語言，因而需要不同的彙編語言。

早期的 Basic 語言

10 CLS:J=1:TROFF:KEY OFF:DIM Z(30),B$(20,20),C(30),BS(22):BS=0:BS$(1)="YES":BS$(0)="NO":DIM BU$(11),PL(11),DI$(11),CH(11),SC(11),CH$(11),P2(11):P2(11)=3

11 FOR I=0 TO 7:READ B$(I,10):NEXT I
12 FOR I=1 TO 4:READ B$(I,8):NEXT I
13 FOR I=0 TO 7:READ B$(I,12):NEXT I
14 FOR I=1 TO 4:READ B$(I,14):NEXT I
15 P1=3:QF=1:L$="A":R$="D":U$="W":D$="S":P$="P":Q$="Q":M$="O" 16 FOR I=1 TO 2:READ B$(I,18):NEXT I
17 FOR I=1 TO 2:READ B$(I,20):NEXT I:FOR I=1 TO 30:C(I)=2:NEXT I:C(20)=1 
20 COLOR 7,0,0:CLS:DIM NA$(11):DIM NAM$(40)
21 FOR I=1 TO 11
23 READ P2(I),BU$(I),DI$(I),CH(10),SC(I),NA$(I)
25 NEXT I:PLAY "T500"

早期 Basic 語言雖然號稱爲 “高級語言”， 但是保留了彙編語言的特性 – 地址（即行號）。

結構化的 Basic 語言(Quick Basic、Visual Basic等)

DO
	SCREEN 7, , APage%, VPage% ' Draw to the active page
								' while showing the visual page.
								' Clear the active page.
	CLS 1
	' Rotate the cube "Angle%" degrees:
	DRAW "TA" + STR$(Angle%) + Plot$

	' Angle% is some multiple of 15 degrees: 
	Angle% = (Angle% + 15) MOD 360

	' Drawing is complete, so make the cube visible in its
	' new position by switching the active and visual pages: SWAP APage%, VPage%

LOOP WHILE INKEY$ = "" 			' A keystroke ends the program.

結構化的 Basic 語言仍然兼容傳統的 Basic，而且提供了更好的集成開發環境IDE。
結構化的編程取消了 “地址” 和 Goto 語句，代之以幾種程序控制 “結構”， 如：循環、條件等。

Perl 語言

package Horse;
@ISA = qw(Animal);

sub sound { "neigh" } 
sub name {
	my $self = shift;
	$$self; 
}
sub named {
	my $class = shift; 
	my $name = shift; 
	bless \$name, $class;
}

my $talking = Horse->named("Mr. Ed"); 
print $talking->name;

Perl 是一種腳本語言，最強大的功能是正則表達式。但 Perl 的語法比較晦澀難懂。 Perl 是一種 “僞” 的面嚮對象語言。

C 語言

#include <stdio.h>
#include <stdib.h>

int main(void) {
	puts("Hello World!");
	return EXIT_SUCCESS;
}

C 語言是一個結構化的語言

C++ 語言

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	cout << "Hello, world!" << endl;
	return 0;
}

C++ 向後兼容 C 的所有功能，並且提供了面向對象的編程機制。

Java 語言

package zgpeace.test;

public class TestMain {
	public static void main(String[] args) {
		System.out.println("Hello World!");
	}
}

Java 是一個完全面向對象的語言，尤其是在當今的 Internet 編程領域，佔領了絕對的市場。

編程語言的實質

編程的目的是：用計算機來解決現實世界的問題。

編程的過程即：在計算機所能理解的 “模型” （解空間）和 現實世界 （問題空間）之間，建立一種聯繫。

編程語言是一種 “抽象” 的機制， 問題是對 “誰” 來抽象。

問題領域（Problem Domain）

包含與系統所要解決的問題相關的實物和概念空間。

面向對象就是面向問題領域中的對象的編程。

抽象的種類

機器代碼和彙編語言

• 對基礎機器進行抽象
  

非結構化的高級語言（如 Basic，Fortran等）

• 對計算處理邏輯抽象
  

結構化的程序設計

• 開始對問題領域進行一定程度的抽象
  

面向對象的程序設計

• 直達表達問題空間內的元素
  

編程方法的演講

編程的核心要素

面向對象是編程語言發展的最高階段，新出來的語言都是面向對象的語言。

從萊布尼茲編程開始，只要編程的認知不變，新的編程語言不會超過面向對象的語言，40多年的面嚮對象語言一直沒有變過。

面向對象編程的細分領域。最近幾年，新的語言有些變化，面向數據的語言。機器學習，AI編程的出現，Scala函數式編程語言，比較適合面向數據編程。不同的函數之間調用，是異步執行的。

什麼是面向對象編程

第一個成功的面向對象的語言 Smalltalk 描述：

• 萬物皆爲對象。
• 程序是對象的集合，它們通過發送消息來告知彼此所要做的。
• 每個對象都有自己的由其它對象所構成的存儲。
• 每個對象都擁有其類型。
• 某一特定類型的所有對象都可以接受同樣的消息。

C++ 和 Java 等後期的面嚮對象語言，都是在這個基礎上設計的。

什麼是對象

Booch 對於對象的描述：對象具有狀態、行爲和標識。

• 狀態： 表明每個對象可以有自己的數據。
• 行爲：表明每個對象可以產生行爲。
• 標識：表明每個對象都區別於其它對象。（唯一的地址）

無狀態對象，對象沒有自己的數據，對象的數據都是通過參數傳進來的，處理完後就沒有了。

面向對象編程的三要素（特徵）

封裝性（Encapsulation）

• 隱藏實現細節（訪問控制）
• 定義接口

繼承性（Inheritance）

• IS-A 關係
• HAS-A 關係（組合）

多態性（Polymorphism）

• 後期綁定（虛函數）
• 向上轉型 （Up Casting）

封裝性 - 隱藏實現

封裝並不是面嚮對象語言獨有的。

面向過程的編程語言，比如 C 語言，也可以實現封裝特性，從頭文件 .h 裏面定義方法，而在實現文件 .c 文件裏定義具體的結構體和方法實現，從而使依賴 .h 頭文件的外部程序只能夠訪問頭文件裏定義過的方法，這樣同樣實現了變量和函數的封裝，以及訪問權限的控制。

繼承性 – 接口的重用

集成也不是面向對象獨有的。

C 語言也可以實現繼承。如果 A 結構體包含 B 結構體的定義，那麼就可以理解成 A 集成了 B， 定義在 B 結構上的方法可以直接（通過強制類型轉換）執行 A 結構體的數據。

多態性 – 對象互換的魔法

多態也不是面向對象獨有的。因爲指向函數的指針，多態事實上在 C 語言中也可以實現。

但是使用指向函數的指針實現多態是非常危險的，因爲這種多態沒有語法和編譯方面的約束，只能靠程序員之間約定，一旦出現 bug，調試非常痛苦。因此在面向過程語言的開發中，這種多態並不能頻繁使用。

而在面向對象的編程語言中，多態非常簡單：子類實現父類或者接口的抽象方法，程序使用抽象父類或者接口編程，運行期注入不同的子類，程序就表現出不同的形態，是爲多態。

多態是面嚮對象語言最重要的特性，如果沒有用好多態，那就是沒有掌握好面向對象編程。

總結

面向對象是編程語言發展的最高階段，新出來的語言都是面向對象的語言。

從萊布尼茲編程開始，只要編程的認知不變，新的編程語言不會超過面向對象的語言，40多年的面嚮對象語言一直沒有變過。

面向對象編程的細分領域。最近幾年，新的語言有些變化，面向數據的語言。機器學習，AI編程的出現，Scala函數式編程語言，比較適合面向數據編程。不同的函數之間調用，是異步執行的。

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