“每位程序员，都要尝试这 6 个挑战性项目！”

作 者 | Austin Z. Henley

译者 | 郑丽媛

出品 | CSDN（ID：CSDNnews）

我接触过许多学生和专业开发者，他们经常想做个副业，但不知从何做起。下面我将分享一些能让我学到很多东西的软件项目，这些项目都非常棒，你可以多次构建它们，且每次都能学到新东西。因此，每当我不知道该构建什么、或想学习一种新的编程语言或框架时，我都会从这些项目中挑选一个开始做：

• 文本编辑器

• 2D 游戏 - 《太空侵略者》

• 编译器 - Tiny BASIC

• 迷你操作系统

• 电子表格（难）

• 电子游戏机模拟器（难）

文本编辑器

我们几乎每天都在用文本编辑器，但你知道它到底是如何工作的吗？忽略掉你最喜欢的编辑器中所有的花哨功能，你会如何实现一个支持可移动文本光标以及选择、插入和删除文本的文本框？记住，你不能使用你最喜欢的 GUI 框架中的内置文本框组件！

最大的挑战在于如何在内存中存储文本文档。我首先想到的是使用数组，但如果用户插入的文本位置不在末尾，那么数组的性能就会非常糟糕。幸运的是，我们可以学习一些不错的数据结构来解决这个问题。

另一个障碍是了解文本光标在常用编辑器中的行为。例如，如果我在文档中间按向上箭头键，光标会移动到哪里？上方的同一列吗？实际上，如果那行比较短就不会。不断按向上键，直到有一行足够长光标才会回到原始列——原来，光标对列是有记忆的，并会试图回到该列。这些细节，在我尝试实现它之前，从未注意到。

在实现了基本的文本编辑器功能后，我觉得你可以再实现两个功能：撤消/重做和自动换行。以一种高效的方式实现撤销/重做对我来说，真是令人惊叹的体验！我先是尝试保留先前状态的数组，然后又尝试了 Memento 模式，最后才选择了 Command 模式。自动换行则要求你将文本行的视觉方面与内存方面分开。

需要学习的内容：

1.存储文本的数据结构：数组、rope、间隙缓冲区、piece table。

2.文本光标的行为和实现。

3.撤销/重做的设计模式：备忘录（memento）、命令（command）。

4.分离文本的视觉和内存方面的抽象。

2D 游戏 - 《太空侵略者》

即使是最简单的游戏，也需要一些独特的数据结构和设计模式。我的想法是从头到尾实现一个定义明确的游戏，而不被其他有趣的东西（如游戏设计和美术）所困扰。此外，最好使用一个简单的 2D 图形库（如 SDL、SFML、PyGame）而不是一个大型游戏引擎，因为后者会隐藏所有有趣的部分。

第一，学会如何将图像绘制到屏幕上。我之前对此一无所知，后来才知道这实际上是以极快的速度每秒多次地清空屏幕，然后逐个绘制屏幕的各个部分，以创造物体在移动的效果。

第二，学习有关游戏循环的一切。一个游戏实际上就是在绘制、获取用户输入和处理游戏逻辑之间循环。

第三，学习如何处理用户输入。我以前从未注意到最初按下、持续按住和松开按键或鼠标按钮的细微差别，更不用说处理双击等操作了。你多久检查一次用户输入？如果你一直在检查，那意味着游戏的其他部分被冻结了！

第四，学习如何创建和管理所有游戏对象及其状态。例如，如何生成动态数量的敌人？在这个方面，工厂模式（Factory Pattern）帮了大忙。

第五，学习如何应用游戏逻辑。例如，何时更新子弹位置？何时出现更多的敌人？如何知道敌人被消灭了？游戏何时结束？在制作游戏之前，我从未使用过 modulo 运算符，但它现在遍布在我的游戏代码中。

一旦你把基本游戏做出来，就可以尝试添加一个标题屏幕菜单、游戏结束屏幕，确保游戏在不同的计算机上以相同速度运行，并探索如何利用 AI 实现更有趣的敌人。你觉得这样还不够？那就添加着色器效果、声音和在线多人游戏！

需要学习的内容：

1.在屏幕上绘图。

2.处理用户输入。

3.游戏循环。

4.创建和管理动态数量的对象（如工厂模式）。

5.用AI制作更多敌人。

6.播放声音。

7.使用着色器。

8.实现在线功能。

编译器 - Tiny BASIC

编译器是我参与过的最令人大开眼界的项目，即使是现在，我也会在周日下午抽空写些代码，有时候就会选择写一个编译器——当你创造出的东西，能让别人创造出更多的东西时，这种感觉很棒。想要实现一个编译器，我不得不了解编译器的复杂性，而这些复杂性是我平时根本不会想的（例如表达式何时会进行隐式类型转换）

我建议从头开始编写一个类似于 BASIC 的小型语言编译器，然后将其编译成你熟悉的任何其他语言。例如，你可以用 Python 编写一个 Tiny BASIC 编译器，输出 C# 代码。它不一定要输出汇编或 C，避免使用这些语言可以让你专注于编译器本身。

第一个难题是，弄清如何对输入代码进行词法分析（或标记化）。然后是解析代码，检查输入代码的结构并生成代码的树形表示，递归下降解析技术非常有意思！接下来，你将对输入内容进行语义检查，确保代码是合理的，并且遵循类型规则。最后，你就可以生成输出了！

这个项目有很多现有资源可以帮助你，一个简单的编译器在几天内就能完成，不要被专业术语吓倒。此外，你还可以添加无限的可能性！有了基本的编译器后，你就可以添加标准库（在 PeayBASIC 中，我添加了简单的 2D 图形功能）、优化步骤并改进错误消息。最后，你还可以用自己的语言编写一些示例程序，向全世界展示你的成果！

需要学习的内容：

1.词法分析。

2.句法分析。

3.递归下降解析。

4.抽象语法树。

5.语义分析。

6.优化传递。

7.代码生成。

迷你操作系统

多年来，我发现自己将操作系统的基本概念应用到各种领域，比如游戏，甚至还有人类行为预测模型。有时候在课堂上，操作系统用的算法和数据结构可能看起来很抽象或无用，但它们实际上非常有用。实现一个操作系统，还能帮助我更深入地了解系统底层的运行原理。

由于操作系统依赖于硬件，因此在入门时可能会有一些障碍，学习曲线较为陡峭。不过只要照着书或教程做，你就能得到一个可启动的操作系统，并可以运行自己的程序，在此，我强烈推荐一本免费在线书籍《使用 Rust 制作 RISC-V 操作系统》（https://osblog.stephenmarz.com/index.html）。

需要学习的内容：

1.交叉编译

2.启动加载

3.BIOS 中断

4.x86 模式

5.内存管理和分页

6.调度（如循环调度）

7.文件系统（如 FAT）

还觉得不够难？再试试电子表格和游戏机模拟器

电子表格

类似 Excel 的电子表格应用程序，结合了文本编辑器和编译器所面临的一些挑战。你必须学会如何在内存中表示单元格内容，并为用于方程式的编程语言实现解释器。

电子游戏机模拟器

编写一个电子游戏机模拟器，意味着将实现操作系统和编译器的挑战结合到一起，而用你的模拟器玩别人制作的真实游戏是一件非常有成就感的事情！

模拟真实的电子游戏机意味着编写一个虚拟机，假装像实际的 CPU 和其他硬件组件一样运行。这样，你就可以用模拟器运行为电子游戏机设计的游戏。

我建议首先模拟 CHIP-8，这是一个简单的虚构主机，然后再转向真正的电子游戏机。NES、SNES、Gameboy 和 Gameboy Advance 都是可以模拟的，也都有相当多的文档和开源模拟器，不过它们都有一些自己的“怪癖”，会让事情变得有趣（例如，某些游戏可能依赖于特定硬件的未记录错误/功能）。还有 PICO-8，它已成为一种非常赚钱的“梦幻主机”。

开发者：“基于现成构件开发的软件，未来将由 AI 编写”

对于 Austin Z. Henley 分享的这 6 个项目，不少开发者表示认同，还另外提出了其他合适的开发项目：

• “迷你操作系统 +1。像我们这种应用开发者，依赖于操作系统的许多功能：内存管理、文件系统等。我相信我们最终都会问一个问题：‘这些事情是如何在幕后完成的？’这就是我在业余时间捣鼓这类项目的原因，我也学到了很多东西。虽然学到的知识可能与我工作的相关性几乎为零，但这绝对是一件有趣的事。”

• “我认为一个小小的玩具光线跟踪器也是一个不错的尝试。只需输出球体的位图图形，并进行漫反射和镜面反射，再加上几个光源即可。如果你不太疯狂的话，这应该是一个相对独立的项目。”

不过，也有开发者指出做这种项目意义不大，推荐可以创建一个网络搜索引擎：

“我认为以下这些软件工程必备技能，需要被重视和实践：（1）决定自己写什么，从库中获取什么；（2）确定满足项目需求的高质量库和框架；（3）决定哪些地方值得优化，哪些地方不值得优化；（4）编写几年后你自己（和其他人）仍可阅读的代码；（5）将项目视为一个具有软件和非软件依赖关系的大型复杂系统。 本着这种精神，我认为创建一个网络搜索引擎更好。你不用费心研究字符串匹配算法等，因为别人已经为你做过了。你只需制作一个能真正运行的搜索引擎，哪怕一开始只支持网络的一个子集和一个并发用户也好。”

对于这种“基于现有构件开发项目”的想法，有开发者持反对意见，认为未来这类软件的开发会被 AI 取代：

“这听起来是个明智的建议，但是纯粹利用现成的构件来制作软件存在一些问题：（1）很多时候，现成构件都很垃圾。如果你的软件基于它们，那么你的生活将不是编写软件，而是维护和修改垃圾；（2）即使你的现成构件是高质量的，它们也会限制你编写软件。理想的情况是，你先想象你想让软件做什么，然后再编写软件来实现它。而在这个过程中，你大概率会自己创建构件，因为只使用现成构件是无法编写出很多优秀软件的。 另外我还要告诉你一个坏消息，这种软件很快就不是由你编写了，而是由 AI 编写的。”

那么对于本文作者提出的 6 个“每个程序员都应该尝试的”开发项目，作为开发者的你又有什么看法吗？

https://austinhenley.com/blog/challengingprojects.html

https://news.ycombinator.com/item?id=38768678