每个程序员都应该挑战的6个项目

作者：Austin Z. Henley

编译：码农翻身

有不少学生和专业的开发人员都想做一个业余的项目，以此来锻炼提高自己的技术能力，但是他们并不清楚要做点啥。

我给大家看下这几个让我受益匪浅的项目，每个项目都可以多做几次，每次都会让你学到新的东西。当你不知道学习什么东西的时候，不妨以这些项目作为驱动。

文本编辑器

我们每天都使用文本编辑器，但是你知道他们到底是怎么工作的吗？忽略掉那些炫酷的功能，你怎么实现一个能够支持选择，插入，删除文本，并且移动光标的文本框呢？

当然了，你不能使用那些GUI框架中已经做好的文本框组件。

最大的挑战就是弄清楚如何在内存中保存文档，我首先想到的就是数组，可是数组在插入文本的时候有着很差劲的性能。幸运的是，还有几个漂亮的数据结构来解决这个问题。

另外一个难点就是理解光标在文本编辑器中的行为，比如，当我在一个文本的中央，开始按“向上”箭头的时候，光标应该向哪里移动？

在同一列移动？不，如果上面的那一行比较短，光标会移动到那一行的末尾，然后再往上移动，如果那一行文本较长，光标还会回到那一行的中间位置。

这就意味着需要记住光标所在的列，这样才有可能回来。我之前根本没有注意到这些小细节，直到我开始实现的时候。

实现了基本的编辑功能以后，下面两个更有趣的挑战是：undo/redo和单词换行。

以有效的方式来实现undo/redo让我大吃一惊，我先是尝试了用一个数组保持之前的状态，然后转向了Memento 模式，最后才使用了命令模式。而单词换行会强迫你把文本的内存存储和视觉表现分开。

从文本编辑器能学到的东西

存储文本的数据结构：array, rope, gap buffer, piece table.
光标的行为和实现
undo/redo的设计模式
利用抽象把文本的存储和表现分开

进一步阅读：

文本编辑器的数据结构：

https://www.averylaird.com/programming/the%20text%20editor/2017/09/30/the-piece-table/

设计和实现一个Win32的文本编辑器：

http://www.catch22.net/tuts/neatpad#

《数据结构和算法：Java描述》

（码农翻身老刘乱入：我更推荐《算法》）

2D 游戏 -- 太空入侵者

即使是最简单的游戏也需要独特的数据结构和设计模式，我们是来学习的，所以最好使用一个简单的2D图形库（如SDL,SFML,PyGame），而不是一个隐藏了很多细节的大型游戏引擎。

首先，你得学会如何在屏幕上绘制东西，实际上你是在清理屏幕，然后快速连续地绘制屏幕的每个部分，一秒多次，以产生物体移动的效果。

其次，你会学会游戏循环，一个游戏实际上是在绘制，获取用户输入，处理游戏逻辑中间的有效的循环操作。

第三，你会学会如何处理用户的输入，我之前从未注意过按下，按住，释放一个按键或者鼠标的细微差别，更不用说处理双击操作了。另外你多久检查一次用户输入？如果一直检查，那游戏的其他部分就被冻结，无法工作了。

第四，你会学会如何创建和管理游戏中的对象，以及他们的状态。例如如果动态地创建一定数量的敌兵？工厂模式能帮助不少。

第五，你会学会如何应用游戏逻辑，什么时候更新子弹的位置？什么时候更多的敌兵应该在屏幕上出现，你如何得知敌人被消灭？什么时候游戏结束？我之前从未用过按模计算，现在我的游戏代码中到处都是了。

基本的游戏运行起来以后，可以增加一点屏幕菜单，游戏结束的画面，探索如何实现有点儿智能的敌兵，如果还觉得不够的话，还可以增加材质，声音，在线的多个玩家！

能学到的东西：

屏幕绘制
获取用户输入
游戏循环
创建和管理动态数量的物体
状态机
播放声音，使用材质, 网络功能

进一步阅读:

《游戏编程模式》

https://gameprogrammingpatterns.com/contents.html

《Data Structures for Game Programmers》

《Programming Game AI by Example》

我从8个视频游戏中学到的8个教训

http://web.eecs.utk.edu/~azh/blog/8lessons8games.html

编译器- Tiny BASIC

我做过的最引人注目的项目是编译器，时至今日，如果我周日的下午有空编程的话，我仍然回去写编译器。

通过创造一个东西，使得别人能创造更多东西，这种感觉实在太棒了。

通过实现一个编译器，我必须得学习很多复杂的编译器技术，这些技术通常来说根本想不到。我建议从零开始写编译器，并且从一个很小的BASIC-like的语言开始（例如Tiny BASIC，https://en.wikipedia.org/wiki/Tiny_BASIC ），然后把它编译成你所熟悉的语言。

例如，你可以用Python写一个编译器，把Tiny Basic编译为C#代码，不需要输出成汇编，这能让你专注到编译器本身。

编译器的第一个障碍就是如何做词法分析，然后你需要构建一颗抽象语法树，递归下降是个非常漂亮的技术。

接下来做语义分析，确保代码是有意义的，规则会被遵守。最后输出目标代码。

不要被那些术语吓住，编译器有海量的资料，先让你的基本的编译器工作起来，然后增加一些标准库（如简单的2D图形功能），优化参数传递，改进错误提示。

最后，你应该用自己的语言写一些例子程序，向全世界展示你的工作成果。

可以学到的东西

词法分析
语法分析
递归下降分析
抽象语法树
语义分析
代码优化
代码生成

进一步阅读

《Crafting Interpreters》

https://www.craftinginterpreters.com/contents.html

《Write an Interpreter in Go》

《Let's Build a Compiler 》

https://compilers.iecc.com/crenshaw/

PeayBASIC source code ：

https://github.com/AZHenley/PeayBASIC

迷你操作系统

在课堂上，操作系统的数据结构和算法看起来太抽象而没啥用处。但实际上，他们是非常有用的。多年来，我把操作系统的基本概念应用到了广阔的领域，如游戏编程，甚至预测人类行为的模型。实现一个操作系统能帮助我们深入地理解底层的情况。

由于依赖硬件，所以刚开始的时候，学习曲线陡峭，有不少障碍，但是如果跟随一本书或者教程，你可以快速地得到一个可以启动工作的OS，并且能运行你自己的程序。

我强烈推荐这本免费的书籍：《Making a RISC-V Operating System using Rust.》

需要学习的内容

交叉编译
操作系统自举
BIOS
中断
x86 modes
内存管理和分页
调度(e.g., round robin)
文件系统 (e.g., FAT)

进一步阅读:

OSDev.org's wiki of resources

https://wiki.osdev.org/Main_Page

Making a RISC-V Operating System using Rust

http://osblog.stephenmarz.com/index.html

《操作系统概念》

如果你能走到这一步，已经非常厉害了，但是....

如果你觉得还是不够难，试试这两个：

电子表格

电子表格（例如Excel），把文本编辑器和编译器这两大挑战结合起来了，需要学会怎么表示单元格的内容，并且实现一个解释器，以便对单元格的内容进行公式计算。

进一步阅读:

有向无环图

https://en.wikipedia.org/wiki/Directed_acyclic_graph

反应式编程

https://en.wikipedia.org/wiki/Reactive_programming

《Spreadsheet Implementation Technology》

视频游戏控制台模拟器

为视频游戏写一个模拟器（或者虚拟机）把编译器和操作系统的挑战给结合起来了，当你把别人的游戏在你的模拟器上运行起来以后，那种成就感相当棒。

这个模拟器其实就是虚拟机，能让那些游戏以为自己在真实的CPU和其他硬件上运行，难度相当高。我建议从模拟CHIP-8开始，这是一个简单的虚拟控制台，然后再转移到一个真正的视频游戏控制台。

NES、SNES、Gameboy和Gameboy的高级版本都是可以模拟的，已经有了大量的文档和开源模拟器。尽管它们都有自己的怪癖，使事情变得有趣(例如，某些游戏可能依赖于特定硬件的无文档记录的bug /特性)。还有PICO-8，它已经成为一个非常有利可图的“幻想”游戏机。

进一步阅读:

Writing a Chip-8 emulator

https://aymanbagabas.com/2018/09/17/chip-8-emulator.html

JavaScript Chip-8 Emulator

http://blog.alexanderdickson.com/javascript-chip-8-emulator

《How to Emulate a Game Boy》

https://blog.ryanlevick.com/DMG-01/public/book/

PyBoy source code

https://github.com/Baekalfen/PyBoy

后记：我觉得这篇文章列举的项目都偏重基础，非常适合在校的大学生，可以锻炼最基本的编程能力，建议多做几个。如果已经工作了，很难会有大块的时间去折腾了，可以考虑选一个自己最感兴趣的去实现。

原文链接：

http://web.eecs.utk.edu/~azh/blog/challengingprojects.html