CS自救指北
By CXS(https://github.com/skyzh)

前言

谈到电院计算机系,身边同学的反应大多是“大佬云集”的“最好专业”。从工科平台、电院平台分流的分数看,从转入计算机系的要求上看,以及前一年半大平台培养的学积分来看,计算机系确实如此。在这样的大背景下,不少同学把进入计算机系作为大学前一年半的目标,自认为进入电院计算机系就可以享受最好的教育资源,为未来的发展铺平道路。
然而,理想很丰满,现实很残酷。当计算机系的同学发现一些专业课老师上课连 PPT 都念不利索;当课程的大作业是脱离课程内容的“空中楼阁”,缺乏有效的指导,不知如何下手时;当一些“大佬”一边在同学面前吐槽老师讲的不行,而一边又向老师反映讲课“太慢了”时,我不由地怀疑:计算机系真的是完美的选择吗?
一方面,陈旧的课程大纲限制了老师的教学效果,也无法让同学掌握足够的计算机思维和编程能力。另一方面,对实操的轻视,对科研的追求,也加重了价值观的单一和内卷。如何在计算机系通过自学打下扎实的基础,又如何在内卷的氛围中调整心态,这是本篇 CS 自救指北所探讨的两大问题。
文章标题叫 CS 自救指北,这意味着文中所分享的经验只是我的个人经验,也并不是一条通往“成功”的“捷径”。具体怎么操作,还是要看大家的姿势水平了。
我是 18 级工科平台分流进入计算机系的学生(非致远工科)。写这篇文章时正值大二下学期。

课程

前一年半有平台课程序设计 C++,数据结构(3 学分计入成绩,但上 4 学分课时),专业课问题求解与实践(我上的是英文班)。总的来说,这些课程的质量都比较有保证,讲解浅显易懂,课程实践和内容紧密结合。致远工科的同学还有暑假的编程综合实践可以选修。
大二下总共有五门专业相关的课,分别是计算机科学数学基础、算法与复杂性、计算机系统结构、计算机组成、操作系统。以及一门专业选修课编译原理。这些专业课在我看来存在一些不足之处。
系统相关课程和实际应用有较大断层。
    操作系统课程重在介绍概念,并不会讲现代操作系统的具体实现。
    计算机组成(披着组成外皮的嵌入式)学 8086 汇编,几十年之前的东西。学这些内容虽然有其价值,但恐怕对现在的计算机系同学帮助不大。
部分课程的大作业和课程内容有一定距离。
    操作系统(英文班)的课程作业是魔改 Android (Linux) 内核。事实上,整个课程中和 Linux 相关的内容并不多,在实验方面也缺乏指导。一些同学之前根本没有使用过 *nix 系统,在实验环境配置的过程中碰到了很多问题。而实验的内容需要大量阅读 Linux 内核的源代码,在课程之中也缺乏这方面的指导。总的来说,这个项目对于没有接触过内核开发的同学也有一定难度,并且容易写出不安全的代码。
    系统结构(英文班)讲完 MIPS 汇编后,直接用 CS:APP 的 lab 作为大作业。两者差距巨大,课程内容和作业脱节明显。
就我个人经验而言,这样的课程设计只会让强者更强,弱者更弱。毕竟大佬总能根据已有的知识迅速做完这些大作业,而水平稍差一点的同学会在各种地方卡住。在这样的背景之下,了解如何在 CS 自救就显得尤为重要。

自救指北

理解计算机系统

Matt Might 在 What every computer science major should know 中谈到如何学体系结构时,认为 “Computer scientists should understand a computer from the transistors up.” 然而,在我看来,CS 的专业课教学距离这个目标还有一定距离。之前也提到了 CS 一些专业课的现状。在此我给出不同阶段的建议。
基本认识计算机系统 大一上学期可以尝试自学 nand2tetris。这门课程难度不大,硬件部分不需要太多的前序知识,软件部分用基本的 C++ 也足够了。在这门课程中,学生需要从电路开始搭建各种硬件模块,组成 CPU;接着手写汇编器、VM 和编译器,在 CPU 上运行自己写的程序。在这一过程中,学生可以了解如何从晶体管一步步造出计算机,对计算机系统有基本的认识。
深入理解计算机系统 大一下学期可以开始自学《深入理解计算机系统》 (CS:APP)。我推荐英文的第三版(写这篇文章时候的最新版)。书上的内容通俗易懂,辅以课后练习和 lab 可以达到更好的学习效果。CS:APP 涵盖了 CS 某三门专业课的基本内容。2, 3, 6 章的汇编语言、内存层级涵盖了计算机组成的一部分内容。第 4 章 Y86-64 处理器对应计算机系统结构的课程的前半部分。6, 9, 12 章关于虚拟内存和并发编程涵盖了操作系统课程的一部分内容。全书通过对 Intel x86(_64) 架构的案例分析,从底层硬件到上层软件,整体介绍了一个计算机系统。从这个角度来说,大一下开始学习这些内容,不仅可以了解 Intel x86 这一常用的计算机系统,也能弥补专业课和基础课之间的断层。

多动手

一些课程的大作业总体来说难度不大,可以通过下面的方式增强自己的动手能力。下面一些拓展性的项目都是真实的课程大作业,因此也比较容易找到相关的指导和测试框架。这可以大大减少不必要的体力工作,把精力完全放在提升思维水平上。
    数据结构:自己把各种数据结构实现一遍。除此之外,可以试着造一个 B+Tree (2018 工科致远大作业)。
    计算机系统结构:可以通过 C++ 模拟电路的方式做一个功能完全的 MIPS / RISC-V 处理器。(工科致远/ACM 班暑期编程综合实践项目)。
    操作系统:可以自己写一个操作系统,比如 JOS(软院大三操作系统课 / MIT 6.828),或者 xv6(MIT 6.828)。与此同时可以阅读 OSTEP。OSTEP 不仅基本涵盖了操作系统课程的内容,还通过案例详细说明了为什么要这么做,不像课程一般泛泛而谈。我看完觉得很有收获。

编程语言与工具

我曾遇到过不少计算机相关专业同学的提问:如何学 Python / Java / **** 语言?事实上,编程语言只是一种工具;学习一门语言,只是计算机科学学习过程中的一小部分。更为重要的是:如何运用这门语言解决问题?如何通过编程实践来学习知识、实现自己的 idea?可以说,编程语言、编程工具的掌握是计算机科学学习的基础。我们可以用这些工具来解决课程大作业、工作和科研中碰到的问题。
我学习一门新编程语言的方法很简单,就是用这门语言实现一个算法或做一个项目。虽然这种学习方法忽视了一门编程语言的语法等细节,但通过项目实践,我可以掌握语言在特定领域的运用。毕竟编程语言是为程序员的需求服务的。
The Missing Lecture of CS 中可以找到很多 CS 学生常用的工具的教程。通常来说这些工具越用越熟练,在课程的大作业中常常会用到。

调整心态

到大二下的时候,你或许会发现身边的同学大多都加入了一个实验室干活。有些同学甚至大二上就已经投出了第一篇 paper。进实验室、保研、出国 PhD,这些选择似乎成为了计算机系同学的唯一出路。在做这些选择之前,不如问问自己:我的目标是什么?
随着经历的丰富,我渐渐发现自己对科研没有太大的热情。在大二上学期,我也尝试加入了一个实验室。但由于自身水平不够,而大二课程太多,我也没有大量时间能在实验室干活,半年后,我选择了退出。
我曾经因为自己的高考排名陷入恐惧之中,害怕被同龄人摁在地上摩擦,害怕学不好高数被退学。当我放下对学积分的执念,去追求知识本身带来的快乐时,我的生活又重新焕发了生机。
我一直在尝试提升自己的知识水平,在学习各种知识的过程中找到自己喜爱的东西。在我看来,一些同学在高考结束后就失去了前进的动力,依然延续着高中的思维,被动地接受知识。
最后,我想大学生活还是佛系一点好。有人在内卷里失去了自己最宝贵的品质;有人在追随他人的道路上奋力奔跑。不论如何,年轻永远是最宝贵的财富。人生的路很长,我也不过在从一个坑跳到另一个坑。只要把这些过往都当成一份宝贵的经历,便能释然。不去追求成功,而去追求自身的成长,找到自己可以持续投入的东西,这或许是我们大学四年的长久目标。
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