图灵奖得主 Edsger W. Dijkstra：谦卑的程序员（1972 年）（下）

本文是图灵奖得主 Edsger W. Dijkstra 发表的演讲，他结合自己的早年求学经历，阐明了软件行业如何一步步发展至今，以及我们可以从中学到的发展规律；他列举了对软件领域有重大影响的编程语言，并展望未来，告诉我们如何更好地应对软件危机。

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Edsger W. Dijkstra（1930-2002）

变革的发生看起来需要满足三个主要条件：

• 首先，整个世界必须认识到改变的必要性；

• 其次，来自经济上的诉求必须足够强烈；

• 第三，这个改变必须是技术上可行的。

就让我按照这个顺序来讨论这三个条件。

1. 对于需要认识到软件的可靠性需求

我猜业界目前在这方面是没有任何分歧的。而就在几年前，情况都很不相同：那时谈论软件危机是亵渎神明的。转折点是 1968 年 10 月在 Garmisch 举办的软件工程会议。这次会议上，软件危机被首次公开承认，这引起了不小的轰动。到目前为止，人们普遍认为，任何大型复杂系统的设计，都将是一项困难的工作，每当遇到负责此类工作的人员时，人们都会发现，他们非常关注软件可靠性，这是正确的。简而言之，我们的第一个条件看起来是满足的。

2. 现在来看一下经济诉求

如今人们经常会遇到这样的观点，在 60 年代，软件编程是一个薪水过高的职业，而且在接下来的几年里，程序员的薪水可能会被下调。通常这样的观点与经济衰退有关，但它可能是在表达一些不同但却十分有益的观点：也许过去十几年，程序员没有做好他们本应该做好的工作。社会对程序员的表现及其产品非常不满意。但还有另一个更重要的因素，目前，对于一个特定的系统，软件开发所付的薪水和当时的硬件价格处于同一个数量级，而人们或多或少认同这一点。但是硬件制造商告诉我们，在接下来的十几年中，硬件价格可能会降低一个数量级。但如果软件开发，仍然像现在这样笨拙而且昂贵，那么事情就会完全失去平衡。你不会期望社会接受这个现象的，于是我们必须学习如何将编程效率提高一个数量级。换句话说，只要机器是预算中最大的一项，那软件编程这个职业，就不存在技术笨拙的问题，但由于硬件价格下降非常快，所以这把经济上的保护伞也将会收拢得非常快。简而言之，我们的第二项条件看起来也是满足的。

3. 现在到了第三个条件，它是技术可行的吗？

我想应该是的，我会给你六个论据来支持这个观点。

关于计算机程序结构的一项研究揭示出，有些程序即使是为执行同一任务而编写，即使用到相同的数学算法，他们在可管理性上也会有巨大的不同。人们发现了大量的规则，一旦违反这些规则，程序的可管理性将受到极大程度的损坏甚至被完全摧毁。这些规则分为两类。第一类可以很好地从机制上进行保证，即适当地选择编程语言，例如不要使用 goto 语句，也不要在函数里返回多个输出参数。对于第二类，至少我没有看见机制上的保证（也许是我所知有限），因为似乎需要某种自动的理论证明才能看到违反这类规则的后果，而我现在还没有这样的证明。因此不管现在还是将来，程序员都需要通过自我约束来遵守第二类规则。这其中的某些规则是如此显而易见，以至于程序员们可以通过学习来掌握，并且在讨论某程序是否违反了这些规则时，永远也不会产生争议，例如，程序中的循环结构如果不具备终止条件，或者反复执行循环中的语句会破坏程序的稳定性，程序员们是不会写下这样的循环代码的。

我建议我们仅设计和实现理解性优良的程序。如果某些人害怕这个限制太严格，那我可以向他保证：想要得到任何现实问题的算法解决方案，这类理解性优良的程序足以。我们必须记得，我们的职责不是制造程序，我们的职责是设计能得到预期行为的程序。而以上建议，将是我要阐述的六个观点中前两个的基础。

• 论据一，由于程序员们只考虑理解性优良的这些程序，那他们在这个范畴中再选择不同方案时，将会变得很容易。

• 论据二，一旦我们决定，只在理解性优良的程序中进行选择，那我们就可以很大程度地缩小候选方案数量。注意这个观点和第一个观点有所不同。

• 论据三，是基于程序正确性的一套建设性方法。目前编程常用的一个方式是先写一个程序，然后测试它。虽然程序测试是找到 bug 的一个非常有效的方法，但这种方法却不能证明，程序中没有 bug。为了让人们更加相信程序是正确的，唯一的方法就是给出一个有说服力的证明。但程序员们不应该先写程序，然后再证明它的正确性，因为这样会增加程序员们的负担。相反的，程序员应该一边证明正确性，一边写程序。本观点基于如下的观察：程序员如果先问自己，有说服力的证明具有什么样的结构，找到它，然后构建一个满足这个证明需求的程序，那么，关于证明正确性的这些考量，就会成为一个非常有启发，非常有效的编程指引。通过以上观察可知，只有在考虑理解性好的程序时，这个方法才适用，但是它提供了一种有效的手段，帮助我们找到这样的程序。

• 论据四，是关于某种途径的。通过这种途径，设计程序所需的脑力活动量依赖于程序的长度。据说，某种自然法则告诉我们，脑力活动量会随着程序长度的平方而增加。但是，谢天谢地，没有人能够证明这一点，这可能是因为这个说法本身是不对的。我们都知道，把有限的推理过程覆盖到大量的具体情况上，这样的思维方式叫做“抽象“。所以对于抽象能力的有效挖掘，应当是一名合格程序员所从事的最关键的事项之一。说到这里，应该指出的是，抽象的目的不是为了让事情看起来更模糊，而是在一个新的语义层面让人们看到更精确的东西。当然，我也曾经尝试过寻找更基本的触发因素，好让我们的“抽象”机制，显得不那么有效。但不管我多么努力去尝试，都没有找到这样的触发因素。所以我倾向于一个假设（这个假设到现在为止还没有被证伪），通过恰当地运用抽象能力，理解一个程序所需的脑力活动，最多只会与程序长度成正比增长。而这项观察的一个副产品，则具有更强大的现实意义，这也是第四个论据的基础。这个副产品就是在编程过程所展现出来的大量的抽象模式，它们在编程中扮演了关键角色。这些模式现在广为人知，所以你可以对它们中的每一个模式都举办一次讲座。当我清晰地意识到这些抽象模式的时候，我想到，如果 15 年前他们就广为人知，那从 BNF 到语法导向的编译器的发展，将只会花费几分钟，而不是好几年。所以我把近年来发现的关键抽象模式知识作为第四项论据。

• 现在我们来阐述第五项论据。它与我们正在使用的工具有关，这些工具影响了我们自己的思维习惯。我观察到了一个文化传统，它根植于文艺复兴时期，这个传统倾向于忽视工具的影响，把人类思维作为至高无上的存在，并且认为人类是这些工具的掌管者。但是当我开始分析我自己以及同事们的思维习惯时，我发现了一个完全不同的结论，不管我是否喜欢这个结论：我们正在尝试使用的工具，还有我们正用于表达和记录思想的语言或标识符号，竟然在我们思考和表达内容方面起决定性作用！编程语言对它的使用者思维方式产生的影响，以及认识到脑力是目前为止我们最稀缺的资源，这给我们提供了不同编程语言相对优点对比的衡量标准。合格的程序员，能够意识到他的脑力是有限的，所以他在处理编程问题时，会非常谦卑，并且会像躲避瘟疫一样去避免使用一些投机取巧的小技巧。在广为人知的交互式编程语言环境下，我从各方面都听说，一旦编程环境有了一个终端，就会出现一个特别的现象，它还有一个一语双关的名字：单行程序。它会呈现出两种不同的形式：一个程序员把单行代码发到另外一个程序员的界面上，他要么会很骄傲地解释这行程序做了什么，随后提出一个问题“你可以写出再简洁一点的程序吗？”这就好像是在进行意识领域的讨论！或者他仅仅会问“猜猜这行程序做了什么？”从这个观察中，我们可以总结出，作为工具的语言，可以提供很多投机取巧的小技巧，对那些想展示他们有多聪明的程序员而言，编程语言呈现出强大的吸引力。但是我很遗憾，我必须说，这是一个程序语言最可恶的地方。从最近的经历，我们还可以学习到，编程语言越来越丰富，越来越强大的功能，从某种意义上来讲是犯下的一个错误，因为这些巴洛克式的复杂建筑，这些混搭的功能，真的很难管理，不管从机制上还是理解上。我能看到，在未来，编程语言将变得系统化和简洁。我说的“简洁”的意思是，例如，不仅是 ALGOL 60 的 for 从句，还有 FORTRAN 的 do 循环语句都会被认为是巴洛克式的复杂度。我设计过一次小的编程实验，参加者都是编程方面极其有经验的志愿者，但是结果出现了一些意想不到的事情。没有一个志愿者能找到显而易见和最优雅的解决方法。仔细分析一下，就会发现一个共同的原因：他们的想法被紧紧地绑定在了一个需要加速的变量上，这种思维定势阻挡了他们看到显而易见的方法。他们的解决方法更加低效，这就无谓地增加了理解的难度，并且他们花了很长时间才找到这些方法。这是一段发人深省、令人震撼的经历。最后，从某方面来讲，人们希望未来的编程语言，将极大地区别于我们现在所使用的：用这些编程语言写下的代码，应当能很好地应对软件设计的复杂性。这就是未来工具的优点，也是第五项论据的基础。

此外，我想要警告某些人，他们认为现在编程任务的困难是工具能力的不足所引起的，他们可能会得到一个结论，一旦我们的工具变得更好，编程就不再是一个问题。但是我想说，编程将仍然是困难的，因为一旦从复杂的工具环境中解脱出来，我们将需要面对超出我们现有编程能力的问题。

• 你可以挑战我的第六项论据。因为还不太容易找到实验证据来支撑它，但这不会阻止我相信它的合理性。到现在为止，我还没有提及“层次体系“这个单词，但是可以公平地说，它是所有系统的关键概念，这些系统都包含了层次化的解决方案。我相信，我们解决问题的唯一方式，就是找到一个层次分得很好的解决方案。乍看起来，这一观点中的局限性，会让你感到沮丧。但相反的，我不这样认为！学习局限性的最好方法就是去了解它们。当我们谦卑到能够尝试层次化解决方案时（因为其他方法已经超出了我们的智力范围），我们就能够尽最大努力，以有效的方式给系统进行分层。而我们会发现，原本不能解决的问题居然能够被分解成若干小问题了。程序员发现，被称为“代码生成”的编译阶段所产生的大部分问题，都可以被分解成很多小问题，这些程序员能理解我所说的这一点。层次化解决方案的广泛应用，就是我的第六项也是最后一项论据，这为接下来的十几年内将可能发生的软件革命，带来了技术可行性。

总的来说，对我的考量赋予多少权重，我会把这个决定权留给你们自己，因为我太清楚，我不能强迫其他人来接受我的信念。就像每个重大的变革一样，它都会激起强烈的反抗，每个人都可以扪心自问，反对软件发展的保守力量将来自哪里。就我来看，这些保守力量不会出现在一些主流领域，甚至不会在计算机领域。相反，它们可能出现在教学机构，因为那些机构提供了训练课程；以及计算机使用者所在的一些保守组织里，他们认为自己以前写的程序太重要了，以至于他们觉得重写或者改进这些程序是不值得的。因此，我们很伤心地看到，在一些大学里，主要的计算机辅助工具的选取，是由一些已有且昂贵的应用决定的。在选取时，教学机构却忽视了一个问题：这些学生用户们，他们希望自己开发程序，但现在他们却不得不忍受这类教学工具的限制。高能物理学科，就经常用实验设备的昂贵价格向科学社区勒索。当然，这在技术上是完全不可行的，但是你需要一个强有力的论据来反驳他们。事实上，我们没法保证，哎，平均水平的程序员能够阻止这场变革的发生：因为还有其他程序员，他们的编程效率很高，平均水平的程序员将会被淘汰掉。

可能还会有来自政治方面的阻碍。即使我们知道如何训练未来的专业程序员，我们所在的社会也不一定允许我们这样做。教授一种方法，而不是传播知识，这带来的首要效果就是，继续提高已经具有一定能力的人的技能，这样会继续拉开人们智力上的差距。在我们的社会中，教育系统是建立同质化文化的一种工具，精英阶层被阻止进入最顶层社会，所以合格程序员的教育，可能在政治上是行不通的。

现在我们来总结。自动计算机已经陪伴我们度过了 1/4 个世纪。它们作为工具所展示的能力，已经为我们的社会带来了巨大的影响，但相较于将在未来带给我们史无前例的智力上的影响，这简直就是冰山一角。层次化系统，看起来有这样一种属性，在某一层上作为一个整体的实体，将可以在更低的层级被细分，细分模块将具有更多的细节。所以在层次化系统中，层级每降低一级，时间和空间的自然粒度也会有一个数量级的下降。我们通过砖头认识墙面，通过结晶体认识砖头，通过分子认识结晶体等等。所以，层次化系统中可以被有意义地区分开的层次数量，与最大和最小粒度之比呈对数正比。于是，除非这个粒度之比非常大，否则我们不会有太多层。在计算机编程中，基本的构建模块在时间维度上具有小于一微秒的粒度，但是我们的程序，可能要花费数小时的计算时间。我不知道是否还有其他什么技术，它的粒度之比是 10 的 10 次方或者更高：计算机以快速的计算能力见长，在计算机环境中，高度层次化的系统看起来是可能的也是必要的。编程任务带来的挑战是如此的独一无二，它可以教会我们很多东西，它会加深我们对设计和创造事物的理解，他会在我们思考时带来更好的控制力。

历史已经教给了我们一些训诫，而我在这个演讲中想强调的要点如下：我们应该在编程工作上做得更好，（实现这一目标的前提是）只要我们意识到，我们所面临的任务的巨大难度，只要我们坚持简洁而优雅的编程语言，只要我们对人类思维的内在局限性心存敬意，并且在解决程序问题时，成为一个谦卑的程序员。

（完结）

原文链接：

The Humble Programmer