解读高德纳:最伟大计算机程序员是如何诞生的

来源:图灵社区

计算机编程是一种艺术形式,就如同人们谱写诗歌和音乐。  ——高德纳(Donald E.Knuth)

最伟大的计算机程序员是如何诞生的?——解读高德纳(Donald E.Knuth)

高德纳(Donald Ervin Knuth,1938年1月10日-),出生于密尔沃基,美国著名计算机科学家,斯坦福大学计算机系荣誉退休教授。高德纳教授被誉为现代计算机科学的鼻祖,在计算机科学及数学领域发表了多部具广泛影响的论文和著作。 高德纳最为人知的事迹是,他是《计算机程序设计艺术》(The Art of Computer Programming)的作者。此书是计算机科学界最受高度敬重的参考书籍之一。他创造了算法分析的领域,在数个理论计算机科学的分支做出基石一般的贡献,此外还是排版软件TEX和字体设计系统Metafont的发明人。 高德纳的英文名直译为唐纳德·欧文·克努斯(Knuth发音为/knuːθ/[1]),“高德纳”这个中文名字是1977年他访问中国之前所取的,命名者是储枫(姚期智的夫人,计算机科学家)。

高德纳真的只是一个人么?他一生发表了150余篇论文,提出了领域内最重要的三个算法。他的经典巨著(如今在写第四卷)《计算机程序设计艺术》对整个行业进行了综述,同时也提出了原创的研究见解。这本书的前几卷已经诞生了中文、日语、俄语和匈牙利语等多个版本。在三十多年的研究生涯中,他还找时间创造出功能强大的排版印刷软件系统,以便进行多样化的写作,主题 包括古巴比伦算法和《圣经》诗篇,甚至还有小说。在“业余时间”里,他喜欢弹奏自已设计的管风琴。

最伟大的计算机程序员是如何诞生的?——解读高德纳(Donald E.Knuth)
高德纳和妻子在斯坦福大学家中,面前是他自己设计的管风琴,1975年(斯坦福大学新闻出版服务中心提供)

在其职业生涯中,高德纳受到了公众广泛的赞誉和褒奖,包括1974年获得计算机科学界的最高荣誉图灵奖,1979年获得吉米·卡特总统颁发的美国国家科学奖章。然而高德纳以一种超然的态度面对这些荣誉。当年的图灵奖杯如今已被他当做了盛放水果的果盘。

高德纳的音乐世界及他的第一篇出版物

高德纳于1938年出生于密尔沃基。他的父亲是克努斯家族的第一位大学生,最开始是小学教师,后来在一所路德教会高中教簿记学。每周日他还在教堂弹奏管风琴。高德纳继承了他父亲对音乐和教育的理解,尤其是语言风格。

我最感兴趣的东西恰恰是老师们擅长的。我们在语句分析图方面进行了扎实的训练。下课后总有一堆人凑在一起分析诗歌中的语句,其乐融融。

作为校报的编辑,高德纳发明了填字游戏 。他至今仍记得当年在词海中寻找合适题目的乐趣。从小时候起,高德纳就开始赢得荣誉。8年级时,一家糖果生产商赞助了一次比赛,要求选手用其品牌“Ziegler’s Giant Bar”(齐格勒巨型棒棒糖)中的字母组成新的单词,组成单词数量最多者获胜。小高德纳决定尝试一把。

我找出了大概4500个单词,还没有用撇号。如果用撇号我会找到更多。比赛裁判给出的“官方”单词表上只有2500个。

他赢得了自己的第一份奖励:一台电视机(在当时属于奢侈品)以及足够整个学校享用的齐格勒棒棒糖。上高中之后,高德纳又获得了西屋科学天才奖的提名,理由是他的“普茨比度量衡体系”。高德纳以他日后研究生涯中标志性的细心和准确,定义了一系列基本单位,例如长度单位普茨比 (第26期MAD杂志的厚度)、“麻烦程度”单位MAD(即48件事的麻烦程度)以及能量的基本单位whatmeworry 。1957年6月,MAD 漫画杂志花25美金买下了这篇作品,使之成为了高德纳等身著作中的第一篇出版物。不过,他在高中时期最关注的既不是写作也不是科普,而是音乐。

当时我认为上大学时应该会主修音乐专业。一开始我吹萨克斯,后来乐队的低音号手出了事故,我又开始吹低音号。我为乐队编了一首曲子,把当时热门电视剧的主题曲都加了进去——《法网恢恢》 、胡迪•都迪秀 还有百利发乳 的广告音乐。我那时可不懂什么版权保护法。

高德纳的计算机之路

1956年,高德纳有生以来第一次接触到了计算机,那是一台IBM 650,Fortran之前的机器。他通宵不眠地钻研使用手册,并且自学了基本编程。

我们从IBM得到的手册上面有一些编程的案例,而我发现自己的方法比上面介绍的好得多。所以我猜自己可能有些天赋。其实我不知道的是几乎所有人都能对那些程序加以改进——当时的相关书籍都很差劲。我开始学习计算机时,正是巴科斯忙于Fortran的时候。

高德纳的第一个程序是把数分解为素数的乘积,另一个程序则是教计算机玩井字棋 。不过这些都只是小打小闹而已。1958年他为凯斯校篮球队编写了一个程序,根据命中率、抢断、失误等数据为每位球员评分。球队教练非常欣赏这套程序,宣称球队在联赛夺冠也有它的一份功劳。《新闻周刊》专门为该程序写了一篇报道,IBM也在公司宣传册上刊登了高德纳与650机的合影。 高德纳被计算机的无所不能深深地吸引住了。事实证明计算机甚至也符合他对音乐的兴趣。 数学是一种模式的科学。音乐也是模式。计算机科学在进行抽象、建立模式等方面同样有很多作为。我认为,计算机科学与其他领域最大的区别就在于它不断的跃变——从微观角度上升到宏观视角。

有许多职业的产生是有明确的需要,人们要找到解决重要问题的方法,比如医学方面的职业。而像计算机科学这样的职业之所以存在,是我们从小形成的思维结构所决定的。

如果你碰巧属于某2%的人,那么你就会自然而然地被计算机吸引而产生共鸣。正是思维方式将我们与其他人区分开来。最终,我意识到自己是一位计算机科学家。

1960年,高德纳以最优异成绩从凯斯理工学院毕业,而且校方打破惯例,投票决定同时授予他数学硕士学位。随后他前往加州理工学院,3年后获得数学博士学位。他写了一篇关于组合几何学的论文“有限半视场及射影平面”。

1963年毕业后,高德纳以数学系助理教授的身份加入了加州理工学院教研组,仍然继续追随着对计算机的兴趣。自1960年起他就担任了布劳斯公司的顾问。布劳斯公司(后合并为优利系统)是当时计算机产业的领跑者,与艾兹赫尔•戴克斯彻等杰出人物保持着密切的联系。

高德纳在布劳斯的工作内容包括硬件和软件设计,尤其是对新发明的Algol 60编程语言提供支持。这份工作让他有机会与戴克斯彻当面认识,分享彼此对编译的共同爱好。戴克斯彻和J. A. 祖内维德 在1960年8月已经实现了第一个Algol 60编译器。

我们见了面,并一直保持书信来往。他最大的长处在于永不妥协的审美品味,我呢,总是意志不坚,摇摆不定。如果他对我说他喜欢我做的某件事,那么他就是真的喜欢;如果他说不喜欢,那么就是真的不喜欢。所以我视他为难得的诤友。

在那个时侯,数学和计算机科学之间存在着巨大的鸿沟。在写程序时,你必须来回调整,直到自己认为它能顺利运行。利用数学对程序进行证明——这在当时是一个非常激进的概念,所有人都认为不可能。戴克斯彻的确是计算机程序验证方面最伟大的先驱之一。

巨著《计算机程序设计艺术》的诞生

1962年1月,Addison-Wesley出版社 找到当时还是学生的高德纳,邀请他为编译器这一新生领域写一本书。同年夏他启动了这项计划,到1963年秋,他开始让自己在加州理工的学生试读初稿,以测试效果。

到了1966年,我已经手写了3000页的草稿,开始用打字机把它们打出来。我比较了手书和打印页面的文字大小,估计这个3000页会减少到700页。但是出版社说我错了,比率应该是1比1。经过疯狂的会议讨论,我们定下了一个计划:出一个七卷册的系列丛书。

在1966年,举一人之力就可以了解整个计算机科学领域。但是它一直在不断成长壮大。我已经尽全力跟上它的步伐。而现在我发现第4卷(关于组合算法)一卷马上就要超过2000页——第4A、4B和4C卷,估计能在2003年完成。

一个新科博士,挑战如此包罗万象的典籍,本就是一件惊人的事,但它得到的反应却更加惊人:《计算机程序设计艺术》的前三卷成了20世纪70年代初教科书的首选,至今仍频频被用于参考书。它们之所以一直受到追捧,正是因为高德纳对待课题一丝不苟的态度。对提及的每一个理论,书中都会巨细无遗地讨论所有细节。在解释某个算法后,高德纳还会再给出一个程序实例——目的是确保读者不会产生误解。书中严谨与机智并举,而且尽力展现每一条理念下蕴藏的美感。正如纽约大学的编译器设计师埃德•施恩伯格 所言:“戴克斯彻教我们分辨是非,高德纳教我们分辨好坏。”

由小故事探究最伟大的计算机程序员如何诞生的

民间故事中一直把高德纳视作为有史以来最伟大的计算机程序员。我们不妨参考以下艾伦•凯所讲的轶事。

当我在斯坦福大学从事AI项目时(20世纪60年代末),每个感恩节我们都会与在湾区 做研究项目的人们进行一次编程竞赛。奖品是一只火鸡。 麦卡锡为竞赛出题。高德纳参加的那一年,他一举拿下了两个奖项:程序调试所用的 时间最少、算法执行效率最高。而且他用的是所有参赛者中最烂的系统,叫做Wilbur系统,只能远程批处理。可以说他把所有人都打得屁滚尿流。然后他们问他:“你怎么这么牛?”他回答说:“我学编程的时候,一天能摸5分钟计算机就不错了。想让程序跑起来,就必须写得没有错误。所以编程就像在石头上雕刻一样,必须小心翼翼。我就是这样学编程的。”

本文摘自:《奇思妙想:15位计算机天才及其重大发现》

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