深度思考编程的艺术

编程是一种创造性的工作,是一门艺术。精通任何一门艺术,都需要很多的练习和领悟,所以这里提出的“智慧”,并不是号称一天瘦十斤的减肥药,它并不能代替你自己的勤奋。然而由于软件行业喜欢标新立异,喜欢把简单的事情搞复杂,我希望这些文字能给迷惑中的人们指出一些正确的方向,让他们少走一些弯路,基本做到一分耕耘一分收获。

反复推敲代码

既然“天才是百分之一的灵感,百分之九十九的汗水”,那我先来谈谈这汗水的部分吧。有人问我,提高编程水平最有效的办法是什么?我想了很久,终于发现最有效的办法,其实是反反复复地修改和推敲代码。

在IU的时候,由于Dan Friedman的严格教导,我们以写出冗长复杂的代码为耻。如果你代码�多写了几行,这老顽童就会大笑,说:“当年我解决这个问题,只写了5行代码,你回去再想想吧……” 当然,有时候他只是夸张一下,故意刺激你的,其实没有人能只用5行代码完成。然而这种提炼代码,减少冗余的习惯,却由此深入了我的骨髓。

有些人喜欢炫耀自己写了多少多少万行的代码,仿佛代码的数量是衡量编程水平的标准。然而,如果你总是匆匆写出代码,却从来不回头去推敲,修改和提炼,其实是不可能提高编程水平的。你会制造出越来越多平庸甚至糟糕的代码。在这种意义上,很多人所谓的“工作经验”,跟他代码的质量,其实不一定成正比。如果有几十年的工作经验,却从来不回头去提炼和反思自己的代码,那么他也许还不如一个只有一两年经验,却喜欢反复推敲,仔细领悟的人。

有位文豪说得好:“看一个作家的水平,不是看他发表了多少文字,而要看他的废纸篓里扔掉了多少。” 我觉得同样的理论适用于编程。好的程序员,他们删掉的代码,比留下来的还要多很多。如果你看见一个人写了很多代码,却没有删掉多少,那他的代码一定有很多垃圾。

就像文学作品一样,代码是不可能一蹴而就的。灵感似乎总是零零星星,陆陆续续到来的。任何人都不可能一笔呵成,就算再厉害的程序员,也需要经过一段时间,才能发现最简单优雅的写法。有时候你反复提炼一段代码,觉得到了顶峰,没法再改进了,可是过了几个月再回头来看,又发现好多可以改进和简化的地方。这跟写文章一模一样,回头看几个月或者几年前写的东西,你总能发现一些改进。

所以如果反复提炼代码已经不再有进展,那么你可以暂时把它放下。过几个星期或者几个月再回头来看,也许就有焕然一新的灵感。这样反反复复很多次之后,你就积累起了灵感和智慧,从而能够在遇到新问题的时候直接朝正确,或者接近正确的方向前进。

写优雅的代码

人们都讨厌“面条代码”(spaghetti code),因为它就像面条一样绕来绕去,没法理清头绪。那么优雅的代码一般是什么形状的呢?经过多年的观察,我发现优雅的代码,在形状上有一些明显的特征。

如果我们忽略具体的内容,从大体结构上来看,优雅的代码看起来就像是一些整整齐齐,套在一起的盒子。如果跟整理房间做一个类比,就很容易理解。如果你把所有物品都丢在一个很大的抽屉里,那么它们就会全都混在一起。你就很难整理,很难迅速的找到需要的东西。但是如果你在抽屉里再放几个小盒子,把物品分门别类放进去,那么它们就不会到处乱跑,你就可以比较容易的找到和管理它们。

优雅的代码的另一个特征是,它的逻辑大体上看起来,是枝丫分明的树状结构(tree)。这是因为程序所做的几乎一切事情,都是信息的传递和分支。你可以把代码看成是一个电路,电流经过导线,分流或者汇合。如果你是这样思考的,你的代码里就会比较少出现只有一个分支的if语句,它看起来就会像这个样子:

if (...) {  if (...) {
    ...
  } else {
    ...
  }
} else if (...) {
  ...
} else {
  ...
}

注意到了吗?在我的代码里面,if语句几乎总是有两个分支。它们有可能嵌套,有多层的缩进,而且else分支里面有可能出现少量重复的代码。然而这样的结构,逻辑却非常严密和清晰。在后面我会告诉你为什么if语句最好有两个分支。

写模块化的代码

有些人吵着闹着要让程序“模块化”,结果他们的做法是把代码分部到多个文件和目录里面,然后把这些目录或者文件叫做“module”。他们甚至把这些目录分放在不同的VCS repo里面。结果这样的作法并没有带来合作的流畅,而是带来了许多的麻烦。这是因为他们其实并不理解什么叫做“模块”,肤浅的把代码切割开来,分放在不同的位置,其实非但不能达到模块化的目的,而且制造了不必要的麻烦。

真正的模块化,并不是文本意义上的,而是逻辑意义上的。一个模块应该像一个电路芯片,它有定义良好的输入和输出。实际上一种很好的模块化方法早已经存在,它的名字叫做“函数”。每一个函数都有明确的输入(参数)和输出(返回值),同一个文件里可以包含多个函数,所以你其实根本不需要把代码分开在多个文件或者目录里面,同样可以完成代码的模块化。我可以把代码全都写在同一个文件里,却仍然是非常模块化的代码。

想要达到很好的模块化,你需要做到以下几点:

  • 避免写太长的函数。如果发现函数太大了,就应该把它拆分成几个更小的。通常我写的函数长度都不超过40行。对比一下,一般笔记本电脑屏幕所能容纳的代码行数是50行。我可以一目了然的看见一个40行的函数,而不需要滚屏。只有40行而不是50行的原因是,我的眼球不转的话,最大的视角只看得到40行代码。 如果我看代码不转眼球的话,我就能把整片代码完整的映射到我的视觉神经里,这样就算忽然闭上眼睛,我也能看得见这段代码。我发现闭上眼睛的时候,大脑能够更加有效地处理代码,你能想象这段代码可以变成什么其它的形状。40行并不是一个很大的限制,因为函数里面比较复杂的部分,往往早就被我提取出去,做成了更小的函数,然后从原来的函数里面调用。
  • 制造小的工具函数。如果你仔细观察代码,就会发现其实里面有很多的重复。这些常用的代码,不管它有多短,提取出去做成函数,都可能是会有好处的。有些帮助函数也许就只有两行,然而它们却能大大简化主要函数里面的逻辑。 有些人不喜欢使用小的函数,因为他们想避免函数调用的开销,结果他们写出几百行之大的函数。这是一种过时的观念。现代的编译器都能自动的把小的函数内联(inline)到调用它的地方,所以根本不产生函数调用,也就不会产生任何多余的开销。 同样的一些人,也爱使用宏(macro)来代替小函数,这也是一种过时的观念。在早期的C语言编译器里,只有宏是静态“内联”的,所以他们使用宏,其实是为了达到内联的目的。然而能否内联,其实并不是宏与函数的根本区别。宏与函数有着巨大的区别(这个我以后再讲),应该尽量避免使用宏。为了内联而使用宏,其实是滥用了宏,这会引起各种各样的麻烦,比如使程序难以理解,难以调试,容易出错等等。
  • 每个函数只做一件简单的事情。有些人喜欢制造一些“通用”的函数,既可以做这个又可以做那个,它的内部依据某些变量和条件,来“选择”这个函数所要做的事情。比如,你也许写出这样的函数: void foo() { if (getOS().equals("MacOS")) { a(); } else { b(); } c(); if (getOS().equals("MacOS")) { d(); } else { e(); } } 写这个函数的人,根据系统是否为“MacOS”来做不同的事情。你可以看出这个函数里,其实只有c()是两种系统共有的,而其它的a(), b(), d(), e()都属于不同的分支。 这种“复用”其实是有害的。如果一个函数可能做两种事情,它们之间共同点少于它们的不同点,那你最好就写两个不同的函数,否则这个函数的逻辑就不会很清晰,容易出现错误。其实,上面这个函数可以改写成两个函数: void fooMacOS() { a(); c(); d(); } 和 void fooOther() { b(); c(); e(); } 如果你发现两件事情大部分内容相同,只有少数不同,多半时候你可以把相同的部分提取出去,做成一个辅助函数。比如,如果你有个函数是这样: void foo() { a(); b() c(); if (getOS().equals("MacOS")) { d(); } else { e(); } } 其中a()b()c()都是一样的,只有d()e()根据系统有所不同。那么你可以把a()b()c()提取出去: void preFoo() { a(); b() c(); 然后制造两个函数: void fooMacOS() { preFoo(); d(); } 和 void fooOther() { preFoo(); e(); } 这样一来,我们既共享了代码,又做到了每个函数只做一件简单的事情。这样的代码,逻辑就更加清晰。
  • 避免使用全局变量和类成员(class member)来传递信息,尽量使用局部变量和参数。有些人写代码,经常用类成员来传递信息,就像这样: class A { String x; void findX() { ... x = ...; } void foo() { findX(); ... print(x); } } 首先,他使用findX(),把一个值写入成员x。然后,使用x的值。这样,x就变成了findXprint之间的数据通道。由于x属于class A,这样程序就失去了模块化的结构。由于这两个函数依赖于成员x,它们不再有明确的输入和输出,而是依赖全局的数据。findXfoo不再能够离开class A而存在,而且由于类成员还有可能被其他代码改变,代码变得难以理解,难以确保正确性。
  • 如果你使用局部变量而不是类成员来传递信息,那么这两个函数就不需要依赖于某一个class,而且更加容易理解,不易出错: String findX() { ... x = ...; return x; }void foo() { String x = findX(); print(x); }

写可读的代码

有些人以为写很多注释就可以让代码更加可读,然而却发现事与愿违。注释不但没能让代码变得可读,反而由于大量的注释充斥在代码中间,让程序变得障眼难读。而且代码的逻辑一旦修改,就会有很多的注释变得过时,需要更新。修改注释是相当大的负担,所以大量的注释,反而成为了妨碍改进代码的绊脚石。

实际上,真正优雅可读的代码,是几乎不需要注释的。如果你发现需要写很多注释,那么你的代码肯定是含混晦涩,逻辑不清晰的。其实,程序语言相比自然语言,是更加强大而严谨的,它其实具有自然语言最主要的元素:主语,谓语,宾语,名词,动词,如果,那么,否则,是,不是,…… 所以如果你充分利用了程序语言的表达能力,你完全可以用程序本身来表达它到底在干什么,而不需要自然语言的辅助。

有少数的时候,你也许会为了绕过其他一些代码的设计问题,采用一些违反直觉的作法。这时候你可以使用很短注释,说明为什么要写成那奇怪的样子。这样的情况应该少出现,否则这意味着整个代码的设计都有问题。

如果没能合理利用程序语言提供的优势,你会发现程序还是很难懂,以至于需要写注释。所以我现在告诉你一些要点,也许可以帮助你大大减少写注释的必要:

  1. 使用有意义的函数和变量名字。如果你的函数和变量的名字,能够切实的描述它们的逻辑,那么你就不需要写注释来解释它在干什么。比如: // put elephant1 into fridge2put(elephant1, fridge2); 由于我的函数名put,加上两个有意义的变量名elephant1fridge2,已经说明了这是在干什么(把大象放进冰箱),所以上面那句注释完全没有必要。
  2. 局部变量应该尽量接近使用它的地方。有些人喜欢在函数最开头定义很多局部变量,然后在下面很远的地方使用它,就像这个样子: void foo() { int index = ...; ... ... bar(index); ... } 由于这中间都没有使用过index,也没有改变过它所依赖的数据,所以这个变量定义,其实可以挪到接近使用它的地方: void foo() { ... ... int index = ...; bar(index); ... } 这样读者看到bar(index),不需要向上看很远就能发现index是如何算出来的。而且这种短距离,可以加强读者对于这里的“计算顺序”的理解。否则如果index在顶上,读者可能会怀疑,它其实保存了某种会变化的数据,或者它后来又被修改过。如果index放在下面,读者就清楚的知道,index并不是保存了什么可变的值,而且它算出来之后就没变过。 如果你看透了局部变量的本质——它们就是电路里的导线,那你就能更好的理解近距离的好处。变量定义离用的地方越近,导线的长度就越短。你不需要摸着一根导线,绕来绕去找很远,就能发现接收它的端口,这样的电路就更容易理解。
  3. 局部变量名字应该简短。这貌似跟第一点相冲突,简短的变量名怎么可能有意义呢?注意我这里说的是局部变量,因为它们处于局部,再加上第2点已经把它放到离使用位置尽量近的地方,所以根据上下文你就会容易知道它的意思: 比如,你有一个局部变量,表示一个操作是否成功: boolean successInDeleteFile = deleteFile("foo.txt");if (successInDeleteFile) { ... } else { ... } 这个局部变量successInDeleteFile大可不必这么啰嗦。因为它只用过一次,而且用它的地方就在下面一行,所以读者可以轻松发现它是deleteFile返回的结果。如果你把它改名为success,其实读者根据一点上下文,也知道它表示"success in deleteFile"。所以你可以把它改成这样: boolean success = deleteFile("foo.txt");if (success) { ... } else { ... } 这样的写法不但没漏掉任何有用的语义信息,而且更加易读。successInDeleteFile这种“camelCase”,如果超过了三个单词连在一起,其实是很碍眼的东西。所以如果你能用一个单词表示同样的意义,那当然更好。
  4. 不要重用局部变量。很多人写代码不喜欢定义新的局部变量,而喜欢“重用”同一个局部变量,通过反复对它们进行赋值,来表示完全不同意思。比如这样写: String msg;if (...) { msg = "succeed"; log.info(msg); } else { msg = "failed"; log.info(msg); } 虽然这样在逻辑上是没有问题的,然而却不易理解,容易混淆。变量msg两次被赋值,表示完全不同的两个值。它们立即被log.info使用,没有传递到其它地方去。这种赋值的做法,把局部变量的作用域不必要的增大,让人以为�它可能在将来改变,也许会在其它地方被使用。更好的做法,其实是定义两个变量: if (...) { String msg = "succeed"; log.info(msg); } else { String msg = "failed"; log.info(msg); } 由于这两个msg变量的作用域仅限于它们所处的if语句分支,你可以很清楚的看到这两个msg被使用的范围,而且知道它们之间没有任何关系。
  5. 把复杂的逻辑提取出去,做成“帮助函数”。有些人写的函数很长,以至于看不清楚里面的语句在干什么,所以他们误以为需要写注释。如果你仔细观察这些代码,就会发现不清晰的那片代码,往往可以被提取出去,做成一个函数,然后在原来的地方调用。由于函数有一个名字,这样你就可以使用有意义的函数名来代替注释。举一个例子: ...// put elephant1 into fridge2openDoor(fridge2);if (�elephant1.�alive()) { ... } else { ... } closeDoor(fridge2); ... 如果你把这片代码提出去定义成一个函数: void put(Elephant elephant, Fridge fridge) { openDoor(fridge); if (�elephant.alive()) { ... } else { ... } closeDoor(fridge); } 这样原来的代码就可以改成: ... put(elephant1, fridge2); ... 更加清晰,而且注释也没必要了。
  6. 把复杂的表达式提取出去,做成中间变量。有些人听说“函数式编程”是个好东西,也不理解它的真正含义,就在代码里大量使用嵌套的函数。像这样: Pizza pizza = makePizza(crust(salt(), butter()), topping(onion(), tomato(), sausage())); 这样的代码一行太长,而且嵌套太多,不容易看清楚。其实训练有素的函数式程序员,都知道中间变量的好处,不会盲目的使用嵌套的函数。他们会把这代码变成这样: Crust crust = crust(salt(), butter()); Topping topping = topping(onion(), tomato(), sausage()); Pizza pizza = makePizza(crust, topping); 这样写,不但有效地控制了单行代码的长度,而且由于引入的中间变量具有“意义”,步骤清晰,变得很容易理解。
  7. 在合理的地方换行。对于绝大部分的程序语言,代码的逻辑是和空白字符无关的,所以你可以在几乎任何地方换行,你也可以不换行。这样的语言设计是个好东西,因为它给了程序员自由控制自己代码格式的能力。然而,它也引起了一些问题,因为很多人不知道如何合理的换行。

有些人喜欢利用IDE的自动换行机制,编辑之后用一个热键把整个代码重新格式化一遍,IDE就会把超过行宽限制的代码自动折行。可是这种自动这行,往往没有根据代码的逻辑来进行,不能帮助理解代码。自动换行之后可能产生这样的代码:

if (someLongCondition1() && someLongCondition2() && someLongCondition3() && 
  someLongCondition4()) {
  ...
}

由于someLongCondition4()超过了行宽限制,被编辑器自动换到了下面一行。虽然满足了行宽限制,换行的位置却是相当任意的,它并不能帮助人理解这代码的逻辑。这几个boolean表达式,全都用&&连接,所以它们其实处于平等的地位。为了表达这一点,当需要折行的时候,你应该把每一个表达式都放到新的一行,就像这个样子:

if (someLongCondition1() && 
    someLongCondition2() && 
    someLongCondition3() && 
    someLongCondition4()) {
  ...
}

这样每一个条件都对齐,里面的逻辑就很清楚了。再举个例子:

log.info("failed to find file {} for command {}, with exception {}", file, command,  exception);

这行因为太长,被自动折行成这个样子。filecommandexception本来是同一类东西,却有两个留在了第一行,最后一个被折到第二行。它就不如手动换行成这个样子:

log.info("failed to find file {} for command {}, with exception {}",  file, command, exception);

把格式字符串单独放在一行,而把它的参数一并放在另外一行,这样逻辑就更加清晰。

为了避免IDE把这些手动调整好的换行弄乱,很多IDE(比如IntelliJ)的自动格式化设定里都有“保留原来的换行符”的设定。如果你发现IDE的换行不符合逻辑,你可以修改这些设定,然后在某些地方保留你自己的手动换行。

说到这里,我必须警告你,这里所说的“不需注释,让代码自己解释自己”,并不是说要让代码看起来像某种自然语言。有个叫Chai的JavaScript测试工具,可以让你这样写代码:

expect(foo).to.be.a('string');
expect(foo).to.equal('bar');
expect(foo).to.have.length(3);
expect(tea).to.have.property('flavors').with.length(3);

这种做法是极其错误的。程序语言本来就比自然语言简单清晰,这种写法让它看起来像自然语言的样子,反而变得复杂难懂了。

写简单的代码

程序语言都喜欢标新立异,提供这样那样的“特性”,然而有些特性其实并不是什么好东西。很多特性都经不起时间的考验,最后带来的麻烦,比解决的问题还多。很多人盲目的追求“短小”和“精悍”,或者为了显示自己头脑聪明,学得快,所以喜欢利用语言里的一些特殊构造,写出过于“聪明”,难以理解的代码。

并不是语言提供什么,你就一定要把它用上的。实际上你只需要其中很小的一部分功能,就能写出优秀的代码。我一向反对“充分利用”程序语言里的所有特性。实际上,我心目中有一套最好的构造。不管语言提供了多么“神奇”的,“新”的特性,我基本都只用经过千锤百炼,我觉得值得信赖的那一套。

现在针对一些有问题的语言特性,我介绍一些我自己使用的代码规范,并且讲解一下为什么它们能让代码更简单。

  • 避免使用自增减表达式(i++,++i,i--,--i)。这种自增减操作表达式其实是历史遗留的设计失误。它们含义蹊跷,非常容易弄错。它们把读和写这两种完全不同的操作,混淆缠绕在一起,把语义搞得乌七八糟。含有它们的表达式,结果可能取决于求值顺序,所以它可能在某种编译器下能正确运行,换一个编译器就出现离奇的错误。 其实这两个表达式完全可以分解成两步,把读和写分开:一步更新i的值,另外一步使用i的值。比如,如果你想写foo(i++),你完全可以把它拆成int t = i; i += 1; foo(t);。如果你想写foo(++i),可以拆成i += 1; foo(i); 拆开之后的代码,含义完全一致,却清晰很多。到底更新是在取值之前还是之后,一目了然。 有人也许以为i++或者++i的效率比拆开之后要高,这只是一种错觉。这些代码经过基本的编译器优化之后,生成的机器代码是完全没有区别的。自增减表达式只有在两种情况下才可以安全的使用。一种是在for循环的update部分,比如for(int i = 0; i < 5; i++)。另一种情况是写成单独的一行,比如i++;。这两种情况是完全没有歧义的。你需要避免其它的情况,比如用在复杂的表达式里面,比如foo(i++)foo(++i) + foo(i),…… 没有人应该知道,或者去追究这些是什么意思。
  • 永远不要省略花括号。很多语言允许你在某种情况下省略掉花括号,比如C,Java都允许你在if语句里面只有一句话的时候省略掉花括号: if (...) action1(); 咋一看少打了两个字,多好。可是这其实经常引起奇怪的问题。比如,你后来想要加一句话action2()到这个if里面,于是你就把代码改成: if (...) action1(); action2(); 为了美观,你很小心的使用了action1()的缩进。咋一看它们是在一起的,所以你下意识里以为它们只会在if的条件为真的时候执行,然而action2()却其实在if外面,它会被无条件的执行。我把这种现象叫做“光学幻觉”(optical illusion),理论上每个程序员都应该发现这个错误,然而实际上却容易被忽视。 那么你问,谁会这么傻,我在加入action2()的时候加上花括号不就行了?可是从设计的角度来看,这样其实并不是合理的作法。首先,也许你以后又想把action2()去掉,这样你为了样式一致,又得把花括号拿掉,烦不烦啊?其次,这使得代码样式不一致,有的if有花括号,有的又没有。况且,你为什么需要记住这个规则?如果你不问三七二十一,只要是if-else语句,把花括号全都打上,就可以想都不用想了,就当C和Java没提供给你这个特殊写法。这样就可以保持完全的一致性,减少不必要的思考。 有人可能会说,全都打上花括号,只有一句话也打上,多碍眼啊?然而经过实行这种编码规范几年之后,我并没有发现这种写法更加碍眼,反而由于花括号的存在,使得代码界限明确,让我的眼睛负担更小了。
  • 合理使用括号,不要盲目依赖操作符优先级。利用操作符的优先级来减少括号,对于1 + 2 * 3这样常见的算数表达式,是没问题的。然而有些人如此的仇恨括号,以至于他们会写出2 << 7 - 2 * 3这样的表达式,而完全不用括号。 这里的问题,在于移位操作<<的优先级,是很多人不熟悉,而且是违反常理的。由于x << 1相当于把x乘以2,很多人误以为这个表达式相当于(2 << 7) - (2 * 3),所以等于250。然而实际上<<的优先级比加法+还要低,所以这表达式其实相当于2 << (7 - 2 * 3),所以等于4! 解决这个问题的办法,不是要每个人去把操作符优先级表给硬背下来,而是合理的加入括号。比如上面的例子,最好直接加上括号写成2 << (7 - 2 * 3)。虽然没有括号也表示同样的意思,但是加上括号就更加清晰,读者不再需要死记<<的优先级就能理解代码。
  • 避免使用continue和break。循环语句(for,while)里面出现return是没问题的,然而如果你使用了continue或者break,就会让循环的逻辑和终止条件变得复杂,难以确保正确。 出现continue或者break的原因,往往是对循环的逻辑没有想清楚。如果你考虑周全了,应该是几乎不需要continue或者break的。如果你的循环里出现了continue或者break,你就应该考虑改写这个循环。改写循环的办法有多种:
    1. 如果出现了continue,你往往只需要把continue的条件反向,就可以消除continue。
    2. 如果出现了break,你往往可以把break的条件,合并到循环头部的终止条件里,从而去掉break。
    3. 有时候你可以把break替换成return,从而去掉break。
    4. 如果以上都失败了,你也许可以把循环里面复杂的部分提取出来,做成函数调用,之后continue或者break就可以去掉了。

原文发布于微信公众号 - java工会(javagonghui)

原文发表时间:2018-05-29

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