دونالد کنوث

دونالد کنوث برنامه‌نویسی را کاری می‌داند که هم باید درست باشد و هم بتوان آن را فهمید. نام او با تحلیل الگوریتم‌ها و «هنر برنامه‌نویسی رایانه» گره خورده، اما تأثیرش به همین کتاب محدود نیست: TeX، METAFONT و برنامه‌نویسی ادبی، راه‌هایی برای نزدیک‌کردن دقت فنی به کیفیتِ بیان‌اند. موسیقی و ایمان نیز در زندگی‌اش حضوری مستقل و جدی دارند.

کودکی و آموزش

دونالد اروین کنوث در ۱۰ ژانویهٔ ۱۹۳۸ در میلواکیِ ویسکانسین متولد شد. در مؤسسهٔ فناوری کیس درس خواند و در ۱۹۶۰، هم کارشناسی و هم کارشناسی ارشد دریافت کرد. دکترای ریاضیات را در ۱۹۶۳ از کلتک گرفت؛ رساله‌اش دربارهٔ نیم‌میدان‌های متناهی و صفحه‌های تصویری بود. ^[۱]

نخستین تجربه‌های برنامه‌نویسی او به دوران دانشجویی و IBM 650 بازمی‌گردد. آنچه از یک تجربهٔ آزمایشگاهی آغاز شد، به پرسش‌هایی پایدار رسید: چرا یک روش درست است، چه مقدار کار انجام می‌دهد و چگونه می‌توان روش بهتری ساخت؟ روایت دانشگاه استنفورد، ورودش به رایانه و آغاز پروژهٔ کتاب را کنار هم قرار می‌دهد. ^[۲]

از ماشین محاسبه تا استنفورد

کنوث در دههٔ ۱۹۶۰ هم در محیط دانشگاهی و هم به عنوان مشاور شرکت باروز فعالیت کرد. از ۱۹۶۳ تا ۱۹۶۸ در کلتک بود و سپس به استنفورد رفت. سمت او در سال‌های بعد «استاد هنر برنامه‌نویسی رایانه» شد؛ از ۱۹۹۳ استاد بازنشسته است. ^[۳]

بازنشستگی زودهنگام برایش پایان کار نبود. در توضیح خود، زمان لازم برای ادامهٔ کتاب را دلیل اصلی می‌داند: پروژه‌ای چنان بزرگ که مسئولیت‌های عادیِ تدریس و اداره، فرصت تکمیلش را محدود می‌کردند. او از راهنمایی ۲۸ دانشجوی دکترا نیز یاد می‌کند؛ اثر دانشگاهی‌اش تنها در صفحات کتاب نمانده است. ^[۴]

هنر برنامه‌نویسی رایانه

طرح کتاب در ۱۹۶۲ آغاز شد و جلد نخست در ۱۹۶۸ به چاپ رسید. دامنهٔ کار از یک کتاب اولیه فراتر رفت: ساختار داده، تولید عدد، مرتب‌سازی، جست‌وجو و الگوریتم‌های ترکیبیاتی به بخش‌های یک مجموعهٔ بلند تبدیل شدند. این اثر، راهنمای دستورهای یک زبان روز نیست؛ دربارهٔ روش‌های محاسبه و تحلیل آن‌هاست. ^[۲]

ساختار جلدهای منتشرشده عبارت است از مبانی الگوریتم‌ها، الگوریتم‌های نیمه‌عددی، مرتب‌سازی و جست‌وجو، و بخش‌های 4A و 4B دربارهٔ ترکیبیات. جلد 4A در ۲۰۱۱ و 4B با تاریخ نشر ۲۰۲۳ در فهرست مؤلف ثبت شده‌اند. مجموعه هنوز پروژه‌ای در حال گسترش است؛ نباید برنامهٔ جلدهای آینده را با کتاب‌های منتشرشده یکی گرفت. جزوه‌های فصل‌ها نیز گاه پیش از شکل نهاییِ جلد عرضه می‌شوند. ^[۵]

تمرین‌ها بخشی اصلی از تجربهٔ این کتاب‌اند: بعضی برای تثبیت یک ایده و بعضی دشوار یا پژوهشی‌اند. خواندن آن بیشتر شبیه کار در کارگاه ریاضی است تا مرور سریعِ مجموعه‌ای از ترفندها. ماشین‌های آموزشیِ MIX و سپس MMIX نیز اجازه می‌دهند جزئیات اجرای الگوریتم را مستقل از تغییر زبان‌های تجاری بررسی کنیم. ^[۵]

تحلیل الگوریتم‌ها و ریاضیات

در نگاه کنوث، دانستنِ جواب کافی نیست؛ باید هزینهٔ محاسبه نیز فهمیده شود. شمار مقایسه‌ها، مصرف حافظه، رفتار متوسط و بدترین حالت، پرسش‌هایی متفاوت‌اند. همین تمایزها کمک می‌کنند یک انتخاب فنی از حالت سلیقه‌ای به تصمیمی قابل استدلال تبدیل شود. جایزهٔ تورینگِ ۱۹۷۴، سهم او در تحلیل الگوریتم‌ها و برنامه‌نویسی را به رسمیت شناخت. ^[۶]، ^[۷]

«ریاضیات عینی»، نوشتهٔ مشترک با رونالد گراهام و اورن پاتاشنیک، ابزارهای این جهان را کنار هم می‌آورد: جمع‌ها، رابطه‌های بازگشتی، ضرایب دوجمله‌ای، تابع‌های مولد، احتمال گسسته و تحلیل مجانبی. عنوان کتاب ترکیبی از ریاضیات پیوسته و گسسته است، نه مخالفت با انتزاع. ریشهٔ آن در درس‌هایی است که در استنفورد ارائه می‌شدند؛ ویرایش دوم در ۱۹۹۴ منتشر شد. ^[۸]

TeX و METAFONT

کیفیت نامطلوبِ حروف‌چینیِ نسخه‌ای از کتاب، کنوث را در ۱۹۷۷ به پروژه‌ای تازه کشاند. نتیجه، TeX برای حروف‌چینی و METAFONT برای توصیف شکل حروف بود. فاصله‌گذاری، شکستن خط و نمایش فرمول، برای کتاب علمی بخشی از فهم متن‌اند؛ او این مسئله را به طراحی نرم‌افزار و ریاضی پیوند زد. ^[۲]

کتاب‌های «کتاب TeX» و «کتاب METAFONT» به‌ترتیب در ۱۹۸۴ و ۱۹۸۶ منتشر شدند و ابزار حروف‌چینی و طراحی قلم را توضیح می‌دهند. در مجموعهٔ پنج‌جلدیِ «رایانه‌ها و حروف‌چینی»، کد و طراحی حروف نیز ثبت شده‌اند. هدف مشترک، کنترل دقیق نتیجهٔ چاپی است، نه فقط ظاهر زودگذر روی یک نمایشگر. ^[۹]

برنامه‌نویسی ادبی

«برنامه‌نویسی ادبی» می‌پرسد: اگر برنامه را ابتدا برای خوانندهٔ انسان تنظیم کنیم چه می‌شود؟ در این شیوه، توضیح و قطعه‌های کد در روایتی منظم قرار می‌گیرند؛ ابزار، کد قابل اجرا را از ساختار نوشته استخراج می‌کند. ترتیبِ فهم مسئله الزاماً همان ترتیبِ لازم برای کامپایلر نیست. WEB و CWEB ابزارهای این نگاه‌اند؛ نام WEB در اینجا به شبکهٔ جهانی وب اشاره ندارد. ^[۱۰]

این رویکرد با افزودن چند کامنت پراکنده یکی نیست. نویسنده باید منطق تصمیم‌ها، رابطهٔ اجزا و مسیر استدلال را روشن کند. اهمیتش در این پرسش ماندگار است که نرم‌افزار پس از نوشته‌شدن، چگونه برای انسان دیگری قابل خواندن و نگهداری می‌ماند. ^[۱۰]

دقت، خطا و شیوهٔ کار

پاداش مشهورِ یافتن خطای کتاب‌های کنوث، ۲٫۵۶ دلار، یک «دلار شانزده‌شانزدهی» بود. این شوخی عددی در کنار فهرست‌های اصلاحات، فرهنگی جدی از بازبینی ساخته است. شیوهٔ پرداخت بعداً تغییر کرد؛ کنوث در پرسش‌های متداول، از توقف چک‌های شخصی و حساب‌های نمادینِ «بانک سن‌سریف» توضیح می‌دهد. پس روایتِ «برای هر خطا همین امروز چک می‌فرستد» دقیق نیست. ^[۱۱]

او از اول ژانویهٔ ۱۹۹۰ استفادهٔ معمولِ شخصی از ایمیل را کنار گذاشت تا زمان پیوستهٔ بیشتری برای کار داشته باشد. این انتخاب به معنای قطع همهٔ ارتباطات یا نداشتن وبگاه نیست؛ گزارش خطا از مسیرهای مشخص و کمک دستیاران دریافت می‌شود. صفحه‌های شخصی‌اش همچنان کتاب‌ها، اصلاحات و سخنرانی‌ها را در اختیار خواننده قرار می‌دهند. ^[۱۲]

خانواده، موسیقی و ایمان

کنوث در ۲۴ ژوئن ۱۹۶۱ با نانسی جیل کارتر ازدواج کرد؛ فرزندانشان جان مارتین و جنیفر سیرا هستند. علاقه به موسیقی در خانهٔ او حضوری واقعی دارد: ارگ خانگیِ ساخته‌شده برایش ۸۱۲ لوله دارد و در ۱۹۷۵ افتتاح شد. صفحهٔ این ساز، از نقش موسیقی در خانواده و اجرای مشترک با جیل نیز یاد می‌کند. ^[۱]، ^[۱۳]

«فانتازیا آپوکالیپتیکا» اثری برای ارگ و تصویر است که از کتاب مکاشفه الهام می‌گیرد. کنوث تصریح می‌کند موسیقی را خود ساخته است؛ این کار، خروجیِ یک الگوریتم آهنگ‌سازی یا نمونهٔ موسیقی تولیدشده با هوش مصنوعی نیست. پروژه، وجهی از زندگی او را نشان می‌دهد که با ریاضی پیوند دارد، ولی به آن فروکاسته نمی‌شود. ^[۱۴]

کتاب «۳:۱۶؛ متن‌های کتاب مقدس در روشنایی»، آیه‌های فصل سوم، بند شانزدهم را در کتاب‌های مختلف بررسی و با خوشنویسی همراه می‌کند. موضوع آن مطالعهٔ دینی و هنری است، نه یک کتاب الگوریتم. در نوشتهٔ بازنشستگی نیز از خواندن ادبیات و نواختن موسیقی به عنوان بخش‌های زندگی خود یاد می‌کند. ^[۱۵]، ^[۴]

کتاب‌ها و نوشته‌های دیگر

• هنر برنامه‌نویسی رایانه — The Art of Computer Programming: مجموعهٔ الگوریتم‌ها و تحلیل آن‌ها؛ آغاز انتشار ۱۹۶۸. ^[۵]
• ریاضیات عینی — Concrete Mathematics: با گراهام و پاتاشنیک؛ ابزارهای ریاضیِ تحلیل رایانش. ^[۸]
• The TeXbook و The METAFONTbook: حروف‌چینی و طراحی قلم؛ بخشی از مجموعهٔ «رایانه‌ها و حروف‌چینی». ^[۱۶]
• برنامه‌نویسی ادبی — Literate Programming، ۱۹۹۲: مجموعهٔ مقاله‌ها دربارهٔ نگارشِ برنامه برای انسان و ماشین. ^[۱۰]
• The Stanford GraphBase و MMIXware: ابزارهای مطالعهٔ الگوریتم‌ها و ماشین آموزشی؛ همراه با کارهای کنوث دربارهٔ حروف‌چینی دیجیتال و مجموعه‌مقاله‌های علوم رایانه. ^[۱۶]
• عددهای سوررئال — Surreal Numbers: معرفی داستانیِ یک ساختار ریاضی؛ موضوعی متفاوت از راهنمای برنامه‌نویسی. ^[۱۶]
• ۳:۱۶؛ متن‌های کتاب مقدس در روشنایی، ۱۹۹۰: بررسی دینی همراه با خوشنویسی. چیزهایی که یک دانشمند رایانه به‌ندرت درباره‌شان صحبت می‌کند نیز به نسبت علم و ایمان می‌پردازد. ^[۱۵]، ^[۱۶]

فیلم‌ها و سخنرانی‌ها

مجموعهٔ ویدئویی «تأملات رایانه‌ای» در استنفورد، کنوث را در حال توضیح مسئله‌ها و گفت‌وگو با مخاطب نشان می‌دهد. موضوع‌ها از الگوریتم و ترکیبیات تا تجربهٔ نوشتن کتاب گسترده‌اند. صفحهٔ رسمی، آرشیو سخنرانی‌های گذشته را جدا از برنامه‌های آینده فهرست می‌کند؛ ویدئوهای منتشرشده امکان دیدن روش استدلالِ او را می‌دهند. ^[۱۷]

گفت‌وگوی تاریخ شفاهی کنوث با ادوارد فایگنباوم در موزهٔ تاریخ کامپیوتر، رابطهٔ او با دیگر پیشگامان و تاریخ محیط علمی را نیز آشکار می‌کند. این سند مصاحبه، با فیلم داستانیِ زندگی‌نامه‌ای تفاوت دارد و از زبان خودِ شرکت‌کنندگان، خاطره و ارزیابی را ثبت می‌کند. ^[۱۸]

افتخارات و میراث

جایزهٔ گریس موری هاپر در ۱۹۷۱، تورینگ در ۱۹۷۴ و مدال ملی علوم در ۱۹۷۹، از افتخارات او هستند. دانشگاه استنفورد، کتاب‌ها و سامانهٔ حروف‌چینی را دو مسیرِ به‌هم‌پیوستهٔ اثرگذاری‌اش معرفی می‌کند. ^[۱]، ^[۷]

اثر کنوث تنها در چند برنامه یا یک فهرست جایزه نیست: او نشان داده است صورت‌بندی، تحلیل، توضیح و ارائهٔ یک مسئله، مراحل جداشدنیِ بی‌ارتباط نیستند. همان دقتی که هزینهٔ الگوریتم را می‌سنجد، می‌تواند خواناییِ کد و کیفیتِ صفحهٔ کتاب را هم جدی بگیرد. در کنار فون نویمان و شنون، او چهرهٔ دیگری از رایانش را نمایندگی می‌کند: هنرِ ساختنِ چیزی که درست کار کند و بتوان فهمیدش.