如何从零开始进行程序设计

时间：2025-01-13 作者：Jiaqi Z.

分类：机器学习与人工智能

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这一篇虽说是放在机器学习分类下，主要是为课题组内的同学所准备的，但这篇文章所说的一些想法，可能也适用于大多数程序设计的过程（无论是在科研过程中需要写程序、或者是做程序设计课程的课程设计等）。

本篇不会讲解具体的程序设计语言，例如Python、C语言等，而是一种通用的思考方法，可以帮助你更快上手进行一个较大的程序设计。

第一步：明确问题与需求

永远不要一开始就敲代码，仔细思考一下：要解决什么问题。大多数编程活动都是任务驱动或者问题驱动。例如，对于在校大学生而言，写程序可能是为了解决课本上的一个问题，或者老师的一个任务需求，又或者是论文上需要的一部分；对于软件工程师而言，写程序可能是为了实现产品经理的一个特定的需求，或者修复用户提出的一个bug等。盲目开始写程序，总是不可取的。

同时，在明确问题与需求之后，需要考虑的是：这段代码应该使用什么程序语言设计？例如，如果你是希望做机器学习与神经网络相关的，显然Python是更适合的；而像物理专业的一些理论计算，比如解方程等任务，可能使用MATLAB或者Wolfram Mathematica更方便；如果你是做嵌入式单片机的，那几乎就是C语言设计的……总而言之，选择一个合适的程序语言可能会让你的程序设计过程事半功倍。

如果你确实不知道该用什么编程语言的话，试试Python吧

第二步：拆分任务

程序设计的思维一定是模块化的思维，如果一个程序很小，例如判断一个数字是不是质数、或者使用欧几里得算法判断两个数字的最大公因数 等，只需要完成这一个任务就足够了。但通常情况下，使用程序解决的问题往往会很复杂，可能需要多个模块相互配合。这就如同一个公司要进行经营，需要各个部门的配合，其中每个部门都负责自己的内容，最后将其整合起来成为一个完整的公司架构一样。写程序的时候，也应当将任务进行拆分，拆分成一系列的“小任务”（也可以看作模块）。这个模块的大小可以因人而异（或者在具体的软件开发中，可能开发组内又有另外的分工），对于初学者而言，可能程序算法不是太熟练，此时可以将模块尽可能的小。例如，现在希望制作一个值日表安排程序，将一个时间段按照日期，每隔一定天数安排一个人，一共有6个人，按照顺序依次分配。此时我们的程序可能会拆分成这样几个任务：

生成日期-按照一定间隔取出日期-按照顺序安排6个人

注意：这些任务的划分是取决于程序设计者本人的（或者取决于项目开发组的）。

第三步：对每个任务进行拆分，设计步骤

有了具体的任务之后，我们就可以“逐一攻破”了。在程序设计的过程中，我们需要对每个任务进行进一步划分，将其划分为有限次数的步骤（这就是算法），这些步骤应当是确定的。例如，在上面的例子中，我们可能需要做这样几个算法（这些算法的每一步并不一定是一行代码，可能是多行代码，甚至有些步骤本身可能足够复杂到成为一个“任务”了）

1. 读取起始日期和结束日期(yyyy1-mm1-dd1和yyyy2-mm2-dd2)
2. 定义一个空的列表dates（这个列表是广义上的列表，它可能是C语言中的数组，也可能是MATLAB等程序中的向量，也可能是Python中的列表）
3. 定义i←0
4. dates[i]←yyyy1-mm1-dd1（这里面的←是一个比较常见的算法符号，表示将右面的值赋值给左边的变量）
5. i←i+1
6. 查看yyyy1-mm1-dd1+1（表示“下一天”）是否“小于等于”yyyy2-mm2-dd2，如果是，则进行第7步，否则进行第9步
7. yyyy1-mm1-dd1←yyyy1-mm1-dd1+1
8. 返回第4步
9. 输出dates列表

可以注意到，以Python为例，像第2步，第3步这些都是可以用一行表达式如dates=[]和i=0进行表示；但类似于第6步，查看某一天的下一天并不是一件“易事”（因为它涉及到一个月的最后一天的判断，甚至可能包括平年闰年的判断等），同时判断一天是否“小于”另一天也不是单纯的比较大小（可能需要三个数的比较），因此，我们可能会把第6步作为一个函数处理（完全可以把“函数”也看作是一种“任务”，但为了与前面的任务区分，我们这里使用“函数”，从程序设计的角度看，函数里面调用函数本身就是合理的）

第四步：从底层开始编写代码

这一步难度应该是“最低”的，因为它实际上就是用计算机语言把你前面所想的步骤表示出来。但是，在写代码的时候，有一些小技巧可以注意：

1. 善用测试：任何人都不敢说可以一次写出正确的程序，大多数时间应当是调试、修改代码。因此，发现程序报错并不可怕，重要的是如何找到错误的地方。如果是一次性写完再测试，那工作量太大，且错误的可能性太大，因此，我们可以每写完一个任务或者一个函数，就测试一下函数的准确性。在测试的时候，可以在程序中以变量赋值的方式给定一些测试数据，或者使用像Python的input()函数，以及C语言的scanf()等方式进行终端的输入（通常直接变量赋值是最方便的）。在输出时可以简单的终端输出，或者根据需要选择像文件输出等方式来判断输出格式的正确性。通常，在涉及底层算法时，其测试可以简单的终端输入输出；而涉及到交互时，可能会需要一些其他的方式（有时这可能需要前后端的配合，但从程序设计“哲学”的角度来看，前后端分离是必需的。）

还是以上面的例子为例，假设我们现在完成了函数addDate(date)函数，给定date函数返回它的下一天。在测试时，我们可以仅仅调用这个函数，给定几个特殊的date（例如，2024年2月28日、2025年2月28日、2023年5月30日、2025年1月8日、2024年12月31日等，可以看到，这里面包含了一个月最后一天，一年最后一天，平年闰年2月的判断，以及常规的日期），通过这几个测试例，可以很容易判断这个函数是否实现的预期的功能。如果测试通过了，可以想见，它在后面的程序中大概率也是正确的，如果测试不通过，一个函数的代码量也是比较小的，容易发现其中的错误。

以我个人的习惯为例，在完成一个函数时，我喜欢对其进行一个小的测试，判断它的功能是否正确；在完成一个大的任务时，我喜欢对其进行一个测试，判断它是否可以正确完成这个任务；在整个程序完成后，再对其进行测试，通常这时候就是判断各个任务之间的“衔接”是否合理。一个需要记住的是：越在早期排查出错误，越能避免后期造成更大更隐蔽的错误

2. 善用AI：现在的程序设计，几乎AI是不可避免的。我也不反对程序设计中使用AI来生成一些代码。但是，需要特别注意的是：最多使用AI生成一个函数，千万不要使用AI生成一个“任务”，甚至整个程序，AI还没有那么强大，大概率会失控。此时出现的错误，非常难以排查。使用AI生成一个函数，甚至10行左右的语句实现一个功能，如果出现错误，人为排查是很方便的（详见第1条的善用测试）

3. 平地起高楼，地基要打好：还是要本着底层设计的思路，千万不要想着“一口吃成个胖子”，再天才的程序员也做不到一次性写出上千行代码。慢慢来，一步一步来，从简单的开始像“搭积木”一样，最终实现复杂的功能不是难事。而且，不要羡慕别人能写几千、几万行代码，再复杂的代码也是由若干个功能实现的，可能每一个功能也就几十行代码。利用上面的方法，你也可以写出上千上万行代码。

4. 一定要写注释！：把每一个函数做了什么，每一部分干了什么记录下来，在后期进行整合时会很容易（要不然你一定会“眼花缭乱”的）