автордың кітабын онлайн тегін оқу Теоретический минимум по Computer Science. Все что нужно программисту и разработчику
Переводчик А. Логунов
Технический редактор Н. Суслова
Литературный редактор А. Петров
Художники Л. Егорова, С. Маликова, Р. Яцко
Корректоры Н. Сидорова, Г. Шкатова
Верстка Л. Егорова
Владстон Феррейра Фило
Теоретический минимум по Computer Science. Все что нужно программисту и разработчику. — СПб.: Питер, 2018.
ISBN 978-5-4461-0587-8
© ООО Издательство "Питер", 2018
Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.
Друзья — это семья, которую мы сами себе выбираем. Я посвящаю книгу моим друзьям Ромуло, Лео, Мото и Крису, которые постоянно меня торопили, чтобы я ее, наконец, закончил.
Я знаю, что дважды два — четыре, и был бы рад доказать это, если б мог, — хотя должен заметить, если бы мне удалось дважды два превратить в пять, это доставило бы мне гораздо больше удовольствия.
Лорд Байрон, из письма будущей жене Аннабелле (1813 год). Их дочь Ада Лавлейс стала первым программистом
Предисловие
Каждый в нашей стране должен научиться программировать, потому что это учит думать.
Стив Джобс
Когда компьютеры начали менять мир, открывая перед людьми беспрецедентные возможности, расцвела новая наука — computer science. Она показала, как использовать компьютеры для решения задач. Это позволило нам использовать весь потенциал вычислительных машин. И мы достигли удивительных, просто сумасшедших результатов.
Computer science повсюду, но эта наука по-прежнему преподается как скучная теория. Многие программисты даже не изучали ее! Однако она крайне важна для эффективного программирования. Некоторые мои друзья не могут найти хорошего программиста, чтобы взять его на работу. Вычислительные мощности сегодня в изобилии, а вот людей, способных ими пользоваться, не хватает.
Рис. 1. Компьютерные задачи1
Эта книга — моя скромная попытка помочь миру, а также подтолкнуть вас к эффективному использованию компьютеров. В ней понятия computer science представлены в простой форме. Я свел научные подробности к минимуму. Хочется надеяться, что computer science произведет на вас впечатление, и ваш программный код станет лучше.
Эта книга для меня?
Если вы хотите щелкать задачи как орешки, находя эффективные решения, то эта книга для вас. От вас потребуется только чуть-чуть опыта в написании программного кода. Если вам приходилось этим заниматься и вы различаете элементарные операторы вроде for и while, то все в порядке. В противном случае вы найдете все необходимое (и даже больше) на каких-нибудь онлайновых курсах программирования2. Вы можете пройти такой курс всего за неделю, и притом бесплатно. Для тех же, кто уже знаком с информатикой, эта книга станет превосходным повторением пройденного и поможет укрепить знания.
Но разве computer science не только для ученых?
Эта книга — для всех. Она о вычислительном мышлении. Вы научитесь превращать задачи в вычислимые системы. Вы также будете использовать вычислительное мышление в повседневных задачах. Упреждающая выборка и кэширование помогут вам упростить процесс упаковки вещей. Освоив параллелизм, вы станете эффективнее управляться на кухне. Ну и, разумеется, ваш программный код будет просто потрясающим.
Да пребудет с вами сила!
Влад
[1] Рисунок использован с согласия http://xkcd.com.
[2] См., например, http://code.energy/coding-courses.
[1] Рисунок использован с согласия http://xkcd.com.
[2] См., например, http://code.energy/coding-courses.
Глава 1. Основы
Информатика не более наука о компьютерах, чем астрономия — наука о телескопах. Информатика неразрывно связана с математикой.
Эдсгер Дейкстра
Компьютерам нужно, чтобы мы разбивали задачи на посильные для них части. Тут нам понадобится немного математики. Не паникуйте, это не высшая математика — написание хорошего программного кода редко требует знания сложных уравнений. В главе 1 вы найдете набор инструментов для решения разных задач. Вы научитесь:
Этого достаточно, чтобы переводить мысли в вычислимые решения.
1.1. Идеи
Оказавшись перед сложной задачей, поднимитесь над ее хитросплетениями и изложите все самое важное на бумаге. Оперативная память человеческого мозга легко переполняется фактами и идеями. Многие подходы к организации работы предполагают изложение мыслей в письменной форме. Есть несколько способов это сделать. Сначала мы посмотрим, как пользоваться блок-схемами для представления процессов. Затем узнаем, как конструировать программируемые процессы на псевдокоде. Мы также попробуем смоделировать простую задачу при помощи математических формул.
Блок-схемы
Когда разработчики «Википедии» обсуждали организацию коллективной работы, они создали блок-схему дискуссии. Договариваться проще, если все инициативы перед глазами и объединены в общую картину (рис. 1.1).
Компьютерный код, как и изображенный выше процесс редактирования вики-страницы, по существу является процессом. Программисты часто пользуются блок-схемами для изображения вычислительных процессов на бумаге. Чтобы другие могли понимать ваши блок-схемы, вы должны соблюдать следующие рекомендации3:
• записывайте состояния и инструкции внутри прямоугольников;
• записывайте принятие решений, когда процесс может пойти различными путями, внутри ромбов;
• никогда не объединяйте инструкции с принятием решений;
• соединяйте стрелкой каждый последующий шаг с предыдущим;
• отмечайте начало и конец процесса.
Рис. 1.1. Редакционный процесс в «Википедии»4
Рассмотрим составление блок-схемы на примере задачи поиска наибольшего из трех чисел (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Поиск наибольшего из трех чисел
Псевдокод
Так же, как блок-схемы, псевдокод выражает вычислительные процессы. Псевдокод — это код, удобный для нашего восприятия, но непонятный для машины. Следующий пример передает тот же процесс, что был изображен на рис. 1.2. Задержитесь на минуту и проверьте, как он работает с разными значениями A, B и C5.
function maximum(A, B, C)
if A > B
if A > C
max ← A
else
max ← C
else
if B > C
max ← B
else
max ← C
print max
Заметили, что этот пример полностью игнорирует синтаксические правила языков программирования? В псевдокод можно вставлять даже разговорные фразы! Когда вы пишете псевдокод, дайте своей творческой мысли течь свободно — как при составлении блок-схем (рис. 1.3
Рис. 1.3. Псевдокод в реальной жизни6
Математические модели
Модель — это набор идей, которые описывают задачу и ее свойства. Модель помогает рассуждать и принимать решения относительно задачи. Создание моделей настолько важно, что их преподают в школе — ведь в математике нужно иметь представление, как последовательно решать уравнения и совершать другие операции с числами и переменными.
Математические модели имеют большое преимущество: их можно приспособить для компьютеров при помощи четко сформулированных математических методов. Если ваша модель основана на графах, используйте теорию графов. Если она задействует уравнения, используйте алгебру. Встаньте на плечи гигантов, которые создали эти инструменты, и вы достигнете цели. Давайте посмотрим, как они работают, на примере типичной задачи из средней школы.
Загон для скота 
Начнем с того, что именно требуется определить; w и l — это размеры пастбища; w × l — его площадь. Сделать площадь максимальной означает использовать всю проволоку, потому мы устанавливаем связь между w и l, с одной стороны, и 100 мотками, с другой:
l
w
A = w × l
100 = 2w + 3l
Подберем w и l, при которых площадь A будет максимальной.
Подставив l из второго уравнения
Да это же квадратное уравнение! Его максимум легко найти при помощи формулы корней квадратного уравнения, которую проходят в средней школе. Квадратные уравнения так же важны для программиста, как мультиварка — для повара. Они экономят время. Квадратные уравнения помогают быстрее решать множество задач, а это для вас самое главное. Повар знает свои инструменты, вы должны знать свои. Математическое моделирование вам просто необходимо. А еще вам потребуется логика.
1.2. Логика
Программистам приходится иметь дело с логическими задачами так часто, что у них от этого ум за разум заходит. Однако на самом деле многие из них логику не изучали и пользуются ею бессознательно. Освоив формальную логику, мы сможем осознанно использовать ее для решения задач.
Рис. 1.4. Логика программиста7
Для начала мы поэкспериментируем с логическими высказываниями и операторами. Затем научимся решать задачи с таблицами истинности и увидим, как компьютеры опираются на логику.
Операторы
В математике переменные и операторы (+, ×, −, …) используются для моделирования числовых задач. В математической логике переменные и операторы указывают на достоверность. Они выражают не числа, а истинность (true) или ложность (false). Например, достоверность выражения «Если вода в бассейне теплая, то я буду плавать» основывается на достоверности двух вещей, которые можно преобразовать в логические переменные A и B:
A : Вода в бассейне теплая.
B : Я плаваю.
Они либо истинны (true), либо ложны (false)8. A = True обозначает теплую воду в бассейне, B = False обозначает «Я не плаваю». Переменная B не может быть наполовину истинной, потому что я не способен плавать лишь отчасти. Зависимость между переменными обозначается символом
A
При помощи других операторов можно выражать другие идеи. Для отрицания идеи используется знак !, оператор отрицания. !A противоположно A:
!A : Вода в бассейне холодная.
!B : Я не плаваю.
Противопоставление. Если дано A
Для любых двух переменных A и B
A
Еще пример: если вы не умеете писать хороший код, значит, вы не прочли эту книгу. Противопоставлением данному суждению является такое: если вы прочли эту книгу, значит, вы умеете писать хороший код. Оба предложения сообщают одно и то же, но по-разному9.
Двусторонняя условная зависимость. Обратите внимание, что высказывание «Если вода в бассейне теплая, то я буду плавать» не означает: «Я буду плавать только в теплой воде». Данное высказывание ничего не говорит насчет холодных бассейнов. Другими словами, A
A <—> B: Я буду плавать, если и только если вода в бассейне теплая.
Здесь теплая вода в бассейне равнозначна тому, что я буду плавать: знание о воде в бассейне означает знание о том, что я буду плавать, и наоборот. Опять же, остерегайтесь обратной ошибки: никогда не предполагайте, что B
AND, OR и XOR. Эти логические операторы — самые известные, поскольку они часто записываются в исходном коде в явном виде — AND (И), OR (ИЛИ) и XOR (исключающее ИЛИ). AND возвращает True, если все идеи истинны; OR возвращает True, если любая идея истинна; XOR возвращает True, если идеи взаимоисключающие. Представим вечеринку, где подают водку и вино:
A : Вы пили вино.
B : Вы пили водку.
A OR B : Вы пили.
A AND B : Вы пили и то и другое.
A XOR B : Вы пили, не смешивая.
Проверьте, правильно ли вы понимаете, как работают эти операторы. В табл. 1.1 перечислены все возможные комбинации двух переменных. Обратите внимание, что A
Таблица 1.1. Логические операции для четырех возможных комбинаций A и B
Булева алгебра
Булева алгебра10 позволяет упрощать логические выражения точно так же, как элементарная алгебра упрощает число
