聊一聊軟件系統(tǒng)中的“熱力學(xué)第二定律”

作者：袁吳范 2020-10-30 10:36:15

熱力學(xué)第二定律，也叫“熵增定律”。這是德國(guó)人克勞修斯提出的理論，最初用于揭示事物總是向無(wú)序的方向的發(fā)展、以及“孤立系統(tǒng)下熱量從高溫物體流向低溫不可逆”的熱力學(xué)定律。

“熵”，就是事物的混亂/無(wú)序程度，在孤立系統(tǒng)下，熵是不斷增加的，當(dāng)熵達(dá)到最大值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重混亂，最后走向死亡。

它很好地解釋了：為什么一杯開(kāi)水放著放著就涼了，為什么沙漠的沙丘全都驚人的相似，為什么水只能從高處往低處流，為什么落地的樹(shù)葉不會(huì)再變成樹(shù)。

盡管軟件開(kāi)發(fā)不屬于物理學(xué)范疇，也不適用物理學(xué)中的定律，但有一個(gè)定律對(duì)他的影響實(shí)在太大了，就是“熱力學(xué)第二定律”，即“熵增定律”。常伴我們左右的軟件系統(tǒng)逃不掉熵增定律，仔細(xì)觀察，能夠發(fā)現(xiàn)它在漸漸地?zé)o序增長(zhǎng)，變得越來(lái)越雜亂無(wú)章。

這篇文章就來(lái)聊一聊軟件系統(tǒng) 的熵增定律這件事。下面通過(guò)三個(gè)故事和業(yè)務(wù)方面事情，帶著大家從人性和客觀的角度出發(fā)，觀察軟件系統(tǒng)下的物理定律。

1.破窗理論

設(shè)想下有兩個(gè)團(tuán)隊(duì)正在同時(shí)進(jìn)展同樣的項(xiàng)目。團(tuán)隊(duì)A，在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中，盡管制定了詳細(xì)和周全的計(jì)劃，擁有能力最強(qiáng)的工程師，項(xiàng)目的最終結(jié)果也不盡人意，隨著項(xiàng)目時(shí)間推移，代碼變得很差。

而另外一個(gè)團(tuán)隊(duì)B，在開(kāi)發(fā)項(xiàng)目時(shí)，盡管也遇到了很大的困難和接二連三的問(wèn)題，但是卻能保持良好的代碼狀態(tài)，圓滿(mǎn)的完成了項(xiàng)目任務(wù)。

是什么原因造成了這個(gè)差異呢?

在城市中，我們總能發(fā)現(xiàn)事物相反面，例如：有整潔漂亮的建筑，而另一些卻是破爛不堪的房子。是什么造成了這么強(qiáng)烈的沖擊感呢?

這兩個(gè)現(xiàn)象的原因是一致的，就是“破窗理論”。

以一幢有少許破窗的建筑為例，如果那些窗不被修理好，可能將會(huì)有破壞者破壞更多的窗戶(hù)。最終破壞者甚至?xí)J入建筑內(nèi)，如果發(fā)現(xiàn)無(wú)人居住，甚至就在里面定居或者縱火。在相當(dāng)短的一段時(shí)間內(nèi)，建筑就會(huì)以驚人的速度被破壞掉，而且業(yè)主也不愿意去修理這個(gè)破爛的房子了。

對(duì)應(yīng)到軟件開(kāi)發(fā)領(lǐng)域時(shí)，這個(gè)”破窗戶(hù)“，可能是工程師不經(jīng)意間留下，可能是考慮不周導(dǎo)致，可能是低劣的設(shè)計(jì)遺留，也可能是錯(cuò)誤的需求導(dǎo)致。

之前我們團(tuán)隊(duì)內(nèi)部重構(gòu)過(guò)代碼架構(gòu)，很多業(yè)務(wù)都進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，但是隨著時(shí)間的推移，破窗開(kāi)始出現(xiàn)，后面就迅速就變得難以維護(hù)，臃腫。當(dāng)然還有其他原因，但是最重要的原因就是對(duì)有問(wèn)題代碼置之不理。

不要留著“破窗戶(hù)”，見(jiàn)到一個(gè)就就修一個(gè)。如果沒(méi)有足夠多的時(shí)間去修復(fù)，最好就加上注釋或者是打個(gè)bug標(biāo)記，表示這部分代碼需要進(jìn)行修復(fù)，防止窗戶(hù)破的越來(lái)越多。

2.溫水煮青蛙

美國(guó)康奈爾大學(xué)的科學(xué)家做過(guò)的一個(gè)溫水煮蛙實(shí)驗(yàn)：將一只青蛙放進(jìn)沸水中，青蛙一碰沸騰的熱水會(huì)立即奮力一躍從鍋中跳出逃生;

又嘗試把這只青蛙放進(jìn)裝有冷水的鍋里，青蛙如常在水中暢游，然后慢慢將鍋里的水加溫，直到水燙得無(wú)法忍受時(shí)，青蛙再想躍出水面逃離危險(xiǎn)的環(huán)境卻已四肢無(wú)力，最終死在熱水中。

實(shí)驗(yàn)說(shuō)明的是由于對(duì)漸變的適應(yīng)性和習(xí)慣性，失去了警惕和反抗力的道理。

在程序系統(tǒng)中也是適用的，程序員們工作時(shí)間久了，就會(huì)進(jìn)入一種安逸的狀態(tài)，稱(chēng)之為“舒適區(qū)”。在舒適區(qū)中，程序員往往是一種麻痹的狀態(tài)，對(duì)外界的變化感知麻木。

軟件代碼在時(shí)間的長(zhǎng)河中，慢慢地、悄無(wú)聲息的發(fā)生著變化，這個(gè)變化最終將會(huì)失去控制。

大多數(shù)的軟件系統(tǒng)都會(huì)從微不足道的小bug開(kāi)始，慢性死亡。

軟件項(xiàng)目被各種各樣的小bug折騰，只能一天天的延期。

軟件項(xiàng)目中的每一個(gè)需求，就像是衣服上破的洞，被打上一個(gè)個(gè)的補(bǔ)丁，最后已經(jīng)無(wú)法看清軟件架構(gòu)本身的模樣，就像已經(jīng)無(wú)法看清衣服本身的顏色。

最可怕的是，每一個(gè)程序員都承認(rèn)這是正常、可以接受的狀態(tài)，每天樂(lè)此不疲的進(jìn)行bugfix，他們就像溫水里的青蛙，享受著這種狀態(tài)。絲毫沒(méi)有感受到整個(gè)軟件系統(tǒng)正在變成垃圾，變的滿(mǎn)目全非。最后迎接他們的是臃腫的、難以維護(hù)的代碼。

水煮蛙和破窗效應(yīng)是不同的，他們的不同點(diǎn)在于是否有主觀意愿。

破窗問(wèn)題上，軟件系統(tǒng)變得雜亂無(wú)章，是程序員們?cè)诳吹?ldquo;破窗”時(shí)，并沒(méi)有及時(shí)阻止這種事情發(fā)生，從而認(rèn)為沒(méi)有人會(huì)注意到這個(gè)問(wèn)題。

而煮蛙問(wèn)題上，重點(diǎn)是“慢”，如果放在熱水中或者是快速升溫，青蛙是會(huì)奮力的一跳，逃出生天的。所以程序員真的只是沒(méi)有察覺(jué)，軟件系統(tǒng)就在慢慢的走向死亡。

3.自我為中心

下圖是一副非常有名的畫(huà)作，名為『從主教花園望見(jiàn)的索爾茲伯里大教堂』，作者康斯太勃爾，英國(guó)的著名油畫(huà)家。

有一天，康斯太勃爾去他的金主大教堂的主教Fisher先生家里玩。

Fisher主教跟畫(huà)家先生說(shuō)：“親愛(ài)的畫(huà)家，你幫我畫(huà)一幅畫(huà)吧。把我和我美麗的妻子以及我這大教堂一起畫(huà)到畫(huà)里。我要把畫(huà)留在教堂，成為鎮(zhèn)堂之寶。”于是康斯太勃爾先生很高興的接下這個(gè)項(xiàng)目。

畫(huà)家開(kāi)始了辛苦的工作，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間終于把這幅畫(huà)完成了。

畫(huà)家畫(huà)這幅畫(huà)時(shí)可能心情不好，所以在教堂塔尖上方的天空有一片烏云。Fisher主教看到這幅畫(huà)后，很不滿(mǎn)意。雖然畫(huà)家把主教大人、主教夫人和教堂都畫(huà)進(jìn)去了，但是兩口子只在左下角露了個(gè)背影，這也就忍了。“下面那幾頭牛是怎么回事，為什么比我們占的鏡頭還多?”主教問(wèn)。畫(huà)家說(shuō)：“你沒(méi)看懂?我是在恭維您呢，是說(shuō)您和您夫人好牛!”。Fisher先生沒(méi)什么話說(shuō)了，然后又找到了新的吐槽點(diǎn)：“為什么天空的云都是烏云?”。

他邀請(qǐng)畫(huà)家再去他家做客，重新觀察，以便于修改畫(huà)作。畫(huà)家很不高興了，就單獨(dú)把畫(huà)展出了。展出之后得到很多好評(píng)，于是回信給Fisher主教：“你看，大家都說(shuō)很好看，不用改了。”，F(xiàn)isher主教收到信后也怒了，回信就說(shuō)了一句話：“給我改!!!”。

這就是關(guān)于需求的故事，我們?cè)倏瓷蠄D，看看教主和教主夫人被畫(huà)到了哪里?您能找到嗎?

大魚(yú)教主想要一幅畫(huà)，畫(huà)里有他們夫妻二人和教堂，需求表達(dá)完后，并沒(méi)有再對(duì)需求進(jìn)行更具體的說(shuō)明。

更深入的思考，為何總是會(huì)存在描述不清的情況呢?

讀者們肯定也遇到過(guò)類(lèi)似問(wèn)題，究其更深層次原因，就是“自我中心”。

人的成長(zhǎng)過(guò)程就是一個(gè)“去中心化的”的過(guò)程。大約6歲之后，兒童的自我去中心化的能力得到了發(fā)展。開(kāi)始能夠認(rèn)識(shí)到別人的感受、觀點(diǎn)，但是每個(gè)人在社會(huì)化過(guò)程中，會(huì)呈現(xiàn)出不同的去自我中心化的狀態(tài)。

可以說(shuō)是每一個(gè)成年人都有自我中心，我們的感受，想法，認(rèn)識(shí)不可能做到完全的客觀。所以我們需要利用結(jié)構(gòu)化思維，(可以參考我的另一篇文章《程序員必備能力——結(jié)構(gòu)化思維》)和系統(tǒng)化思考(可以參考我的一篇文章《程序員必備能力——深度思考》)。

在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，同樣適用這個(gè)結(jié)論，我認(rèn)為至少表現(xiàn)如下幾點(diǎn)：

程序員在設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)時(shí)，如果沒(méi)有做到完全的按照產(chǎn)品經(jīng)理的需求進(jìn)行，難免對(duì)代碼的設(shè)計(jì)進(jìn)行反復(fù)修改，導(dǎo)致熵增
程序員正在開(kāi)發(fā)時(shí)，隨意變更、打亂架構(gòu)框架，導(dǎo)致代碼耦合增大，難以維護(hù)

4.業(yè)務(wù)

代碼熵增的常見(jiàn)的客觀原因是主要是業(yè)務(wù)壓力大，導(dǎo)致沒(méi)有時(shí)間或意愿講究代碼質(zhì)量。因?yàn)橄驑I(yè)務(wù)壓力妥協(xié)而生產(chǎn)爛代碼之后，開(kāi)發(fā)效率會(huì)隨之下降，導(dǎo)致業(yè)務(wù)壓力更大，形成一種典型的惡性循環(huán)。