快速编程的捷径——计算机达人成长之路（40）
9、PASCAL语言（三）木氏程序分析模型
一个小小的课程设计，其实就是一个验金石，谁爱好编程、谁擅长编程一目了然。动手能力强的同学，课程设计常常做的又快又好，而且能帮助很多其他的同学。而动手能力差一些但是学习欲望仍然很强的同学，虽然在编程过程中会遇到各种困难，但总会想方设法的解决，甚至请出编程达人同学手把手的教。无论过程如何，他们必定亲手输入其课程设计的每一行代码。但是总还有另外一些同学似乎对动手编程毫无兴趣，或者天生惧怕，每每课程设计，总是拷贝抄袭、请人代劳或者在别人上交的软盘上写下自己的名字。
木鸿飞曾经认为，所有的学生都能学好程序设计，怀着这样的想法，他教授了几批学生。但在这过程中发现，有人对程序天生友好，稍一点拨就醍醐灌顶，思如泉涌，甚至举一反三。他们从听闻项目名称开始，大脑就高速运转，如此这般，如此这般，思路清清楚楚，一目了然。待到输入代码时，更是十指齐飞，工作效率与普通人不可同日而语。
但还有人却似乎对程序天生迟钝，无论怎么教，怎么学，就是不知道怎么做。就如同牙膏般，挤一点出一点，更有甚者挤了半天也不出一点。即使这次完成了，下次稍有变化，又茫茫然不知所终，真是急煞人也。对此木鸿飞常常无奈的叹气，如果说他们笨吧，但做起其他事情来一个比一个聪明。如果说他们懒吧——是有一点——布置的程序设计常常不能完成，但问题是这些同学独立设计程序的能力很差，绞尽脑汁也不知道如何下手，只能空坐在电脑前发呆，即便编码也会错误连连。老师不能总守着，也没有其他同学可以咨询，久而久之“远编程而近游戏”就成为了习惯。
究竟是什么原因造成了这个现象，这在教育界没有定论，但木鸿飞在不断的摸索与实践中，却略有心得。
成功开发软件的内在要素，无外乎分析、语法、系统、设计和工具。先说工具，很多课程设计本身很简单，并不需要复杂的三方控件或特殊专业知识，而集成开发环境的操作方法也并不复杂，新建、编译、运行等等按钮简简单单明明白白，所以工具不是原因。
再看设计，是否因为编程技巧不高而导致无从下手。不可否认部分同学由于很少动手，编程技巧急待提高，但技巧不足常常是代码行冗长和错误连连的罪魁祸首，还不足以导致编程时头脑一片空白、毫无头绪。
同理，一般课程设计很少使用操作系统的特性，同时大家对语法的掌握程度毋庸置疑。所以种种迹象表明，造成程序生疏的直接原因就是分析，即学习者严重缺乏系统分析、数据建模等方面的能力。
本处纠正一个观点，部分人认为系统分析是系统分析师的工作，是项目组长的责任，项目组普通成员或者小项目无需系统分析。这是不正确的，在设计任何一个程序之前都需要分析，大系统有大系统的分析，小程序有小程序的分析。即便设计从1连续加到100这样的简单程序，也必须先分析后编程，只是过程过于简单，在头脑中一闪而过，刹那间完成，感觉不到罢了。
当缺乏分析能力，无法正确进行分析和建模时，不同的人常常有不同的表现。有的人喜欢“知之为知之，不知为不知”，每每谈论程序，他们都沉默是金，三缄其口，实在躲不过，就会蹦出三个字：“不知道。”
（某计算机课堂上）
木老师：同学们，你们都用过TT打字练习程序吗？
众同学（稀稀拉拉）：用过。
木老师：想不想自己设计TT程序？
众同学（异口同声）：想。
木老师：本次课程设计就是设计TT软件。
众同学（摩拳擦掌）：好！
木老师：那么现在请大家先思索几分钟，TT程序应该如何设计，也就是平时我常教的，应该如何建模？（教室里平静了三分钟），不知名的同学甲，你来回答。
不知名的同学甲：（起来，然后沉默）
木老师：不要紧张，你会如何设计TT程序，想到什么就说什么。
不知名的同学甲（仍然沉默，然后很轻声）：不知道。
木老师：设计TT程序，首选什么数据结构。
不知名的同学甲：不知道。
木老师：TT程序会涉及了那些操作，比如计算时间之类的，想想还有什么？
不知名的同学甲：不知道。
木老师：假设TT程序已经编好了，用户会怎么使用。
不知名的同学甲：不知道。
木老师：你贵姓。
不知名的同学甲：不知道。
木老师：不是吧，貌似你刚刚最兴奋，不要紧，勇敢的讲出你心中的想法，错了也没关系。
不知名的同学甲：我睡着了，被他们吵醒了，不知道是什么事情，跟着叫唤的。
……
还有另一些人却正好相反，面对程序设计，无论是否首次接触，他们貌似总有自己的见解，建模方案和设计手段层出不穷，思如泉涌、口若悬河甚至手舞足蹈，仿佛胸有成竹熟悉无比。但一旦要真正编程时，嘴巴不灵了，手脚不便了，思路枯竭了，就像换了一个人似的。
（大学宿舍中）
帅哥张：今天编译原理老师布置了课程设计，做一个词法编译器LEX，你们有思路吗？
教授（面带愁容）：毫无头绪。
柳轻侯：这个真的很难，我还要考虑一下。
木鸿飞：我也是略懂，正在深入体会中。
于谦（满不在乎）：谁编好后记得给我挂名，我请他吃KFC。
牛人生（洋洋得意）：词法编译器，很容易啊！其实它就是把输入的一段文字区分为不同的单词而已。
木鸿飞：是啊，但是到底如何区分呢？
牛人生：很容易啊，它分为两个部分，一个部分记载所有的单词，当然是以正则表达式的方式记载的。另一个部分则分析文字，以有线自动机的方式将文字分解为一个个的单词，……
木鸿飞：嗯，讲的不错，要不我们合作开发吧。
牛人生：严重同意！你负责编程序，我负责提供思路和设计方法。
木鸿飞：还是一起编程吧，一个人写程序速度太慢。
牛人生：思路很重要，想好了思路，事半功倍。如果没有思路，程序是编不下去的。
木鸿飞：这样不好吧，要不，你设计第一部分，我设计第二部分。
牛人生：别咯！你编程序，有什么不懂的地方来问我就行了，我有的是办法。
……
其实，系统分析人人都会，之所以度不同而已。度太浅就是夸夸其谈，无法形成可行的方案。度太深则缺乏全局观念，容易陷入一个个细节当中无法自拔。那么如何才能掌握这个度呢？就请欣赏下面的实例，希望大家能有所感悟。
实例：分析TT打字练习程序
分析1：沙发。
分析2：好东西，可以围观。
分析3：太好了，我要学习。
分析4：不知道。
评论：此处忽略以上毫无营养的分析。
分析5：在上面显示一行文字，在下面等待输入，错误的就以红色标记，最后显示分数。
评论：这是典型的需求，程序设计前的必修课，外行和夸夸其谈者常止步于此。
分析6：用一数组存储显示出来的用以提示用户输入的文字，称之为提示数组。用另一个数组存储用户实际输入的文字，称之为打字数组。如果两数组对应位置的元素相同则说明用户输入正确，反之就是输入错误，正确的总数除以数组长度就是正确率。
评论：此乃建模，系统分析关键之所在。正所谓外行看热闹，内行看门道，对于计算机软件设计而言，门道就是模型，就是掩藏在缤纷复杂的表象下的数据结构和算法。只有真正提出了数据结构和算法，才可能实现程序，才不会坐在电脑前毫无头绪，否则就是夸夸其谈。分析5是必须的，但仅有分析5是不够的，因为分析5中没有可供实施的具体方案，所以分析6实现了由外行到内行的飞跃。
分析7：提示数组中的元素，可以用随机数的方式生成。具体生成算法容以后详细考虑。
评论：列举程序可能需要的算法，并点明实现该算法的关键，无需马上指出具体实现。
程序具备某项功能，则必定会有相应的算法支持，有的算法比较简单，可以一带而过，有的算法则比较复杂，需要仔细思考。比如扫雷游戏必定有埋雷算法，连连看游戏必须有匹配算法。算法常常不止一个，比如俄罗斯方块游戏中，至少有方块移动算法、方块旋转算法和方块消除算法等多个。
分析7有三个优点：其一、列举了必要的算法；其二、点明了实现该算法的核心，本处为随机数；其三、拿得起放得下，抓主线略细节，并不在此深究算法，本处只需记录下程序所需要的每一个算法并假定已经实现，待所有主线思索清晰后再回过头来逐个突破。
分析8：生成算法有几种，比如随机生成0～25，写入数组时为’a’+随机数。也可以为所有可能出现的字符建立一个索引，随机生成0～最大字符数－1，写入数组值为该索引对应的字符。
评论：算法的具体设计，对分析7中列举出的所有算法一一设计，当然针对同一个功能也可以提供若干个算法，然后从中选取最适合的一种。
分析9：程序接收键盘输入，存入打字数组对应位置中，并在屏幕上回显字符。同时判断是否输入正确，倘若错误则在相应的位置输出红色的惊叹号。
评论：以上是对程序中行为的分析，行为一般是需求的细化，常常不止一个。比如在俄罗斯方块中，至少包含定时结束方块下落，接收并处理键盘关于左移、右移、旋转和加速下移的指令等多个行为。
行为在某种意义上是需求内容之一，故外行或者夸夸其谈者也会有本分析流出，但他们无法详尽每一个行为，并且无法提交针对该行为的可行性设计方案。
分析10：分析9中多次提及“对应的位置”，具体来讲包括当前要输入的是显示数组中的第几个元素，字符存入的打字数组中第几个元素，输入字符回显到屏幕的具体位置，惊叹号显示的具体位置等四个内容。理论上需要四个数据才能存储以上四个位置，但实际上这四个位置之间存在特殊的联系，它们与起始处的相对位置是相同的，所以可以定义一个整型l为当前字符的位置，假设显示数组为a，打字数组为b，首字符横坐标为x，那么对应的数组元素分别为a[l]和b[l]，而在屏幕回显和惊叹号的横坐标就是x+l。
评价：对分析9中的行为进行再建模，这里体现了一种迭代的思想，在大范围建模后（两个数组）又在小范围建模（对应位置）。
能不能从复杂的表象中发现程序的本质，是成为真正的程序员的关键。默不作声者可能为表象所迷惑，而夸夸其谈者则只注重眼前，他们均未能更进一步，或者说他们心有余而力不足，不知道如何透过现象看本质。以本处为例，需要对比显示的字符与输入的字符是否一致，但显示的字符到底是何方神圣？夸夸其谈者只觉得该字符就在屏幕上，所以不会去思考。而默不作声者虽然隐约的感觉事情不是想象中的那么简单，但由于编程太少，无从下手。他们并不知道本处的核心就是确定这个字符在内存中的存储位置。倘若能够思考至此，那么神马迷雾都是浮云。
至此，对TT打字练习程序的系统分析大体完成了，此后就可以条理清晰地进入详细设计和编码阶段。
分析方法多种多样，本处借用打字练习程序，介绍独创的“木氏程序分析模型”，如下图所示：
木氏程序分析模型
木氏程序分析模型由建模（modeling）、算法（algorithm）和行为（action）三个对象组成，简称MAA模型，此三对象之间相互关联，每个对象又可细分成分析（analysis）和设计（design）两种内容。
建模就是确定程序的需求和实现框架。建模分析寻找程序的所有需求，报告针对用户的外部需求和针对设计者的内部需求。比如上文中对TT程序的描述（分析5）
建模设计则分析程序的内部实现，核心是找出适合程序的数据结构和算法，其中尤以数据结构为最。因为数据结构是算法的核心与基础，正如经济基础决定上层建筑一般，数据结构决定算法，算法根据数据结构的改变而改变。比如上文中使用数组存储字符（分析6）。建模设计是程序由虚入实的关键。
算法分析阶段需要列举程序所涉及的所有算法，当然不能是简单的罗列，更为重要的是必须知晓实现该算法的核心思想。比如上文中标明生成字符串的核心思想是随机（分析7），又比如游戏中寻路径算法的核心是深度或广度优先搜索等等。如若不能标明核心思想，则算法必然是无的放矢、夸夸其谈，甚至根本不能实现。
算法设计则将上述的思想落到实处，提出彻底可行的流程。对于简单的算法可以在列举后同时设计流程，而对于复杂的算法，只要确定其可行性，为避免思路受阻、分析中断，可以暂且略过，待到主线分析完毕后再回头设计。
行为分析是更微观的建模分析，它可以是来自外设的行为，也可以是来自系统对象的行为。随着分析的深入，行为也会更加细致。
行为设计是以可行的方式设计行为，可以在总体模型的基础上对行为进行细节性再建模，以使原有模型更加完善。
当然，实际情况瞬息万变，复杂万分，在具体设计时模型内容会有稍许增加。比如设计某项大型项目，前期还会有复更杂的步骤，比如设计拓扑结构，划分对象模块等。因此在应用本模型时要注意以下几点：
第一，分析时必须遵守从主线到细节的原则。只有建立了主体模型，才可以思索算法，然后再是具体设计。千万别在神马都是浮云的时候就仔细设计具体实现。没有主线只有支流只会使你的思维更加混乱，到达无从下手的最高境界。
第二，操作时必须牢记当前步骤的工作范围，设计到大体的模型和算法即可，切不可继续细化到每一行代码。需知诸如设定几个变量，使用什么循环之类的东东是下一步的工作计划，若是提前出现除了带来扰乱思维、增加工作量等恶性后果之外，不会附加任何好处。
第三，整个分析过程不会一蹴而就，也会有一个反复迭代的过程。比如在分析过程中可以对原有模型进行修改完善。又比如从行为分析到行为设计本身就是一个再建模过程，在分析该行为时很可能形成一个新的模型。有时一个大项目会划分为很多小项目，这些小项目又会继续细化为更小的项目。在面向对象方法设计时，会将系统划分为若干对象。这些小项目或小对象均有可能是一个新的模型。
最后，必须声明的事，任何事情都有一个熟能生巧的过程，系统分析也不例外。大家是不是看了上面的分析实例忽然觉得热血沸腾，发觉原来程序分析是如此简单如此清晰的一件事情，产生一种天下程序尽在我手上的错觉，以为自己一下子就转职为编程高手。殊不知好事多磨，只有多做系统分析方面的练习，才可以真正的掌握以上方法的精髓，才可以笑傲程序。否则，你无法透过现象看到本质吗，无法快速并且正确的建模。
不经一番寒彻骨，哪得梅花扑鼻香。不经过一番刻苦的练习，即使背熟了模型，也是纸上谈兵，仍然无法直击本质，无法活用数据结构。恐怕一边摇头一边高唱“借我借我一双慧眼吧，让我把这程序看得清清楚楚明明白白真真切切”就是真实的写照。
倘若有心练习，有大量的实例可供选择。远的不说，就拿大家喜爱的游戏程序来说，从俄罗斯方块、贪吃蛇、扫雷，到连连看、祖玛，植物大战僵尸等等都可以成为练习的素材。甚至可以留意生活中一切可能接触到的应用程序，反向思索其系统分析，比如与朋友们一道卡拉OK时，就可研究点歌程序；使用了一个背单词软件，也可以分析其设计模型。不用担心练习太多，时间无多，分析毕竟是分析，不涉及编码，免去了很多烦人的细节，不会占用太多时间，所以多多益善。当然很有必要从中选取一二完全设计，如此以来即可验证系统分析正确性，又可练习编码等必要能力，还可以得到上台面的成果，实在是学习编程、树立名气、诱惑MM的必备良药。
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