大三上軟件工程部分緒論

第1章

緒論FromComputingSciencetoSoftwareEngineering目錄1.1軟件無處不在1.2計算機器的發(fā)展1.3軟件藝術、工程與產業(yè)1.4軟件工程歷程軟件無處不在---國防Communication，Control、Command、Information軟件無處不在---航空/航天軟件無處不在---日常生活軟件無處不在---移動通信1.2計算機器的發(fā)展1.2.1手動計算裝置1.2.2自動計算裝置1.2.4圖靈理論計算機1.2.5電子計算機的大規(guī)模生產和應用計算機器(computingmachinery)的發(fā)展歷史算盤－－對一個數學問題，只有確定其可用算盤解算時，此問題才是可解的。－－古代中國學者TheChineseStandardsAbacusAreconstructionofaRomanabacusintheCabinetdesMédailles,Bibliothèquenationale,Paris.Japanesesoroban計算機器(computingmachinery)的發(fā)展歷史1275年，西班牙神學家雷蒙德.露利(R.Lullus)發(fā)明一種思維機器（“旋轉玩具”）1641年法國人帕斯卡(B.Pascal)利用齒輪技術做成加法器1673年，德國人萊布尼茨（G.W.V.Leibniz）在此基礎上制造了能加、減、乘、除的計算機器。19世紀30年代，英國人巴貝奇（C.Babbage）設計了用于計算對數、三角函數和其它算術函數的“分析機”；20世紀20年代，美國人布什（V.Bush）研制了能解一般微分方程組的電子模擬計算機。TheworkofBabbageCharlesBabbage(26December1791–18October1871)Englishmathematician,analyticalphilosopher,mechanicalengineerand(proto-)computerscientistwhooriginatedtheideaofaprogrammablecomputer.PartsofhispletedmechanismsareondisplayintheLondonScienceMuseum.In1991,workingfromBabbage'soriginalplans,adifferenceenginewascompleted,andfunctionedperfectly.Itwasbuilttotolerancesachievableinthe19thcentury,indicatingthatBabbage'smachinewouldhaveworked.Nineyearslater,theScienceMuseumcompletedtheprinterBabbagehaddesignedforthedifferenceengine;itfeaturedastonishingcomplexityfora19thcenturydevice.DifferenceengineofBabagePartofBabbage'sDifferenceengine,assembledafterhisdeathbyBabbage'sson,usingpartsfoundinhislaboratoryTheLondonScienceMuseum'sreplicadifferenceengine,builtfromBabbage'sdesign.

BabageinBritishScience&HistoryMuseum1.2.4圖靈理論計算機德國數學家康托爾（G.Cantor,1845～1918）從1874年開始，發(fā)表一些列的集合論的著作，創(chuàng)立了集合論。1901年羅素（B.Russell）在集合論概括原則的基礎上發(fā)現“羅素悖論”－－數學史上的第三次危機。S={x|x∈S}理發(fā)師宣布：給且只給村里那些不自己刮胡子的人刮胡子=>理發(fā)師自己給自己刮胡子<=>理發(fā)師自己不給自己刮胡子希爾伯特綱領將每一門數學的分支形式化，構成形式系統(tǒng)和理論，并在此為對象的元理論即元數學中，證明每一個形式系統(tǒng)的相容性，從而導出數學的相容性。實質是尋找通用的形式邏輯系統(tǒng)，該系統(tǒng)應當是完備的，即，該系統(tǒng)中可以機械地判斷任意給定命題的真?zhèn)?。BertrandArthurWilliamRussellBertrandArthurWilliamRussell,3rdEarlRussell,OM,FRS(18May1872–2February1970),wasaBritishphilosopher,logician,andmathematician,workingmostlyinthe20thcentury.Aprolificwriter,BertrandRussellwasalsoapopulariserofphilosophyandacommentatoronalargevarietyoftopics,rangingfromveryseriousissuestothemundane.Continuingafamilytraditioninpoliticalaffairs,hewasaprominentliberalaswellasasocialistandanti-waractivistformostofhislonglife.MillionslookeduptoRussellasaprophetofthecreativeandrationallife;atthesametime,hisstancesonmanytopicswereextremelycontroversial.In1950,RussellwasmadeaNobelLaureateinLiterature"inrecognitionofhisvariedandsignificantwritingsinwhichhechampionshumanitarianidealsandfreedomofthought".

計算機器理論的發(fā)展歷史希爾伯特綱領的研究基礎是邏輯和代數－－19世紀英國數學家喬治.布爾（G.Boole）的邏輯代數體系“真”、“假”，和“與”、“或”、“非”1931年，奧地利25歲的歌德爾（K.Godel）提出的關于形式系統(tǒng)的“不完備性定理”中指出，這種形式系統(tǒng)是不存在的。宣告了著名的“希爾伯特綱領”失敗?！跋柌鼐V領”保存全部古典數學的前提下去排除集合論的悖論，給數學基礎問題帶來了全新的轉機。希爾伯特綱領的提出使元數學得到了發(fā)展對計算機科學而言，希爾伯特綱領的失敗啟發(fā)人們應避免花費大量的精力去證明那些不能判定的問題，而應把精力集中于解決具有能行性的問題。KurtG?delKurtG?del(IPA:[kurtg??dl])(April28,1906Brno,thenAustria-Hungary,nowCzechRepublic–January14,1978Princeton,NewJersey)wasalogician,mathematician,andphilosopherofmathematics.Oneofthemostsignificantlogiciansofalltime,G?del'sworkhashadimmenseimpactuponscientificandphilosophicalthinkinginthe20thcentury,atimewhenmany,suchasBertrandRussell,A.N.Whitehead,andDavidHilbert,wereattemptingtouselogicandsettheorytounderstandthefoundationsofmathematics.G?delisbestknownforhistwopletenesstheorems,publishedin1931whenhewas25yearsofage,andonlyoneyearafterfinishinghisdoctorateattheUniversityofVienna.Themorefamouspletenesstheoremstatesthatforanyself-consistentrecursiveaxiomaticsystempowerfulenoughtodescribethearithmeticofthenaturalnumbers(Peanoarithmetic),therearetruepropositionsaboutthenaturalsthatcannotbeprovedfromtheaxioms.Toprovethistheorem,G?deldevelopedatechniquenowknownasG?delnumbering,whichcodesformalexpressionsasnaturalnumbers.Healsoshowedthatthecontinuumhypothesiscannotbedisprovedfromtheacceptedaxiomsofsettheory,ifthoseaxiomsareconsistent.Hemadeimportantcontributionstoprooftheorybyclarifyingtheconnectionsbetweenclassicallogic,intuitionisticlogic,andmodallogic.1.2.4圖靈理論計算機圖靈對計算本質的揭示在歌德爾研究成果德影響下，20世紀30年代后期，圖靈(A.M.Turing)從對計算一個數的一般過程入手，對計算的本質進行了研究。bb100010b狀態(tài)q1讀－寫頭控制器……可無限延長的帶子一個有窮字母表:{S0,S1,S2,…,Sp}機器的控制狀態(tài)為:{q0,q1,q2,…,qm}AlanTuringAlanMathisonTuring(June23,1912–June7,1954)wasaBritishmathematician,logician,andcryptographer.Turingisoftenconsideredtobethefatherofmoderncomputerscience.WiththeTuringTest,Turingmadeasignificantandcharacteristicallyprovocativecontributiontothedebateregardingartificialintelligence:whetheritwilleverbepossibletosaythatamachineisconsciousandcanthink.HeprovidedaninfluentialformalisationoftheconceptofalgorithmandcomputationwiththeTuringmachine,formulatingthenowwidelyaccepted"Turing"versionoftheChurch–Turingthesis,namelythatanypracticalcomputingmodelhaseithertheequivalentorasubsetofthecapabilitiesofaTuringmachine.DuringWorldWarII,TuringworkedatBletchleyPark,Britain'scodebreakingcentreandwasforatimeheadofHut8,thesectionresponsibleforGermanNavalcryptanalysis.HedevisedanumberoftechniquesforbreakingGermanciphers,includingthemethodofthebombe,anelectromechanicalmachinewhichcouldfindsettingsfortheEnigmamachine.Afterthewar,heworkedattheNationalPhysicalLaboratory,creatingoneofthefirstdesignsforastored-programcomputer,althoughitwasneveractuallybuilt.In1947hemovedtotheUniversityofManchestertowork,largelyonsoftware,ontheManchesterMarkIthenemergingasoneoftheworld'searliesttruecomputers.In1952,TuringwasconvictedofactsofgrossindecencyafteradmittingtoasexualrelationshipwithamaninManchester.Hewasplacedonprobationandrequiredtoundergohormonetherapy.WhenAlanTuringdiedin1954,aninquestfoundthathehadcommittedsuicidebyeatinganapplelacedwithcyanide.

AlanTuringisoftenconsideredthefatherofmoderncomputerscience.計算機器理論的發(fā)展歷史圖靈對的成果可計算性＝圖靈可計算性算法（也稱為能行方法或能行過程），是對解題（計算）過程的精確描述，由一組定義明確，且能機械執(zhí)行的規(guī)則（語句、指令）組成。任一過程是能行的（能表現在一個算法中），當且僅當它能被圖靈機實現。其它計算機器模型遞歸函數論，λ

演算，Post規(guī)范系統(tǒng)（E.L.Post）TheChurch-TuringThesis.Everyeffectivelycomputablenumber-theoreticfunctionisrecursive(computable)andviceversa.這些計算模型在計算能力上是等價的。1.2.5電子計算機的大規(guī)模生產和應用與Babbage機械計算裝置相比，第一臺ENIAC計算機采用的是真空管實現了高低電平分別表示“0”和“1”，并能夠運行起來了。ENIAC占用的空間很大，耗電也很多。無法形成大規(guī)模的工業(yè)化應用，直到晶體管線路出現以后，用電子線路構造的計算機才進入工業(yè)化使用階段。推動電子計算機裝置最有效的技術是“集成電路”----由于集成電路可以集成成千上萬個電路器件，降低了能耗，提高了硬件的可靠性，從而使集成電路計算機為主體的計算機得到普遍。TheTuring-Welchmanbombe恩尼格瑪密碼機（德語：Enigma，又譯啞謎機）Turing-Welchmanbombe

現代意義的計算機1943年，英國的“巨人”（Colossus）的計算機投入運行，用于譯解德國密碼，英政府1970年前一直保密。1945年，ENIAC誕生—現代意義上的計算機TheColossusmachineswereearlycomputingdevicesusedbyBritishcodebreakerstoreadencryptedGermanmessagesduringWorldWarII.Colossuswasanearlyelectronicdigitalcomputer.馮.諾依曼型計算機1946年，美國數學家馮.諾依曼(VonNeumann)和同事完成《電子計算裝置邏輯結構設計》的研究報告，給出了由控制器、運算器、存儲器和I/O設備組成的存儲程序式計算機的組織結構。奠定了現代計算機的基礎。存儲器運算器I/O設備控制器指令寄存器JohnvonNeumanninthe1940sJohnvonNeumannJohnvonNeumann(NeumannJános)(December28,1903–February8,1957)wasaHungarianmathematicianandpolymathofJewishancestrywhomadeimportantcontributionsinquantumphysics,functionalanalysis,settheory,economics,computerscience,numericalanalysis,hydrodynamics(ofexplosions),statisticsandmanyothermathematicalfields.Mostnotably,vonNeumannwasapioneerofthemoderndigitalcomputerandtheapplicationofoperatortheorytoquantummechanics(seeVonNeumannalgebra),amemberoftheManhattanProjectTeam,andcreatorofgametheoryandtheconceptofcellularautomata.AlongwithEdwardTellerandStanislawUlam,vonNeumannworkedoutkeystepsinthenuclearphysicsinvolvedinthermonuclearreactionsandthehydrogenbomb.JohnvonNeumanninthe1940sENIAC計算機摩爾定律1965年Intel公司創(chuàng)始人之一GordonMoore預測：“集成電路中的集成密集度每兩年翻一番”。事實上，1971年，Intel的4004微處理器有2300個晶體管。2004年的Intel?Itanium?2processor(9MBcache)有592,000,000個晶體管。集成電路工業(yè)界認為摩爾定律至少還能持續(xù)50年。2007年，摩爾預測還可以堅持10年！軟件工程人才需求---軟硬件生產率對比計算機硬件生產率---Moore定律：1965年，Intel公司創(chuàng)始人之一GordonMoore預測：“集成電路中的集成密集度每兩年翻一番”事實上，1971年，Intel的4004微處理器有2300個晶體管。2004年的Intel?Itanium?2processor(9MBcache)有592,000,000個晶體管。集成電路工業(yè)界認為摩爾定律至少還能持續(xù)50年軟件生產率1.3軟件藝術、工程與產業(yè)1.3.1從程序到軟件1.3.2程序設計藝術1.3.3軟件工程側面1.3.4軟件產業(yè)化通過穿孔實現織布花紋的紡織機----程序能夠通過“讀”穿孔卡上的信息完成預定的任務的織布機AdainBritishScience&HistoryMuseum計算機軟件的歷史軟件是由計算機程序和程序設計的概念發(fā)展演化過來的。是程序和程序設計發(fā)展到一定規(guī)模后并且逐步商品化的過程中形成的。19世紀初，法國人約瑟夫.雅各(JosepheMarieJaquard)設計的織布機，就能夠通過“讀”穿孔卡上的信息完成預定的任務。英國詩人拜倫(Byron)的女兒，數學家愛達.奧古斯塔.拉夫拉斯伯爵夫人(AdaAugustaLovelace)在幫助巴貝奇研究分析機時，指出分析可以向織布機一樣進行編程，并發(fā)現進行程序設計和編程的基本要素，被認為是有史以來的第一位程序員，而著名的計算機語言Ada就是以此命名的。AdaLovelaceAugustaAdaKing,CountessofLovelace(December10,1815–November27,1852)ismainlyknownforhavingwrittenadescriptionofCharlesBabbage'searlymechanicalgeneral-purposecomputer,theanalyticalengine.AdawastheonlylegitimatechildofthepoetLordByronandhiswife,AnnabellaMilbanke.ShewasnamedafterByron'shalf-sister,AugustaLeigh,bywhomhewasrumouredtohavefatheredachild.

AdaLovelaceOnDecember10,1980,(Ada'sbirthday),theU.S.DefenseDepartmentapprovedthereferencemanualforitsnewcomputerprogramminglanguage,called"Ada".TheU.S.DepartmentofDefenseMilitaryStandardforAda

(MIL-STD-1815)wasassignedanumbertocommemoratetheyearofherbirth.程序

軟件1960年代，隨著計算機硬件的批量生產，工業(yè)界和學術界認識到了計算機程序的工程和使用價值。一方面計算機機程序必須隨著硬件一起銷售，僅僅向客戶提供硬件不足于支持計算機的使用，即，計算機程序具有復制價值；另一方面，計算機程序的開發(fā)過程不僅僅是上來就寫程序，往往需要花費大量的時間搞清需求，花力氣進行算法設計，在編程后還要對程序進行測試，以及向用戶提供使用手冊和文檔，也就是說，計算機程序的是一種由多人合作、經歷不同階段的開發(fā)，且具有可復制和重復使用的器或件(ware)。借助于器和件的概念，例如，瓷器(Chinaware)、鐵器等概念，人們把計算的電子線路等人眼可見、占據物理空間的器或件稱為硬件(hardware)，把計算機的程序和相關數據的集合，這些肉眼不可見的、邏輯器或件稱為軟件(Software)。程序

軟件軟件是一個概念或邏輯實體，由計算機程序、過程和相關的操作文檔組成。軟件直接依靠硬件或依靠其他軟件執(zhí)行它所實現的程序功能。軟件(software)與硬件(hardware)直接對應。與硬件的物理實體相對比，軟件是無形的(intangible)，即，“不可觸摸到的”。通?？梢园衍浖譃閮深悾合到y(tǒng)軟件和應用軟件。系統(tǒng)軟件告訴計算機如何工作，應用軟件告訴計算機如何完成用戶特定的工作。軟件具有其商業(yè)價值程序設計藝術在電子計算機中運行的程序是計算機指令序列集合，告訴計算機執(zhí)行特定的任務。第一種形式是可執(zhí)行程序(executable)，是在計算機直接執(zhí)行的指令集合；第二種是人可讀的源代碼，源代碼可以轉換出(例如，經過編譯器)可執(zhí)行的程序。程序設計是一種藝術。精美的算法和代碼是計算科學工作者所追求的主要目標之一。在1968年之前，科學界認為計算機程序僅僅是一門“科學或藝術”。計算機程序的“科學和藝術”特征表現在其獨創(chuàng)性，以及不需要重復勞動，而一個數學定理的第一次證明具有科學價值，隨后的證明只具有學習價值了。程序的藝術價值計算機程序具備藝術創(chuàng)造性的特征，只有第一次的創(chuàng)造具有價值和成本，其后的復制幾乎是無成本的。然而與藝術品不同的是，復制的代碼同樣具有使用價值。實際上，人們創(chuàng)作計算機程序藝術品的目的是其使用價值，而非欣賞價值。

60年代末多項大型軟件以失敗告終,例如:IBM公司的OS/360,美國空軍的后勤系統(tǒng)(2.17億美金),Univac聯(lián)合航空訂票系統(tǒng)(5600萬美金)軟件出現危機:OS/360負責人Brooks......像巨獸在泥潭中垂死掙扎,掙扎得越猛,泥漿就沾得越多,最后......軟件工程側面----軟件危機首次軟件工程會議1968年NATO贊助的軟件工程會在德國召開，與會學者和工業(yè)界的代表形成了一個會議總結報告，分別出從：1）軟件工程與社會2）軟件設計3）軟件生產4）軟件服務，以及5）特別專題等方面討論了軟件工程。在特別專題中提出了：a)軟件面臨的問題和可能解決方法，b）教育問題，c)軟件價格問題。這次會議標志著從“計算機程序藝術”到“軟件工程”觀念上轉變。BornofSoftwareEngineeringInthebeliefthatsoftwaredesign,implementation,andmaintenancecouldbeputonsamefootingastraditionalengineeringdisciplines,aNATOstudygroupin1967coinedthetermsoftwareengineering.

Theclaimthatbuildingsoftwareissimilartootherengineeringtaskswasendorsedbythe1968NATOSoftwareEngineeringConferenceheldinGarmisch,Germany.[Naur,Randell,andBuxton1976]全面的程序開發(fā)(軟件系統(tǒng)建造)過程1968年---Slige“程序開發(fā)與軟件開發(fā)”一個軟件項目的實際過程可能的軟件項目統(tǒng)計曲線1.3.4軟件產業(yè)化1960年中期IBM主導了計算機產業(yè)的幾乎全部份額。1969年美國司法部啟動了對IBM的壟斷訴訟。該訴訟聲稱IBM違反“謝爾曼法”---壟斷或企圖壟斷通用電子數字計算機系統(tǒng)市場，特別是主要為企業(yè)設計的計算機。案件拖到1982年美國司法部終于結束訴訟。雖然是無果而終，但是這場訴訟卻影響了整個軟件產業(yè)。反壟斷導致IBM公司決定把軟件和硬件分離出來單獨定價，結束了IBM在1969年前的“捆綁式”的軟件、硬件銷售和服務。那時，客戶不需要支付軟件或服務價格，但卻需要支付非常高的硬件價格，而軟件按源代碼的形式提供。軟件商品交換----許可證制度軟件許可證是一個法律協(xié)議，規(guī)定了專有的或無償使用許可形式，也是軟件生產者和軟件用戶之間的合同備忘錄。用戶可能是任何法律實體或“最終用戶”，在這種情況下，軟件許可證，常稱為最終用戶許可協(xié)議（EULA--EndUserLicenseAgreement）指定生產者授予給用戶的軟件時間和權限。計算機軟件產業(yè)的歷史計算機軟件產業(yè)開始于20世紀50年代，隨著計算機在商業(yè)、國防、教育等領域的使用的迅速增加，導致對程序設計人員需求的增長。出現一部分具有計算機程序設計經驗的人分離出來專門從事程序設計工作，并創(chuàng)立自己的程序設計服務公司，根據用戶的訂單提供相應的程序設計服務。如1955年，ElmerKubie和JohnW.sheldon創(chuàng)建的計算機使用公司（CUC）。1959年創(chuàng)立的應用數據研究（ADR）公司。1968年MartinGoetz獲得世界上第一個軟件專利；1969年春，就IBM壟斷軟件產業(yè)提出訴訟，促使IBM在1969年6月30日宣布結束一些軟件和硬件的捆綁銷售，為軟件產品單獨定價。在這一時期成立的軟件公司有美國計算機公司（CCA）、InformationBuilder、Oracle公司等。SoftwareEngineeringv.sComputerscienceAnsightintotherelationshipbetweenSEandCScanbeobtainedbycomparingandcontrastingtherelationshipbetweenchemicalengineeringandchemistry.CSandchemistryarebothsciences,andbothhaveatheoreticalcomponentandprocticalcomponent.Inthecaseofchemistry,thepracticalcomponentsislaboratorywork;inthecaseofCS,thepracticalcomponentisprogramming.Chemicalengineering(化工)v.sChemistry(化學)案例1：將煤炭轉變汽油。二戰(zhàn)期間，德國人就已經完成了實驗，從化學家的觀點看，他們已經成功了。從化學工業(yè)的角度看，這些實驗都是不成功的，因為沒有經濟和批量生產的價值。工程師必須探討批量轉變的實驗和生產途徑，從而將成本降低到具有實際的經濟意義。實驗室可行≠工業(yè)化生產可行理論上可行≠工程上可行Chemicalengineering(化工)v.sChemistry(化學)案例2：侯德榜制堿1862年，比利時人索爾維（ErnestSolvay1838—1922）發(fā)明了以食鹽、氨、二氧化碳為原料制取碳酸鈉的“索爾維制堿法”（又稱氨堿法）。此后，英、法、德、美等國相繼建立了大規(guī)模生產純堿的工廠，并組織了索爾維公會，對會員以外的國家實行技術封鎖。制堿的主要原料是食鹽，也就是氯化鈉，而四川的鹽都是井鹽，要用竹筒從很深很深的井底一桶桶吊出來。由于濃度稀，還要經過濃縮才能成為原料，這樣食鹽成本就高了。另外，索爾維制堿法的致命缺點是食鹽利用率不高，也就是說有30%的食鹽要白白地浪費掉，這樣成本就更高了，所以侯德榜決定不用索爾維制堿法，而另辟新路。1920年，侯德榜先生毅然回國任職。他全身心地投入制堿工藝和設備的改進上，1924年8月,塘沽堿廠正式投產。1926年，中國生產的“紅三角”牌純堿在美國費城的萬國博覽會上獲得金質獎章。產品不但暢銷國內，而且遠銷日本和東南亞。SoftwareengineeringIEEEstandard610.12-1990SE:(1)Theapplicationofasystematic,disciplined,quantifiableapproachtothedevelopment,operation,andmaintenanceofsoftware;thatis,the,theapplicationofengineeringtosoftware.(2)Thestudyofapproachesasin(1)FritzBanuerSEistheestablishmentanduseofsoundengineeringprinciplesinordertoobtaineconomicallysoftwarethatisreliableandworksefficientlyonrealmachines.SoftwareEngineeringSoftwareengineering(SE)istheprofessionofpeoplewhocreateandmaintainsoftwareapplicationsbyapplyingtechnologiesandpracticesfromcomputerscience,projectmanagement,engineering,applicationdomainsandotherfields.Softwareengineeringdealswithmattersofcostandreliability,liketraditionalengineeringdisciplines.Somesoftwareapplicationscontainmillionsoflinesofcodethatareexpectedtoperformproperlyinthefaceofchangingconditions,makingthemcomparableincomplexitytothemostcomplexmodernmachines.Forexample,amodernairlinerhasseveralmillionphysicalparts(andthespaceshuttleabouttenmillionparts),whilethesoftwareforsuchanairlinercanrunto4millionlinesofcode.

1.4軟件工程歷程1950年代是產生軟件工程理論的年代，