2017年7月12日

软件构建的隐喻(from《代码大全》)

关于隐喻

  • 隐喻把软件开发过程与其他你熟悉的活动联系在一起,帮助你更好地理解
  • 科学发展的历史是一系列从“不太合适”的隐喻到“更好”的隐喻的转变。新模型替代旧模型;例如,牛顿力学被爱因斯坦的理论取代
  • 对于编程来说,最大的挑战还是将问题概念化,编程中的很多错误都是概念性的错误。由于每个问题在概念上都是独特的,几乎不可能找到万能的指导规则,因此,能一般性地知道大致如何解决问题,至少也和知道如何解决特定问题一样有价值
  • 隐喻的用法:提高对编程问题和编程过程的洞察力;帮助思考编程过程中的活动,想像出更好的做事情的方法

重要隐喻一》牡蛎养殖:系统生长

“生长”这个词描述了牡蛎制造珍珠的过程,逐渐地增添微量的碳酸钙。你需要学会如何一次为软件系统增加一个小部分。跟“生长”密切相关的另一些词语有:“增量的”、“迭代的”、“自适应的”、以及“演进的”。以增量方式进行设计、编译、和测试,都是目前已知的最强有力的软件开发概念。

在进行增量式开发时,我们先做出软件系统的一个尽可能简单、但能运行的版本。它不必接受真实的输入,也无须对数据进行真正的处理,更不用产生真实的输出——它仅仅需要构成一个足够强壮的骨架,支撑起未来将要开发的真实系统。对于你标志出的每一项基本功能,可能仅需要调用虚假的类(dummy classes)。这个最基本的起点,就像牡蛎开始孕育珍珠的那颗细小沙粒。

在骨架形成之后,你要一点点地在其上附着肌肉和皮肤:把每个虚假的类替换为真正的类;不再假装接受输入,而是把接收真实输入的代码替换进去;不再假装产生输出,而是把产生真实输出的代码替换进去。你一次增加一小部分代码,直到得到一个完全可以工作的系统。

重要隐喻二》软件构建:建造软件

建造软件这一说法暗示了软件开发中存在着诸多阶段,如计划、准备及执行等,根据所建造软件的不同,这些阶段的种类和程度可能会发生变化。

要搭一座四足的塔,你要有一双稳健的手,要找一个平坦的表面,以及十来个完好无损的啤酒罐。而要搭一座比它大 100 倍的塔,光是多100倍的啤酒罐还不够,还需要同时采用完全不同的计划方法和建造方法才行。

如果你要盖一个简单的建筑物——比如一个狗屋——你先开车到木材店买些木头和钉子。临近傍晚时分,你的爱犬 Fido 就有新窝了。如果你忘了弄个门,或是犯了其他什么错误,那也没什么大不了的,修改一下或者干脆从头再来就是了。你的损失最多也就是一个下午的时间。这种宽松的方式对于小型的项目来说也还算合适。如果你写 1000 行的代码时采用了错误的设计,你还可以重构甚至从头再来,不回损失太多。

如果你是在建一栋房子,那么这个建造过程就会复杂得多,而糟糕的设计所引发的后果也更严重。首先你要决定准备建一个什么类型的房子——在软件开发里的类似事项称为问题定义(problem definition)。接下来,你必须和某个建筑师(architect)探讨这一总体设计,并得到批准。这跟软件架构设计(architectural design)十分相似。然后你画出详细的蓝图,雇一个承包人。就像软件的详细设计。再然后,你要准备好建造地点,打好地基,搭建房屋框架,砌好边墙,盖好房顶,通好水、电、煤气等。这就如同是软件的构建(construction)一样。在房子大部分完成之后,庭院设计师、油漆匠和装修工还要来把你新盖的家以及里面的家什美化一番。这就好比软件的优化(optimization)过程。在整个过程中,还会有各种监察人员来检查工地、地基、框架、布线以及其他需要检查的地方。这相当于软件评审(reviews)和详查(inspections)。

在这两种活动中,更高的复杂度和更大的规模都会带来更多的结论。盖房子的时候,建材多少也是有些昂贵,但主要的开销还是在人力上。把一堵墙推倒然后移动半尺是很昂贵的,倒不在于浪费多少钉子,而是因为你要付给工人们更多的工钱,移动这堵墙耗费了额外的工时。你只有尽可能地把房子设计好,这样才不用浪费时间去修正那些本来可以避免的错误。在开发一个软件产品时,原材料甚至更加廉价,但劳动力上的花销也更昂贵。变更一份报表的格式所要付出的代价,和移动房间里的一堵墙一样高昂,因为两者的主要成本构成部分都是花费人的时间。

建造一个房子的时候,你不会去试着建造那些能买得到的现成的东西。你会买洗衣机、烘干机、洗碗机、电冰箱以及冷藏柜。除非你是机电方面的巫师,否则你是不会考虑自己动手弄这些东西的。你还会购买预先造好的橱柜、餐桌、门窗以及浴具,等等。当开发软件时,你也会这么做。你会大量使用高级语言所提供的功能,而不会自己去编写操作系统层次的代码。你可能还要用些现成的程序库,比如说一些容器类(container classes)、科学计算函数、用户界面组件、数据库访问组件,等等。总之,自己编写那些能买得到的现成的代码通常是没有意义的。

但如果你要建造一间拥有一流家具的高档住宅,那你可能需要特别订制的橱柜,还可能需要能和这些橱柜相搭配的洗碗机、冰箱和冷藏柜等,也可能需要以特殊的形状和特别尺寸订制的窗户。在软件开发中也有和这种订制相似的情况。如果你要开发一款一流的软件产品,你可能会自己编写科学计算函数以便获得更快的速度和更高的精度。你还可能需要自己编写容器类、用户界面组件以及数据库访问组件等,这样做可以让产品的各个部分无缝拼接,拥有一致的外观和体验。

适当的多层次的规划对于建造建筑物和构建软件都有好处。如果你按错误的顺序构建软件,那么编码、测试和调试都会更难。需要花更长的时间才能完成,甚至整个项目干脆就分崩离析了——由于每个人的工作都过于复杂,所有成果组合在一起的时候就变得混乱不堪了。

精心计划,并非意味着事无巨细的计划或者过度的计划。你可以把房屋结构性的支撑(structural support)规划清楚,而在日后再决定是用木地板还是地毯,墙面漆成什么颜色,屋顶使用什么材料,等等。一项规划得当的项目能够提升你“在后期改变细节(设计)”的能力。你对同类软件的开发经验越丰富,(在开发新软件时)就能认准更多的细节。你只需要保证已经做了足够的计划,不会到后来因为计划上不足而引发重大问题。

用建筑房屋来类比软件构建,还有助于解释为什么不同的软件项目能从不同的开发方法中获益。建筑业中,盖间仓库或者工具房,或是一座医院或者核反应站,你在规划、设计及质量保证方面所需达到的程度是不一样的。盖一座学校、一幢摩天大楼,或一座三居室的小别墅,所用的方法也不会相同。同理,在软件开发中,通常你只需要用灵活的、轻量级的(lightweight)方法,但有时你就必须得用严格的、重量级的开发方法,以达到所需的安全性目标或其他什么目标。

软件的变动在建筑领域也有类似事物。把一堵承重墙移动半尺所需花费的成本,可能要比仅仅移动一面隔墙更高。同样,对软件进行结构性的修改所需花费的成本,可能也比仅仅增删一些周边功能更高。

最后,建筑这一隐喻让人们对超大型的软件项目的认识更加深刻。超大型的结构一旦出现问题,后果将非常严重,因此有必要对这样的结构进行超出常规的规划与建设(over-engineered)。建筑人员需要非常小心地制定并核查设计规划,在建设时留有余地以保障安全;宁可多花 10% 的成本买更坚固的材料,也比摩天大楼倒下来要划算得多。还需要特别关注工作的时间。在建造帝国大厦的时候,每辆运料车运输时都留有 15 分钟的余地。如果某辆车没能在指定时间到位,则整个工期就会延误。

同理,对于超大型的软件项目,就需要比一般规模的项目有更高级别的规划设计。Capers Jones 发表的报告称,一套 100 万行代码的软件系统,平均需要 69 种文档(1998)。其需求规格文档一般有四五千页长,而设计文档常常是需求的两三倍长。不太可能有哪一个人能完全理解这种规模的项目的所有设计细节——甚至只是通读一遍都不那么容易。因此,更充分的准备工作也就理所应当了。

如果需要创造在经济规模上可以匹敌帝国大厦的庞大的软件项目,那么与之相当水准的技术与管理控制也是必需的。

按房屋建筑所作的这一隐喻,可以向许多其他方向引申——这也是隐喻这一方法如此强有力的一个原因。有很多常见的软件开发术语都是从建筑这一隐喻中衍生出来的:软件架构(建筑学,architecture)、支撑性测试代码(脚手架,scaffolding)、构建(建设,construction)、基础类(foundation classes)以及分离代码(tearing code apart)。

 

重要隐喻三》应用软件技术:智慧工具箱

能有效地开发高质量软件的人们,在长年累月中积累了大量的技术、技巧和诀窍。好的工匠知道完成某项工作要用哪样工具,也知道该怎样正确地使用。程序员也该这样。编程方面的知识学得越多,你脑中的工具箱中就会有更多的分析工具,也会知道该在何时用这些工具,以及怎样正确地使用它们。

在软件领域里,专业的咨询人员有时会让你专用某种软件开发方法而远离其他方法。这样并不妥当,因为当你百分之百地依赖于某一方法论时,你就只会用一种方法去看世界了。某些情况下,对于你所面临的问题还有其他更好的方法,你可能错失良机。这种“工具箱隐喻”能够帮助你把所有的方法、技术以及技巧留在脑海中——合适的时候即可拿来就用。

组合各个隐喻

(本文未提到的隐喻:科学;艺术;过程;驾驶汽车;一场游戏;集市;园艺;拍摄《白雪公主和七个小矮人》;耕田(培植系统)、捕猎、或跟恐龙一起淹死在“焦油坑”里;写作)

(《黑客与画家》中提到的绘画也是)

隐喻是一种启发式方法而不是算法,因此它们彼此并不排斥。可以同时使用生长和建筑这两个隐喻。你如果想使用“写作”隐喻也行,你还可以把“写作”同“驾驶”、“狩猎狼人(werewolf)”、“与恐龙一起在焦油坑中淹死”等隐喻组合到一起。你可以选用任何一种隐喻或是一些隐喻的组合,只要它能激发你的思维灵感,并让你和团队其他成员更好地沟通。

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