Как изучать языки программирования
Учебный процесс в IT
Я ни в коей мере не утверждаю, что указанный мной способ лучший из возможных. Более того, я вовсе не уверен в том, что он вообще правильный. Возможно, если бы моим первым языком был не Си, а какой-либо из функциональных языков или ассемблеров, моё мнение было бы иным, и жизнь моя сложилось бы совсем по другому. Так что весь нижеизложенный материал воспринимайте со здоровым скептицизмом.
Немного личных воспоминаний
С детства я мечтал о карьере биолога, но в тринадцать лет, впервые ознакомившись с компьютером в школе, задумал стать крутым хакером. Когда у меня в пятнадцать лет появился регулярный доступ к компьютеру, первой мыслью было изучение программирования. Мой выбор пал на C++, была куплена книга из серии «Для чайников», но всё было ужасно скучным, непонятным и неинтересным. Уже тогда я понимал, что с C++ что-то не так. И сам ход изложения материала в книге начинался с краткого экскурса в функции, после чего сразу переходили к классам, причём всё объяснялось не на живых примерах, а на уровне глобальных абстракций. Авторы с увлечением рассказывали о прекрасном мире ООП, в котором нам посчастливится жить, про машины с разными функциями или животных с разным поведением. В общем, в то время изучение C++ и сама концепция ООП были заброшены.
Спустя несколько лет, во время учёбы в университете, я увидел в киоске маленькую книгу «Язык программирования Си», Брайана Кернигана и Денниса Ритчи. Купив её, я сразу же приступил к чтению. И о чудо! Всё было ясно, легко и ужасно интересно. Язык C очень маленький, простой и элегантный (я всё ещё так считаю), а сама книга была написана нормальным человеческим языком, не лишённым однако строгости. Я перечитывал её много раз, выполнял упражнения, и, таким образом, вскоре освоил этот язык и стандартную библиотеку функций.
Но на чистом Си много не напишешь, а мне хотелось писать серьёзные программы с красивой графикой. Программировал я в Slackware Linux, ибо в Windows как в среде программирования полностью разочаровался. В те времена я вообще много экспериментировал с разными системами, включая QNX и NetBSD. Но в свободных Unix системах выбор вменяемых графических библиотек был невелик: GTK+ и Qt. Причём вторая была написана на C++, с которым я не желал связываться, а в первой не было ясно вообще, как работать. И, если мне не изменила память, их редакторы интерфейсов генерировали огромный код, который ещё нужно было вставлять в свою программу, а не ресурсные файлы, что казалось мне совершенно ужасным.
Так бы я и не начал карьеру, если бы случайно не познакомился с Mac OS X, которую недавно портировали на Intel процессоры. Попросив у знакомого диск с Mac OS X 10.5 Leopard, я установил её на свой HackBook и первый раз ощутил себя на Земле Обетованной.
Помня о своём неудачном первом разе, я ещё долгое время скептически относился к объектно-ориентированному программированию. В начале даже планировал писать программы на чистом Си, используя библиотеку Carbon. И, как выяснилось – зря. Objective-C я изучил по официальному руководству компании NeXT – Object-oriented programming and the Objective-C language. В те времена изучающих новый язык ещё не считали поголовно идиотами или школьниками, поэтому книга написана нормальным языком, а авторы предполагают знание Си и общее представление о программировании. Оказалось, что ООП – это легко, интересно и очень удобно, а объекты – вовсе не абстрактные сущности, а всего лишь структуры, объединённые с функциями. На мой взгляд, именно так и нужно рассказывать основы объектно-ориентированного программирования.
В Xcode и основам Mac OS X я разобрался по замечательным урокам Алексея Борескова. После чего сразу же нырнул в Mac Developer Library, взялся за изучение официальных руководств по Cocoa и прочим библиотекам, параллельно начав писать программы.
Моим первым серьёзным проектом было портирование уроков по OpenGL с Windows на Mac OS X, которое растянулось на целый год. Лишь закончив его, я почувствовал себя достаточно уверенно, чтобы устроиться на регулярную оплачиваемую работу.
Изучая Objective-C, нельзя не услышать о Smalltalk, ибо на него очень часто ссылаются в материалах по Objective-C, видимо, извиняясь за непривычный синтаксис. Но Smalltalk был похож на Неуловимого Джо – все о нём слышали, но мало кто его видел или использовал. В конце концов и мне стало интересно, откуда есть пошла русская земля.
Узнав, что компания Cincom – лидер в сфере решений на Smalltalk – в рекламных целях предоставляет свои инструменты для некоммерческого использования, я сразу же заказал их. Менее чем несколько недель в мою дверь постучал курьер и вручил мне фирменную коробку с несколькими CD дисками и официальным руководством. Всё было совершенно бесплатно, даже за доставку не пришлось платить. На одном из дисков обнаружился VisualWorks – одна из самых мощных и быстрых коммерческих сред по разработке на Smalltalk в мире.
После я узнал про Squeak – свободную реализацию Smalltalk, основанную на оригинальной версии Smalltalk-80, – и познакомился со многими её разработчиками. Для обучения и исследований он подходит намного больше, чем прочие версии. Кстати, сообщество программистов на Smalltalk очень дружное.
Почти все серьёзные проекты являются кроссплатформенными, и их ядра написаны на C++, ибо Objective-C очень мало распространён за пределами Apple экосистемы. Главным образом из-за отсутствия удобных средств разработки. (Будем надеяться, что благодаря LLVM ситуация вскоре улучшится.) Так что мне пришлось изучить C++, несмотря на явную нелюбовь к нему. К счастью, к этому времени я уже научился отделять зёрна от плевел.
Впрочем, хакером я так и не стал.
Порядок изучения языков
C – первый язык
Это маленький (всего 32 ключевых слова в C89, 37 слов в C99 и 44 слова в C11) императивный язык, и его первичное изучение не займёт у вас много времени. В то же время C – очень мощный промышленный язык. Главным образом используется в системном программировании, написании аппаратно независимых компонент операционных систем, компиляторов и трансляторов языков, библиотек, программировании микроконтроллеров. По версии TIOBE Programming Community Index Си всё ещё лидирует по использованию, изредка вежливо уступая первенство Java.
Objective-C – второй язык
Он представляет собой очень тонкий слой поверх чистого Си. Все знания, полученные при изучении Си понадобятся вам в Objective-C. Причём объектно-ориентированная парадигма концептуально и синтаксически отделена от процедурной: в нём вы никогда не спутаете вызов функции и посылку сообщения. Основное его применение – создание пользовательских программ на устройствах компании Apple.
/* Hello world in Objective C */ #import <Foundation/Foundation.h> int main (int argc, const char *argv[]){ NSAutoreleasePool *pool = [NSAutoreleasePool new]; NSLog (@"Hello, World!\n"); [pool drain]; return 0;}
Smalltalk – третий язык
После Objective-C он покажется вам очень знакомым. И не зря, ведь именно его синтаксис и объектная модель были положены в основу Objective-C. Интересен прежде всего чистой реализацией объектно-ориентированной парадигмы. Все конструкции языка, включая условия, циклы, управляющие структуры и операторы, реализованы через механизм сообщений и вынесены в стандартную библиотеку классов. Несмотря на малое распространение он используется в крупных сложных проектах, где важна масштабируемость, гибкость и возможность изменений во время работы. Например, в финансовой сфере (Kapital – система оценки и управления рисками в JPMorgan), управлении производством (CIM в Texas Instruments), логистике (IRIS-2 в Orient Overseas Container Lines), страховании (Desjardins General Insurance Group) и прочих.
"Hello world in Smalltalk" Transcript show: 'Hello World!'; cr.
После изучения указанных языков, все прочие можно учить в любом порядке, в зависимости от ваших личных предпочтений. Ниже я приведу список наиболее важных и интересных языков.
C++
Очень избыточный (число ключевых слов превалило за 100), запутанный и сложный в изучении язык, со множеством исключений и массовыми нарушениями ОО парадигмы. Но если вы хотите работать в индустрии, знать его нужно, так как альтернативы ему не предвидится. На C++ написана большая часть научных и инженерных программ, игр, фото- видео- аудиоредакторов и много чего ещё. После того, как Objective-C и Smalltalk сформировали у вас правильное представление об ООП и программировании, C++ уже не сможет повредить ваш разум. Но всё равно будьте очень осторожны. Вообще, слово «знать» в применении к C++ имеет несколько иное значение, ибо знать его в том же смысле, в каком можно знать, например, Objective-C или Java мало реально. Хорошая новость: в большинстве случаев для успешной работы вам нужно освоить лишь небольшое подмножество языка. Великолепным примером грамотного использования C++ является I/O Kit – интерфейс программирования драйверов в Mac OS X.
Assembler
Ассемблеров существует очень много, намного больше, чем различных архитектур процессоров, так как они представляет собой всего лишь мнемонические коды машинных команд и различаются в разных операционных системах и их версиях. В настоящее время на них не пишут большие программы (исключая, разве что Demo сцену). Однако они широко используются при написании компьютерных вирусов и антивирусов, аппаратно зависимых компонент операционных систем, программировании микроконтроллеров, в реверсивной инженерии и отладке программ.
JavaScript
Пожалуй, главный язык программирования Всемирной Паутины. Основное его применение – создание динамических web страниц на клиентской стороне. Каждый браузер снабжён интерпретатором и средствами для анализа и разработки на нём. Если вы хотите заниматься web программированием, JavaScript – ваш выбор. В нём реализованы по меньшей мере три парадигмы: процедурная, функциональная и объектно-ориентированная, причём последняя основана на прототипах. На первый взгляд JavaScript кажется очень лёгким, ибо позволяет писать в C-подобной манере, но в реальности он сложный. Большинство JavaScript разработчиков программируют не с использованием языка и даже не на языке, а на одной из библиотек.
// Hello world in JavaScript document.write("Hello World!");
Язык Ada
По крайней мере его стоит выучить, чтобы шокировать знакомых священников громким заявлением. Шучу. Благодаря правильному дизайну, многочисленным встроенным механизмам и проверкам Ada является одним из самых безопасных языков программирования. Вряд ли вы будете регулярно использовать его (если, конечно, вам не повезло работать в Министерстве Обороны США, авиационной или космической сфере), но ознакомиться с ним крайне полезно. После его изучения вы узнаете, каким должен был быть C++.
Scheme
Функциональный язык, разработанный в Массачусетском Технологическом Институте специально для обучения студентов программированию. Один из диалектов знаменитого Lisp. Интересен своей элегантностью и минимализмом. В промышленности не замечен, главным образом используется (и весьма успешно) в образовательных учреждениях. Своё знакомство с миром функционального программирования лучше начать именно с него.
Знание разных языков позволит вам выбирать нужный язык под конкретную задачу, а не наоборот.
Особое мнение
Многие авторы советуют первыми изучать скриптовые языки высокого уровня, такие, как Shell, Perl, JavaScript или Scheme. Но лично я рекомендую первым языком учить именно Си. Скриптовые языки с автоматическим управлением памятью, скрывающие всю сложную работу с указателями глубоко в недрах программы, действительно легче в освоении, но все их преимущества можно в полной мере понять и оценить лишь после изучения языка уровнем ниже.
Когда вы научились считать каждый байт, привыкли проверять границы массивов, освоили ручное управление памятью и разобрались с указателями и адресной арифметикой, переход на любой скриптовый язык покажется вам лёгкой прогулкой. Обратное же, как правило, не верно. Если вы привыкли, что ваш интерпретатор всё делает за вас, освоиться в C или C++ будет намного сложнее, особенно, в процессе смены специализации. Ещё вы будете знать, что происходит под капотом вашей программы, и сможете примерно представлять в уме, как могли бы выглядеть на Си выражения используемого языка.
По схожей причине ряд учёных предлагает изучать физику не с классической, а с упрощённой версии квантовой механики. Чтобы у студентов сразу формировалось правильное представление о мире.
Более того, поскольку практически все интерпретаторы и компиляторы языков высокого уровня, а также их модули расширений (во всяком случае самые важные их компоненты) написаны на C, его знание будет вам очень полезным, если вы захотите внести в них изменения или исправления.
Также не нужно выбирать первым объектно-ориентированный язык. Не бегите впереди паровоза. Дело в том, что временные затраты на проектирование и реализацию классов весьма существенны. И в маленьких учебных программах польза от них не очевидна. ООП является логическим расширением процедурного программирования, и изучать его лучше именно в таком ключе. После того, как вы написали несколько сложных программ на процедурном языке, естественным путём пришли к объектным моделям, вам сразу будут ясны все преимущества языков, реализующих объектно-ориентированную парадигму. И ещё, на первом языке обычно изучают основы программирования и алгоритмы, а применение объектной парадигмы, требующей немалого объёма «лишней» работы, будет отвлекать ваше внимание.
Хороший пример объектной модели, реализованной на языке C – библиотека CoreFoundation в Mac OS X.
Как учить язык?
Изучение языка программирования очень похоже на изучение обычного человеческого языка общения. Чтобы выучить новый язык вам понадобятся:
Во-первых, хороший учебник. Не «Для чайников» и не «За 21 день». Лучше, если это будет учебник именно по языку, а не руководство по созданию и выкладыванию игры в App Store (в котором процессу выкладывания посвящено больше времени, чем самому программированию). Во-вторых, стандарт языка ANSI/ISO и справочник по стандартной библиотеке. И, в-третьих, учебные и реальные примеры, которые можно найти в Сети.
Читайте учебники, выполняйте упражнения, изучайте чужие и пишите свои учебные примеры. Экспериментируйте с языком, например, попробуйте реализовать на нём несвойственные ему парадигмы. Полезное упражнение не только поможет вам лучше прочувствовать язык, его достоинства и недостатки, но и приведёт вас к правильной мысли – не существует универсальных языков. Бывают языки хорошо или плохо спроектированные.
Лучшее упражнение – это написание небольших программ, реализующих различные структуры данных и алгоритмы – деревья, списки, таблицы, графы, поиск и сортировку из книги «Алгоритмы. Построение и анализ», Томас Кормен, Чарльз Лейзерсон, Рональд Ривест, Клиффорд Штайн (Introduction to Algorithms by Thomas H. Cormen, Charles E. Leiserson, Ronald L. Rivest and Clifford Stein). Несложные функции стандартной библиотеки или утилиты командной строки. Не нужно пытаться сразу писать большие и сложные программы, всё равно вы ещё плохо знаете язык.
Ещё один хороший способ лучше разобраться в языке – портировать на него учебные примеры или реальную программу с другого языка. По сравнению с разработкой программы с нуля, при портировании у вас уже есть образец перед глазами, и вы сможете всецело сфокусироваться на языке, а не на архитектуре и проектировании. В отличие от многих моих коллег лично я не считаю портирование скучным занятием.
У многих на фоне первых успехов возникает желание сразу начать писать большие серьёзные программы. Я крайне не рекомендую вам следовать их примеру. Взявшись за сложный проект, вы через месяц обнаружите, что ваш первый код был ужасен и приметесь его переписывать, вполне возможно, вам потребуется ещё несколько итераций. В результате вы потратите время и силы на то, что нужно отрабатывать на учебных или небольших программах. Так что не торопитесь – к счастью, примерно за год изучения и упражнений легко можно выйти на приемлемый уровень коммерческой разработки.
Даже если вы опытный программист, лучше вначале разберитесь в языке – как известно, программисты на Fortran (в основном касается ранних версий) могут на любом языке писать как на Fortran. Дело в том, что язык программирования не ограничивается синтаксисом и семантикой, кроме них он включает в себя набор шаблонов, приёмов, идиом и парадигм характерных именно для него. За неделю разобраться в них не представляется возможным.
Подпишитесь на каналы и новостные группы, списки рассылки, посвящённые вашему языку. Ценным источником информации и ответов на многие вопросы являются профильные сообщества в stackexchange.com и аналогичных ресурсах.
В последнее время получил широкое распространение иная стратегия – нацеленная на немедленный результат. Появилось множество книг и курсов, обещающих сделать из человека без малейшего представления о программировании высококлассного специалиста менее чем за месяц. Немало людей посещают подобные курсы (за приличные деньги), учатся писать screensaver, радостно публикуют его в Сети и получает на выходе красивый сертификат с которым бегут устраиваться в фирмы. Подобный подход опасен тем, что создаёт иллюзию знания: человек наспех выучивает одну технологию (как правило не самую лучшую) и считает её единственно возможной.
Заключение
До сих пор речь шла о языках программирования. Но языки представляют собой лишь одну ось в многомерном пространстве программной инженерии. Хорошее знание языков необходимо, но, вообще говоря, недостаточно для разработки программ. Не менее важно знание принципов проектирования программ, алгоритмов, предметной сферы. Всё это нужно изучать параллельно. Продолжая аналогию с реальным миром, можно сказать, что кроме развёрнутых измерений, которые благодаря объёму рынка хорошо видны, существует намного большее число свёрнутых маленьких измерений. Обычно их не видно, но без них привычный мир бы не существовал. Чаще всего именно узких нишах находится наиболее интересная инженерная работа и исследования.
