Читаем Этюды для программистов онлайн бесплатно

Своим внешним видом новый суперкомпьютер CRAY-1 мало похож на привычную всем нам вычислительную машину. Это круглый диван с высокой спинкой и мягкими кожаными сиденьями. До предела набитый электроникой, самый дорогой в мире «диванчик» вправе претендовать на включение в «Книгу рекордов Гиннеса». Но, конечно, дело не в форме, а в содержании. Машина выполняет сотни миллионов операций в секунду, и разговор о миллиардах операций уже не воспринимается как лишенная здравого смысла фантазия.

А как изменилось программирование! Никого теперь не удивить программой из одной-двух тысяч команд, когда счет идет на мегабайты. Операционные системы, разного рода АСУ — поистине монументальные произведения, настоящие симфонии из мириад нулей и единиц. И в такой симфонии не должно прозвучать ни одной фальшивой ноты, а ведь пишут ее порой сотни людей — программирование становится массовой профессией.

Как же в этих новых условиях учить и как учиться программировать? Существуют, конечно, задачники по программированию, в которых в достатке найдется примеров-миниатюр. Но, написав программу для вычисления квадратного корня, можно ли браться за разработку компилятора? Уготовано ли блестящее музыкальное будущее тому, кто преодолел только гаммы и сольфеджио?

В 1978 г. издательство «Мир» выпустило два учебных пособия по программированию (Ламуатье Ж.-П. Упражнения по программированию на Фортране IV; Дрейфус М., Ганглоф К. Практика программирования на Фортране), совершенно не похожих на прежние задачники. В них демонстрируется работа над небольшими программами с подробным обсуждением всех этапов работы. Книги оказались чрезвычайно полезными для начального обучения и в ряде вузов были немедленно использованы в учебном процессе. Но как далек еще путь от камерной пьесы к симфонии!

Книга Ч. Уэзерелла призвана заполнить еще одну «экологическую нишу» в учебной литературе по программированию. В книге в живой и увлекательной форме ставится 27 вполне реальных (или близких к реальным) задач-этюдов. Напомним, как определяется этюд в энциклопедическом словаре: «Этюд — музыкальная пьеса, основанная на определенном приеме исполнения и предназначенная для развития технического мастерства исполнителя. Создаются и высокохудожественные виртуозные сочинения этого жанра, предназначенные для концертного исполнения (фортепианные этюды Ф. Листа, Ф. Шопена, Р. Шумана и др.)». Действительно, почти каждый представленный здесь этюд несет в себе свою «изюминку»: структуры данных или управляющие структуры, обработку текстов или рекурсию… И почти каждый из них может служить заданием для курсовой работы. Есть, однако, столь «высокохудожественные» этюды (компилятор для алгебраического языка или интерпретатор-макропроцессор), что не всякий преподаватель осмелится предложить их даже в качестве дипломной работы.

Разумеется, не только студенты, но и опытные программисты с пользой и интересом прочтут книгу, обнаружив в ней немало советов, соображений, приемов. Я уже не говорю о том, что этюды будут хорошим подспорьем для преподавателей программирования. По манере изложения книгу можно было бы отнести к разряду научно-популярных. Эта особенность, несомненно, привлечет к ней внимание многих читателей, далеких от программирования. Рекомендуя книгу Ч. Уэзерелла для перевода, чл.-корр. АН СССР А. П. Ершов отметил еще один важный момент: «Перевод этой книги полезен и сам по себе, и как побудительное средство к дальнейшему составлению подобного рода сборников задач по программированию».

Неординарность книги создала определенные трудности при ее переводе. В каждой главе — своя тема, своя ситуация. Рассматривая ситуации, автор не связывает себя формальными рамками, да и самим ситуациям, заимствованным из американской жизни, не всегда находятся аналоги в нашей действительности. Переводчикам Н. И. Вьюковой, В. А. Галатенко, А. О. Лацису, А. Н. Полюдову и А. Б. Ходулеву помимо обычной переводческой деятельности пришлось заняться исполнительской практикой: некоторые этюды были проиграны, у некоторых проверены приведенные ответы. Там, где это необходимо, были даны примечания или добавлены партии переводчика, а библиография дополнена изданиями, доступными советскому читателю. Материал, добавленный при переводе, помечен знаком *.

Ю. Банковский

Февраль 1982 г.

Программирование — это ремесло, и каждый программист должен достичь нужного профессионального уровня. Надо сказать, что программированием, как правило, занимаются кустарно, в небольших организациях, где имеются лишь примитивные инструменты, многое делается вручную, необходимые сведения в лучшем случае черпаются у более опытных мастеров, а бывает, что получить их и вовсе неоткуда. Подобно тому как в средние века образовывались гильдии ремесленников — отчасти для обучения молодых работников, отчасти для повышения профессионального уровня, — так и в наши дни созданы многочисленные учебные заведения для подготовки программистов, и все меньшее и меньшее их число обучается (или убеждается в своей профессиональной непригодности) на собственных синяках и шишках. Однако выяснилось, что для подготовки мастеров высокого класса усилий одних лишь преподавателей недостаточно. В этом отношении ученичество в гильдиях обладало неоспоримыми преимуществами.

Классическое обучение ремеслу состояло в том, что ученик в течение многих лет выполнял простейшие вспомогательные операции, перенимая основные приемы у более опытных работников. Постепенно на него возлагались все более серьезные обязанности, и после формальной проверки навыков он получал официальное подтверждение своей профессиональной компетентности. Теперь это был ремесленник, способный выполнять любые работы по своей специальности. Он покидал мастерскую, где учился, и в поисках заказов бродил по свету. А в один прекрасный день, если музы были к нему благосклонны, представлял на суд гильдии свой шедевр и поднимался на высшую ступень профессиональной иерархии, становясь мастером гильдии. Творения этих мастеров, даже самого утилитарного назначения, воспринимаются часто как величайшие проявления человеческого гения.

В наши дни начинающему программисту уже не нужно семь лет[1] вытряхивать отходы от пробивки перфокарт, скапливающиеся в перфорирующих устройствах — необходимые технические знания ему проще получить, посещая лекции и изучая литературу. Теперь нет никакой надобности, заглядывая через плечо опытного программиста, изо дня в день наблюдать за его работой. А вот на то, чтобы набить руку на выполнении реальных программистских задач, усвоить и закрепить основные методы и принципы работы, просто для практики, наконец, действительно нужно время. Ясно, что, прочитав несколько книг по столярному делу, нельзя сразу взять и произвести на свет что-нибудь изящное в стиле Чиппендейла[2]. Так почему же человек, прочитавший одно-два руководства по программированию, вдруг сразу начнет писать стройные, грамотные программы?

В учебных заведениях, готовящих программистов, — в колледжах, профессиональных школах, на курсах повышения квалификации— процесс обучения сопровождается выполнением лабораторных, курсовых работ по программированию, дипломных проектов по обычным курсам. Преподавателям, ведущим такие занятия, необходимо иметь набор задач для своих учеников. Для удовлетворения этой потребности и предназначаются наши этюды. Каждый этюд — самостоятельная задача со своей информационной основой, формулировкой и предполагаемым методом решения. Большинство из них допускает вариации, так что преподаватель может привязать задачу к конкретным условиям.

Разнообразие предлагаемых композиций весьма велико. Некоторые этюды требуют прежде всего интеллектуальных усилий (гл. 9), у других основная трудность заключена в реализации (гл. 12); есть совсем короткие этюды (гл. 16) и, напротив, очень длинные (гл. 6); в некоторых используются широко известные методы реализации (гл. 5), в других же (гл. 2) методы реализации можно непрерывно совершенствовать. Главы 25–28 образуют связный цикл, который можно включить в курсы по языкам программирования и системам. Для выполнения этих этюдов нужно подобрать группы студентов, обладающих необходимыми знаниями по системному программированию (как правило, раньше студенты и не подозревали, что работа в группе программистов — совсем не то же самое, что работа в одиночку). Главы 5, 6, 13, 17, 19 и 25 могут дать хороший материал для курса по моделированию на ЭВМ, а гл. 6, 11, 14, 19, 20 связаны с задачами искусственного интеллекта. Разумеется, широко представлены также традиционные задачи по информатике.

Студенты, выполняющие лабораторный практикум, смогут оценить четкие формулировки задач. (Сколько несчастных поклялось никогда в жизни и близко к машине не подходить после отчаянных попыток разобрать неряшливые формулировки, нечетко отпечатанные на ротапринте.) Те же студенты, которые могли сами выбирать задачи (как в курсе, послужившем основой этой книги), оценят разнообразие предоставляемого им здесь выбора — ни одному преподавателю не хватило бы энергии подготовить столько задач. Разумеется, наш сборник, равного которому по объему еще не было, окажется полезным тем, кто повышает свою квалификацию самостоятельно. Отдельные этюды могут послужить источником методов программирования для лиц, уже окончивших учебные заведения.

Как и всегда в подобных случаях, книга не могла быть написана без помощи многих и многих людей. Джордж Майкл впервые выдвинул идею обучения на задачах (которая теперь нашла признание во многих других учебных заведениях). Студенты нескольких групп охотно испытывали задачи, предлагая исправления и даже новые темы. Хэнк Молл написал программу форматирования текстов, при помощи которой была подготовлена рукопись книги, и всегда был готов по мере надобности вносить в свою программу изменения. Рукопись с включенными в нее иллюстрациями была напечатана изящными шрифтами благодаря программе Джона Битти. Обе эти программы позволили лучше представить себе окончательный внешний вид книги, что очень помогло автору при ее создании. Многие мои друзья читали, обсуждали и критиковали книгу и ободряли автора. Наконец, перфораторщицы Ливерморской лаборатории не только никогда не жаловались на плохой почерк, а всегда быстро возвращали готовые колоды карт, да еще с исправленными орфографическими ошибками. Не будь всех этих помощников — не было бы и книги; лишь благодаря их участию она увидела свет.

Чарлз Уэзерелл

Преподавание программирования — дело почти безнадежное, а его изучение — непосильный труд. Преподаватель может всячески возиться со студентами, читать лекции, делать критические замечания, направлять по верному пути. Студент[3] может все тщательно записывать, запоминать, читать, сдавать зачеты, дискутировать хоть до двух часов ночи. Но все усилия тщетны, если студент не будет практиковаться в написании программ, поскольку навык программирования (как, впрочем, и всякий навык) дается только практикой. Более того, учиться надо на «настоящих» программах, а не на упрощенных примерах, вроде тех, которыми изобилует большинство руководств по языкам программирования. Сколько ни бренчи чижика, вторым Рубинштейном не станешь. Точно так же долбежка языка APL вряд ли поможет вам достичь высот в программировании. Поэтому в настоящей книге представлены довольно объемистые задачи. В качестве учебных проектов они вполне подойдут новичкам, стремящимся стать сначала просто грамотными программистами, а затем и специалистами высокого класса.

Способности, необходимые программисту, можно сравнить с теми, которые требуются, например, очеркисту. Как и очеркист, программист должен владеть некоторыми правилами правописания и грамматики, но, вопреки общепринятому мнению, для них обоих это не главное. Гораздо важнее быть наблюдательным и ищущим, уметь анализировать и ясно выражать свои мысли. Перечислим те способности, которые жизненно необходимы всякому программисту (и очеркисту тоже).

Способность читать и понимать описание поставленной задачи, улавливать пожелания того, кто ее ставит (что не всегда легко, так как и задачи, и те, кто их ставит, часто отличаются именно неуловимостью).

Способность четко видеть действительные трудности и отбрасывать все, не относящееся к делу.

Способность выявлять все случаи, где можно применить теорию, самостоятельно решиться на ее применение или обратиться за советом к специалисту.

Способность разбить задачу на ряд обозримых независимых частей и понять взаимосвязи этих частей.

Способность оценивать эффективность предлагаемых решений с точки зрения затрат на программирование, машинных ресурсов и удовлетворения потребностей пользователя и находить приемлемый компромисс между этими видами эффективности.

Способность объединять множество частных решений воедино, получая при этом четкое и изящное решение всей задачи.

Способность выражать решения на простом и понятном языке. Естественный это язык или искусственный — роли не играет, важно лишь, чтобы правильность решения была ясна и людям, и машине.

И наконец, способность при неудаче подавить самолюбие и поискать другой подход (или даже другую задачу).

Способности эти, как видим, столь сложны и многообразны, что приобрести их можно только на практике. Этюды дают возможность отработать конкретные технические приемы. Накапливая опыт, студент постепенно приобретает качества, необходимые программисту.