程序员必练六大项目：从数据结构到操作系统，计算机教授为你画重点

鱼羊 编译整理
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

编程这件事，光有理论是不够的，动手实践是必修课。

不过，从什么项目入手，往往让人犯了难。

如果你还在纠结，应该拿什么项目来开始自己的编程练习，不妨来看看这份“程序员都应该尝试的挑战性项目”清单。

这是田纳西大学助理教授奥斯汀·亨利（Austin Z. Henley）结合自身经验，给出的良心推荐。不仅总结了知识要点，让你在学习中有的放矢，还贴心整理了拓展阅读资料。

你可以多次构建这些项目，每次从中收获新的知识。

每当我不知道该拿什么练手，或者想学习一种新的编程语言或框架时，我就会从以下项目中选择一种开始coding：

每个程序员都应该尝试的挑战性项目

文本编辑器

不使用GUI框架中内置的文本框组件，要如何搭建支持光标移动、选择、插入和删除操作的文本框？

这个项目中，存在两个主要挑战：

• 如何将文本文档存储在内存中

• 学习文本光标在流行的编辑器中的行为

不要小看这些基础的功能，其中有许多细节值得注意。比如当光标位于文本当中，按下向上箭头，光标会移动到何处？

△图源：Austin Z. Henley

如果你觉得这太简单，还有进阶测试：

• 撤销/重做

• 自动换行

最后总结一下知识要点：

• 用于存储文本的数据结构：数组，rope，gap buffer，piece table

• 文本光标的行为和实现

• 撤销/重做的设计模式：记忆，命令

• 分离文本视觉和记忆的抽象

别忘了还有拓展阅读哟：

2D游戏-太空侵略者

即使是最简单的游戏也需要考虑数据结构和设计模式。

在这个项目中，你的任务是从头到尾实现一个定义明确的游戏。最好使用SDL，SFML，PyGame这样的2D图形库。

△图源：Austin Z. Henley

第一步，创建对象移动的效果。

第二步，了解有关游戏循环的所有信息。游戏实际上是在绘图、获取用户输入和处理游戏逻辑之间循环。

第三步，处理用户输入。

第四步，学习如何创建和管理所有游戏对象及其状态。比如如何生成动态数量的敌人。

第五步，学习如何应用游戏的逻辑。子弹头位置何时更新？什么时候会有更多敌人出现在屏幕上？怎么判定敌人被干掉了？游戏何时结束？

甚至，在进阶阶段，你还可以考虑引入AI，来制造更加“智能”的敌人。

编译器-Tiny BASIC

从头开始编写一种非常小的类似于BASIC的语言编译器，然后将其编译为任何其他语言。比如，用Python编写可以输出C#代码的Tiny BASIC编译器。

△图源：Austin Z. Henley

知识点：

• 词法分析

• 句法分析

• 递归下降解析

• 抽象语法树

• 语义分析

• 优化passes

• 代码生成

迷你操作系统

从这个项目开始，难度就加大了。

操作系统依赖于硬件，因此入门门槛比较高。但这个项目可以帮助你更好地理解计算机底层都发生了什么。

作者亨利推荐了一本免费电子书《使用Rust构建RISC-V操作系统》作为入门教材（地址见文末）。

△图源：Austin Z. Henley

知识点：

• 交叉编译

• Bootloading

• BIOS中断

• x86模式

• 内存管理和分页

• 排程（Scheduling）

• 文件系统

如果以上四个项目，你都觉得so easy，那么就来尝试一下最后这两个高难度项目吧。

电子表格

电子表格应用程序（如Excel）将文本编辑器和编译器的挑战结合在了一起。

在这个项目中，你需要学会如何在内存中表示单元格内容，并实现用于方程式的编程语言解释器。

电子游戏机模拟器

这是一个操作系统+编译器的二合一挑战项目。

挑战内容是，编写一个虚拟机，让虚拟机可以像真实的CPU和其他硬件组件一样运行。

亨利的建议，是从简单的虚拟控制台入手，比如CHIP-8。

网友建言献策

博客一出，在Hacker News、Reddit上受到了广大码农们的欢迎。

有网友说：

这些项目能让我接触到完全不同的领域和问题，比我日常的工作更能激励我。

并且，网友们纷纷建言献策，又推举出好几个优质上手项目：

• 从零搭建数据库

• 光线追踪器

• 矢量图形编辑器

• 图像解码器

• 网页聊天室

• pi计算器的位数

• 通用终端实用程序（如grep）

• FTP客户端和服务器

所以，这些项目是否激发了你的灵感？

Talk is cheap. Show me the code. 快动手练起来吧~

传送门

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

Hacker News讨论（内含更多项目推荐）：
https://news.ycombinator.com/item?id=21790779

《使用Rust构建RISC-V操作系统》：
http://osblog.stephenmarz.com/index.html