第1章 编程的时间和空间

1.1 编程的本质

在一部古老的电影《星际迷航4：抢救未来》中有这样一个镜头：从23世纪的未来穿越时空来到现代（1986年）的“进取号”乘务员，为了操作计算机（Classic Mac）而手持鼠标与“计算机”讲话。看来在星际迷航的世界中，用人类语言作为操作界面就可以指挥计算机工作了。

不过，现代的计算机还无法完全理解人类的语言。市面上也有一些可以用日语来操作的软件，但距离实用的程度还差得很远。计算机本来是为了运行由0和1组成的机器语言而设计的，但与此同时，对于人类来说，要理解这种二进制位所构成的序列到底代表什么意思，却是非常困难的。

因此，创造出一种人类和计算机都能够理解的语言（编程语言），并通过这样的语言将人类的意图传达给计算机，这样的行为就叫做编程。

话虽如此，但是将编程仅仅认为是“因为计算机无法理解人类语言才产生的替代品”，我觉得也是不合适的。人类的语言其实非常模糊，有时根本就不符合逻辑。

Time flies like an arrow.

这句话的意思是“光阴似箭”（时间像箭一样飞走了），不过flies也有“苍蝇”（复数形态）的意思，因此如果你非要解释成“时蝇喜箭”也未尝不可，只要你别去纠结“时蝇”到底是啥这种朴素的问题就好了。

另一方面，和自然语言（人类的语言）不同，编程语言在设计的时候就避免了模糊性，因此不会产生这样的歧义。使用编程语言，就可以将步骤更加严密地描述出来。

用编程语言将计算机需要执行的操作步骤详细描述出来，就成了软件。计算机的软件，无论是像文字处理工具和Web浏览器这样的大型软件，还是像操作系统这样的底层软件，全部都是用编程语言编写出来的。

编程的本质是思考

由于我几乎一整天都对着计算机，因此我的家人可能认为我的工作是和计算机打交道。然而，将编程这个行为理解成“向计算机传达要处理的内容”是片面的。这样的理解方式，和实际的状态并不完全一致。

的确，程序员都是对着计算机工作的，但作为其工作成果的软件（中的大部分）都是为了完成人类所要完成的工作而设计出来的（图1）。因此，“人们到底想要什么？想要这些东西的本质又是什么？要实现这个目的严格来说需要怎样的操作步骤？”思考并解决这些问题，才是软件开发中最重要的工作。换句话说，编程的本质在于“思考”。

尽管看上去是和计算机打交道的工作，但实际上编程的对象还是人类，因此这是个非常“有人味”的工作。个人认为，编程是需要人来完成的工作，因此我不相信在将来计算机可以自己来编程。

我是从初三的时候开始接触编程的。当时父亲买了一台夏普的袖珍计算机（PC-1210），可以使用BASIC来编程。虽然这台袖珍计算机只能输入400个步骤，但看到计算机可以按照我的命令来运行，仿佛自己什么都能做到，一种“万能感”便油然而生。

创造世界的乐趣

尽管已经过去了20多年，但我从编程活动中所感到的“心潮澎湃”却是有增无减。

这种心潮澎湃的感觉，是不是由创造新世界这一行为所产生的呢？我喜欢编程，多少年来从未厌倦，这其中最大的理由，就是因为我把编程看作是一项创造性的工作吧。

只要有了计算机这个工具，就可以从零开始创造出一个世界。在编程的世界中，基本上没有现实世界中重力和因果关系这样的制约，如此自由的创造活动，可以说是绝无仅有的。能够按照自己的意愿来创造世界，这正是编程的最大魅力所在（图2）。

正如现实世界是由物理定律所支撑的一样，编程所创造的世界，是由程序员输入的代码所构筑的规则来支撑的。通过创造一个像Ruby这样的编程语言，我对此尤其感触颇深，不过，即便只是编写一个很小的程序，其本质也是相同的。

因此，正是因为具有创造性这样重要的特质，编程才吸引了包括我在内的无数程序员，投入其中而一发不可收拾。将来，如果真能够像在《星际迷航》的世界那样，只要通过跟计算机讲话就可以获取所有的信息，那么编程也许就变得没有那么必要了。

其实，在搜索引擎出现之后，类似的状况已经正在上演了。拿我的孩子们来说，他们也经常频繁地坐在电脑跟前，但却从来没有进行过编程。对他们来说，电脑只是一个获取信息的渠道，或者是一个和朋友交流的媒介而已。编程这种事，是“爸爸在做的一种很复杂的事”，他们觉得这件事跟自己没什么关系。

不过，通过编程来自由操作计算机，并创造自己的世界，这样的乐趣如果不让他们了解的话，我觉得也挺遗憾的。但这样的乐趣并不是通过强加的方式就能够感受到的，而且用强制的方式可能反而会在他们心里埋下厌恶的种子，对此我也感到进退两难。教育孩子还真是不容易呢。

编程所具有的创造性同时也有艺术的一面。在摄影出现之后，绘画已经基本上丧失了用于记录的功能，但即便如此，颇具艺术性的绘画作品还是层出不穷。将来，即便编程的必要性逐渐消失，可能我还是会为了艺术性和乐趣而继续编程的吧。其实，像《星际迷航》中的世界那样，“计算机，请给我打开一个Debian GNU/Linux 8.0模拟器，我要写个程序”，这样的世界也挺有意思的不是吗？

快速提高的性能改变了社会

我们来换一个视角。在计算机业界，有很多决定方向性问题的重要“定律”，其中最重要的莫过于“摩尔定律”了。摩尔定律是由美国英特尔公司创始人之一的高顿·摩尔于40多年前的1965年，在其发表的论文中提出的，这个定律的内容如下：

LSI中的晶体管数量每18个月增加一倍。

LSI的集成度每18个月就翻一倍，这意味着3年就可以达到原来的4倍，6年就可以达到16倍，呈指数增长。因此，30年后，我们来算算看，就可以达到原来的100万倍呢。LSI的集成度基本上与CPU性能和内存容量直接相关，可以说，在这40年中，计算机的性能就是以指数关系飞速增长的。此外，集成度也可以影响价格，因此性能所对应的价格则是反过来呈指数下降的。

想想看，现在你家附近电子商店中售价10万日元左右（约合人民币8000元）的笔记本电脑，性能恐怕已经超过20多年前的超级计算机了（图3）。况且，超级计算机光一个月的租金就要差不多1亿日元（约合人民币800万元），就连租都已经这么贵了，如果真要买下的话得花多少钱啊……

我在大学毕业之后就职的第一家公司里，用过一台索尼生产的Unix工作站，配置大概是这样的：

❑ CPU：摩托罗拉68020 25MHz

❑ 操作系统：NEWS-OS 3.3a（基于4.3BSD）

❑ 内存：8MB

❑ 硬盘：240MB

❑ 价格：定价155万日元（约合人民币12万元）

现在我几乎不敢相信索尼曾经生产过UNIX工作站，以至于连“工作站”（Workstation）这个词本身都已经几乎被淘汰了。工作站曾经指的是那些工程上使用的、性能比一般个人电脑要高一些的计算机（大多数情况下安装的是UNIX系操作系统）。

这台工作站也曾经是我最初开始编写Ruby所使用的机器。现在我自己家里的计算机已经拥有Core2 duo 2.4GHz的CPU、4GB内存和320GB硬盘，单纯比较一下的话，CPU频率大约是那台工作站的100倍，内存容量大约是500倍，硬盘容量大约是1300倍。这两台计算机的发售时间大约差了18年，按照摩尔定律来计算，集成度的增加率应该为64倍，可见内存和硬盘容量的增加速度已经远远超过摩尔定律所规定的速率了。

在当时的网络上，电子邮件和网络新闻组是主流，网络通信还是在电话线路上通过调制解调器（Modem）来进行的。回头翻翻当时的杂志，看到像“9800bit/s超高速调制解调器售价198000日元（约合人民币1.6万元）”这样的广告还是感到挺震惊的。最近我们已经很少见到模拟方式的调制解调器了，我最后见过的调制解调器速度为56Kbit/s，售价大约数千日元。

这正是摩尔定律的力量。在这个业界的各个领域中都经历着飞跃式的成长，近半个世纪以来，与计算机相关的所有部件，都随着时间变得性能更高、容量更大、价格更便宜。

在摩尔定律的影响下，我们的社会也发生了翻天覆地的变化。计算机现在已经变得随处可见，这应该说是摩尔定律为社会所带来的最大变化了吧。

我现在用的手机是iPhone，这个东西与其说是个手机，不如说是一个拥有通信功能的迷你计算机。作为玩具它实在是很有趣，但因为整天鼓捣它还是被家里人给了差评。这样一个东西花几万日元就能买到，不得不感叹文明的进步。差不多在同样的时间，我给我的一个女儿买了一部普通的手机，这部手机跟iPhone不一样，只是那种一般的多功能机，但仔细一看，这种手机也能上网，还装有Web浏览器、电子邮件、日程表等软件，也算得上一台不错的计算机了。

当初，让我感到最惊奇的是这个手机上居然安装了Java虚拟机，这样一来说不定能运行JRuby呢。不光是日本，全世界的人现在都能拥有这样的便携式计算机，并通过无线网络联系在一起，这样的情景在20年前简直是很难想象的。因此可以说，计算机的大规模普及，甚至改变了整个社会的形态。

以不变应万变

由摩尔定律所引发的计算机方面的变化可以用翻天覆地来形容，但也并不是所有的一切都在发生变化（图4）。

比如说，算法就能以不变应万变。被称为最古老算法的辗转相除法，是在公元前300年左右被提出的。此外，计算机科学中的大多数基本算法都是在20世纪60年代被提出的。

我们来想想看电子邮件的情形。15年前，几乎没什么人会使用电子邮件，但现在，电子邮件成了大家身边如影随形的工具，甚至有不少人一天到晚都在拿手机收发邮件。邮件影响了很多人的生活，甚至改变了我们的生活方式。

然而，邮件的基础技术却是出人意料地古老。世界上第一封电子邮件是在1971年发送的，而现在包括手机邮件在内所遵循的RFC822规范则是在1982年制定的，差不多是距今30多年前的东西了。此外，现在依然作为主流而被广泛使用的TCP/IP互联网通信协议也差不多是在那个时候制定的。

也就是说，这个技术本身是很早以前就存在的，只是一般人不知道而已。而更重要的一个原因是，人类自身的变化并没有那么快。读一读《圣经》之类的古典著作你就会惊奇地发现，人类从几千年前到现在所纠结的那些事情几乎没什么变化。从人类的本质来看，技术的进步只不过是些细枝末节的改变罢了。

摩尔定律所带来的变化，并不是改变了人类自身以及计算的本质，而是将以往非常昂贵的计算机，以及只有特殊部门才需要的东西，普及到“老百姓”的手上。从这个侧面来讲，它所带来的变化的确是十分巨大的。

摩尔定律的局限

无论如何，在这40年里，摩尔定律的确在一直改变着世界，但是这个定律真的是完美的吗？

呈指数增长的趋势在如此长的时期内能够一直成立，这本身就很不自然。实际上，这个看似无敌的摩尔定律，最近也仿佛开始显露出一些破绽。我们可以预料到，在不远的将来，一定会出现一些因素，对摩尔定律的继续生效构成障碍。

首先是物理定律的局限。LSI也是现实世界中物理存在的东西，自然受到物理定律的制约。在这40年里，LSI一直在不断变得更加精密，甚至快要到达量子力学所管辖的地盘了。当LSI的精密化达到这种程度，日常生活中一些从来不必在意的小事，都会变成十分严重的问题。

第一个重要的问题是光速。光速约为每秒30万千米，即1秒钟可以绕地球7圈半，这个数字十分有名，连小孩子都知道，不过正是因为光速实在太快，在日常生活中我们往往可以认为光速是无穷大的。

然而，CPU的时钟频率已经到达了GHz尺度，比如说，在3GHz的频率下，波形由开到关（即1个时钟周期）的时间内，光只能前进10cm的距离。

而且，最近的LSI中电路的宽度已经缩小到只有数十纳米（nm），而1nm等于100万分之一mm，是一个非常小的尺度，在1nm的长度上，只能排列几个原子，因此像这样在原子尺度上来制造电路是相当困难的。

LSI中的电路是采用一种印刷技术印上去的，在这样细微的尺度中，光的波长甚至都成了大问题，因为如果图像的尺寸比光的波长还小，就无法清晰地转印。可见光的波长范围约为400～800nm，因此最近45nm制程的LSI是无法用可见光来制造的。

在这种原子尺度的电路中，保持绝缘也是相当困难的。简单来说，就是电流通过了原本不该通过的地方，这被称为漏电流。漏电流不但会浪费电力，某些情况下还会降低LSI的性能。

漏电流还会引发其他的问题，比如发热。随着LSI越来越精密，其密度也越来越高，热密度也随之提高。像现在的CPU这样高密度的LSI，其热密度已经跟电熨斗或者烧烤盘差不多高了，因此必须用风扇等装置持续进行降温。照这个趋势发展下去，热密度早晚要媲美火箭的喷气口，如果没有充分的散热措施，连LSI本身都会被熔化。

由于漏电流和热密度等问题，最近几年，CPU的性能提高似乎遇到了瓶颈。大家可能也都注意到了，前几年在店里卖的电脑还都配备了3GHz、4GHz的CPU，而最近主流的电脑配置却是清一色的2GHz上下。造成这个现象的原因之一就是上面提到的那些问题，使得CPU一味追求频率的时代走到了尽头。此外，现在的CPU性能对于运行Web浏览器、收发邮件等日常应用已经足够了，这也是一个原因。

看了上面这些，大家可能会感到称霸了40多年的摩尔定律就快要不行了，不过英特尔公司的人依然主张“摩尔定律至少还能维持10年”。实际上，人们可以使用特殊材料来制造LSI，以及使用X光代替可见光来进行光刻的转印等，通过这些技术的手段，摩尔定律应该还能再维持一阵子。

此外，由于通过提高单一CPU的密度来实现性能的提升已经非常困难，因此在一个LSI中集成多个CPU的方法逐渐成为主流。像英特尔公司的Core2 i5、i7这样在一个LSI上集成2～8个CPU核心的“多核”（Multi-core）CPU，目前已经用在了普通的电脑中，这也反映了上面提到的这一趋势。

比起拥有复杂电路设计的CPU来说，内存等部件由于结构简单而平均，因此其工艺的精密化更加容易。今后一段时间内，CPU本身的性能提升已经十分有限，而多CPU化、内存容量的增大、由硬盘向半导体SSD转变等则会成为主流。

社会变化与编程

前面我们讨论了摩尔定律和它所带来的变化，以及对今后趋势的简单预测。多亏了摩尔定律，我们现在才可以买到大量高性能低价格的计算机产品。那么这种变化又会对编程产生怎样的影响呢？

我最早接触编程是在20世纪80年代初，在那个时候，使用电脑的目的就是编写BASIC程序。无论是性能还是容量，那个时候的计算机都非常差劲，根本无法与现在的计算机相提并论，此外，还必须使用BASIC这种十分差劲的编程语言，这种环境对于编程的制约是相当大的。当时，我编写了许多现在看起来很不起眼的游戏，还对差劲的BASIC和计算机性能感到十分不爽，一边立志总有一天“一定要用上正经的计算机”，一边搜集着书本杂志中的信息做着自己的“春秋大梦”。

而另一方面，现在计算机已经随处可见，拿着手机这样的个人计算设备的人也不在少数。我的孩子们所就读的学校里，设有与理科教室、音乐教室等并列的电脑教室，有时也会用计算机来进行授课。这样一个时代中的年轻人，他们对于编程这件事又怎么看呢？

由于职业的关系，我家里有很多台计算机，算上不怎么经常用的，可以说计算机的数量比家里人的数量还要多，当然，要是再算上手机之类的话，那就更多了。即便是生活在这样充满计算机的家庭中，孩子们对于编程貌似也没有什么兴趣。

那么，他们用计算机都做些什么事呢？比如用邮件和博客与朋友交流，用维基百科查阅学习上所需要的信息，还有在YouTube上看看动画片之类的。

上初中时学校曾经组织过用一种叫做“Dolittle”的编程语言来做实习，孩子们也好像也挺感兴趣，不过并没有再进一步发展为真正的编程。对于他们来说，上上网站、看看YouTube、发发邮件，有时候玩玩网购和在线竞拍，这些已经足够了。

我一个学生时代的朋友，现在正在大学任教，他对我说，现在信息技术类专业不但不如以前热门，而且招进来的学生中有编程经验的比例也下降了。这似乎意味着，计算机的普及率提高了，但是编程的普及率却一点都没有提高，真是令人嗟叹不已。

我猜想，大概是由于随着软件的发展，不用编程也可以用好计算机，因此学习编程的动力也就没有那么强了。此外，现在大家都认为软件开发是一份非常辛苦的工作，这可能也是导致信息技术类专业人气下滑的一个原因。

话虽如此，但并不是说真的一点希望都没有了。这几年来，我在一个叫做“U20 Pro Con”的以20岁以下青少年为对象的编程大赛中担任评委，每年的参赛作品中，总能见到一些水平非常高的程序。

也许是因为我担任评委的缘故，每年当我看到有自制编程语言方面的参赛作品时，总会感到十分震惊和欣慰。在我自己还是高中生的时候，虽然也想过创造一种编程语言，但完全不知道该怎样去做，到头来毫无进展。从这个角度来看，这些参赛的年轻人能够完整设计并实现一种编程语言，比当年的我可优秀多了，因此我对他们将来的发展充满期待。

在这个世界上也有一些人，即便不去培养，他们也拥有想要编程的欲望，这样的人虽然只是小众，但他们会通过互联网获取丰富的知识，并不断攀登编程领域的高峰。编程的领地不会像计算机的普及那样飞速地扩展，但水平最高的人，水平却往往变得越来越高。这样的状况是我们希望看到的呢，还是不希望看到的呢？我也没办法做出判断。

现代社会已经离不开计算机和驱动计算机的软件了，从这个角度来说，我希望有更多的人能够积极地参与到编程工作中来。此外，我也希望大家不仅仅是将软件开发作为一份工作来做，而是希望更多的人能够感受到软件开发所带来的那种“创造的乐趣”和“心潮澎湃的感觉”。