3.2 讓程式設計平穩起步——思維、設計、表達——《逆襲大學》連載
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3.2 讓程式設計平穩起步——思維、設計、表達
踩離合、掛檔、踩油門、擡離合，拿捏得當，汽車這臺鐵傢伙才能緩緩起步。老司機只要坐上駕駛位，想都不想，就順順當當起步了。而對新手而言，常被這幾個步驟搞得焦頭爛額，熄火、倒溜、猛衝出去，所有的不當操作組合起來，老手看到的是相當熱鬧的場面。
這和程式設計新手遇到的場面有些類似。這也告訴我們，一些基本的環節熟悉以後，不論要解決什麼問題，按那些套路走下來，也便有了眉目。汽車起步的幾個要領，需要在一次次的練習中實踐，久而會養成習慣；而程式設計起步時需要的基本動作也不是有誰天生就會，只要在程式設計初期有意品味，日久也會內化於心。初學開車的會手忙腳亂，我十幾年前學車用的是輛破吉普車，一起學習的幾個女孩沒少掉眼淚；初學程式設計的，一時找不到要點，氣惱、著急的也有不少，甚至有人急忙給自己貼個“學不了程式設計”的標籤。這個標籤貼上了，是安心一陣子了，但也可能路就被堵死了，麻煩在後面。
汽車起步其實真不難，踩離合、掛檔、踩油門、擡離合。在程式設計新手的各種慌亂中，也有幾個基本動作，做到了，起步不需要忙亂。
機械化的思維
還記得那年春晚“張惠妹”大媽問，將大象放到冰箱需要幾個步驟？需要三步：開啟冰箱門，把大象放進去，把冰箱門帶上。能給出這種回答的人，都能編得了程式。這個回答中體現的就是一種機械化，就是要將解決問題的步驟詳細地一一列出來，可以自己去實施，也可以指導別人去實施。給計算機程式設計序，就是通過指令列出解決問題的步驟，讓計算機實施這些步驟就行了。能機械化的，就能自動化，只要分清楚一步一步做什麼，寫成程式由計算機自動執行就行了。
燒水泡茶需要做四項工作，即洗好水壺，洗好茶杯，準備茶葉，燒開水泡茶。列出這四項來，是讓燒水泡茶工作能夠機械化的前提。在此基礎上，可能的做法可以是：（1）洗好水壺，灌上涼水，放在火上，等待水開；水開後，再洗茶杯，準備茶葉，沖水泡茶；（2）先洗好水壺，洗好茶杯，放好茶葉，一切就緒，再放水燒水，水開後再衝水飲茶；（3）洗淨開水壺，灌水燒水；燒水過程中，洗茶杯，放茶葉，水開後泡茶喝。這就是三種燒水泡茶的程式。
現實生活中的程式，就是事情進行的先後次序的安排。可以看出，在不同的程式的指導下，做事還是有些區別的。在為計算機程式設計序時，也需要分離出計算機要完成的操作，然後將這些操作的順序安排妥當。
初學程式設計的大學生，不適應這樣的思維。我們總是習慣於自己親自做一些事情，作為一個有高度智慧的人，做完一步順理成章地接著做下一步，而各步之間的銜接卻常常意識不到。在我們日常的行事中，已經逐漸地適應了在整體上看一件事情的方式，而不是將一件完整的事情分解開來去描述。比如，當你要離家上大學獨立生活時，媽媽可能也只一句“要注意勤洗衣服”，而不再嘮叨：“放好水，加入洗衣粉，泡上半小時，……”
然而，對於想學程式設計的人來說，現在能做且有必要做的事情，可以將想要完成的任何事情都分解成一些更具體的細節，並樂於這樣描述，從而將機械化思維養成習慣。這樣的事情很多：一次班級活動、國慶長假的旅行、高等數學要複習了，等等，都可以試著列一列步驟。我們面對的，是運算能力強大，但就是不會自己做出安排的計算機，我們要學習的，就是學會為它安排第一步開啟冰箱，第二步……
這樣的一種思維習慣目標在於讓計算機能明白“求解問題”。這樣的思維習慣，將使你習慣站在一個更巨集觀的角度看問題，學會將整個的問題分解開來，具體到一個個可行的步驟。這種思維將是我們在清清楚楚地做任何事情的時候都需要的，是從事計算機行業工作的需要，也是一種普適的思維。清晰的程式設計思路可以得來，有序的人生其實也是一樣。
有層次地設計
看別人的程式相對容易，一到自己寫程式，直接卡殼，程式設計不順的同學說：“沒思路。”
沒思路就是列不出前面的機械化思維的步驟，這是需要在程式設計的實踐中逐步提高的能力。對於一個新手而言，看問題就是一個整體，天狗吃天，找不到下口的地方，怎麼都看不出這一步、下一步。其實，面對複雜的問題，我們需要有一種方法，幫助找出這些步驟。
我們要做的是有層次地思考。從問題的總體，細分一些，再具體一些，最後得到的是讓計算機可以直接執行的步驟。這種有層次地思考，叫做“自頂向下，逐步求精”。
案例3–1 舉一個例子。學校舉辦校園歌手大獎賽，敲計算器算分太慢了，把加號按成減號之類自擺烏龍的情況屢有發生。（其實，這樣的做法也算是一個程式，只不過計算的工作由計算器完成，而計算的過程是由人控制著的。）現在就有人要請你設計一個程式，計算歌手成績。打分規則是：七位評委各給出一個分數，去掉一個最高分，去掉一個最低分，餘下五個分數的平均值作為選手的最後得分。
這個事情讓人做，看見七個數字，戳計算器算就得了。而要交給計算機做，就得列步驟。我們的注意力放到了七個數字上來，而沒有管評委是男是女，是俊是醜，高矮胖瘦，運用的是抽象的方法，在此我們只關心分數這樣一個最核心的要素，而將其他與問題實質無關的因素剔除掉了。現在要求解的問題就是，利用七個輸入資料，最後得到一個輸出資料。用七個輸入資料計算得到這一個輸出資料，這就是解決這個問題所涉及的資訊的因果關係。這樣，為一個歌手打分的過程中要做的事情，包括了以下的工作：（1）輸入七個數；（2）求出除了最大值和最小值以外的其他五個數的平均值；（3）輸出平均值。這個平均值就是歌手的得分。這樣的分解結果可以表示如下，作為初學者程式設計沒有思路時就需要這樣列出：
（1）輸入七個數：a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7
（2）求出除了最大值和最小值以外的其他五個數的平均值：V
（3）輸出平均值：V
這是在“自頂向下”分析中最“頂”層的一個分解，是對問題“總體”的解決方法。下面我們逐步深入到細節中考慮。其中“（2）求出除了最大值和最小值以外的其他五個數的平均值”是最核心的工作，還沒有具體到可以直接解決的程度，需要繼續分解下去。其中的一種思路是，先求出最大值和最小值，將七個數累加起來之後，再將最大和最小值減去，也便得到了所需要的平均值。也就是說，將（2）分解為下面的4個步驟：
（2.1）求出最大值amax
（2.2）求出最小值amin
（2.3）求出七個數的和：S=a1+a2+a3+a4+a5+a6+a7
（2.4）V=(S–amax–amin)/5
體會一下，這樣的“機械化”的節奏是否更鮮明一些了？一個“整體”的問題，被我們清楚地分成了幾個步驟。這樣的過程可以繼續下去。例如，對於（2.1），我們可以繼續得到第三級的分解：
（2.1.1）設amax=a1，即暫時認為第一個數就是最大的
（2.1.2）對於a2到a7中的每一個數ai//在程式設計時，這裡需要一個迴圈解決
（2.1.3）如果amax<ai，amax=ai//如果amax比ai小，ai應該就是當前最大的
對一個已經有一些程式設計體驗的人，求最大值、最小值及求和的問題，可能是能夠直接去實現了，將不需要做第三級的分解，這也體現了在學習程式設計過程中循序漸進的必要性。而如果對求最大值等功能還不能直接解決的同學，不妨多寫一級，將分解繼續進行下去。
逐步求精的方法，是人類解決複雜問題時採用的基本方法，是為了集中精力解決重要問題而儘量推遲對問題的細節的考慮。在人類的認知規律中，注意力只能集中7±2個知識塊。逐步求精方法要遵循的法則，就要求當一個巨集觀的描述進一步求精時，如果涉及的細節太多，最好將其限制在7個以內，更多的細節可以在下一級再進行處理。
自頂向下的策略，先巨集觀再微觀，把一個時期內必須解決的問題排出一個先後順序來，用逐步求精的方法，確保每個問題都能被解決，而且安排在合適的時候解決。用這樣一種有層次的設計，層層遞進，最終得到能夠直接用程式設計語言編寫的程式。
想一想，我們做任何工作，例如對大學生活做一個巨集觀的規劃、制定一天的學習計劃、組織一次班級活動、完成一個工程專案開發、策劃一項商業活動，無論複雜還是簡單，有意或無意地，都可以踐行“自頂向下，逐步求精”的偉大思想。用心體會，這將成為無論學習程式設計還是處理其他事務中的有效的思維習慣。
學會利用工具表述問題
程式設計序的最終目標是寫出能夠正確完成任務的程式來。其實，比寫出語句更關鍵的能力，是會用程式設計的思維思考。由問題到程式碼，中間的跨度比較大，企圖在大腦中完成所有的過渡，至少對於初學者而言顯得不切實際。機械化的思維，分層次的設計，都是為此做的過渡。事實上，在軟體工程發展歷程的實踐中，產生了很多實用的表達工具，能夠幫助人們完成這個過渡。
圖3–1是案例3–1中在進行求解歌手大獎賽成績的問題分析時，畫出的程式流程圖。流程圖是表示演算法的一種圖形工具。隨著箭頭的方向，是否能發現這樣的表達更形象，更自然？有了這樣的流程圖，可以很容易地寫出對應的程式來。一張圖頂一千字，在軟體工程中，有很多圖形工具可供使用。這些工具可以幫助我們整理思維，也成了在產業中分工合作、相互交流的介質。
在傳統的工程學科，如機械工程、土木工程等領域，設計和施工中都需要用到圖紙。軟體工程中的很多環節也需要有圖形工具表現設計結果，並形成了諸多標準。由於軟體和程式的不可見的性質，這些圖形工具更加必要。系統需求分析中要用到的系統流程圖；在軟體結構設計中，有軟體結構圖；做資料需求分析時，有資料流圖（DF圖）；設計資料庫的邏輯結構時，要用到實體—聯絡圖（E-R圖）。在採用面向物件的程式設計方法時，常用到圖形化的統一建模語言UML，在其中共涉及到了五類共十種圖，包括用例圖、類圖、物件圖、狀態圖、活動圖等。
這些設計工具的使用，體現的是重要的設計方法，也將是大學學習中逐步要接觸到的內容。對於程式設計的初學者而言，直接能夠使用到的是描述演算法的程式流程圖，而盒圖（N-S圖）中不涉及線條的轉移而更具有結構化的特點，也經常應用。應用中學會使用各種各樣的設計工具，是對程式設計初學者的基本要求。
流程圖這樣的工具，老師會在課堂中講，大多數的程式設計的教材、參考書中也會涉及，本書中不再深入。但在我的教學實踐中發現，即使知道了這些工具，同學們卻很少在實踐中主動應用，僅限於佈置作業後畫一畫。他們太在意最終的成果——程式了，以至於一旦拿到任務，滿腦子也就是程式。在這樣一種狀況下，不重視畫流程圖之類的基本功的訓練，就一直學不會有效利用工具。等到遇到複雜問題需要解決，只靠大腦不能夠完成構思時，也才想起流程圖的好處，卻用不得法，於是轉而繼續擱置。如此迴圈，越學越糊塗，乃至信心也在喪失。設計工具在實踐中被大量地用於支援設計流程，幫助開發人員整理和表達思路，描述演算法，指導實現，起著非凡的作用。業內有不少的高階技術人員在設計的層面上工作，他們也在大量用此類的工具進行表達，而不是直接在程式碼層面上工作。作為程式設計的初學者，更是需要在在實踐中主動使用這些工具，學會用設計工具思考和表達的方法，體會到這樣做的好處。
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