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王选:从Dijkstra谈帅才的洞察力 2002-09-28 11:46
《计算机世界》最近报道了计算机科学先驱Dijkstra于8月上旬逝世的消息。
Dijkstra被西方学术界称为“结构程序设计之父”和“先知先觉”(Oracle),
他一生致力于把程序设计发展成一门科学。科学研究的帅才最重要的素质
是洞察力(Vision和Insight),能够发现有前景的新领域或在新领域内发现
和解决最关键的问题。下面仅举几例说明Dijkstra的洞察力。
   解决编译系统中的关键问题
FORTRAN 是最早得到一定程度推广的高级语言,但FORTRAN 的编译系统
并未科学地解决一些主要的难题。最早提出用堆栈(stack) 来编译复杂公式
的是德国的Bauer和Samelson,他们的著名论文“顺序公式的翻译”
(Sequential Formula Translation)是编译方面的经典论文。最近有些报
道说Dijkstra是堆栈的发明人,这恐怕不符事实。 Dijkstra发展了堆栈的概
念, 使之用于整个编译,以及目标代码运行时的动态存储分配,并在此基础
上和Jenson完成了世界上第一个ALGOL60 编译系统,采用了他首创的优先数
编译算法。其中递归调用子程序时的环境维护是Dijkstra的重要贡献,Display
这一术语就是当时他发明的,这是用来维护动态环境的一组寄存器(软件),
其结构清晰并能适应任何复杂情况。我于20世纪60年代初看完他的文章后
马上想到,假如计算机硬件中有对应的设备将极大地提高软件的运行效率。
Dijkstra是ALGOL60报告的主要起草者之一,1972年Dijkstra在他获得ACM
图灵奖的讲演中,仍对这一报告给予高度评价:“只有极少极少几个像ALGOL60
报告这样短的文件能给计算机界带来如此深远的影响。”

  同步进程的协调和操作系统的结构
Dijkstra在1950~1952年期间曾当过三年程序员,在从事硬件中断处理程序
的研制中,他发现一些程序错误在多个中断同时出现的情况下无法再现,很容
易被当作硬件的瞬间故障,这一现象使Dijkstra毛骨悚然,促使他后来钻研用科学方法从事软件研制。操作系统是当时最复杂的软件,1965年Dijkstra在
ACM通讯上发表了仅一页长的短文“并行程序的控制”,这是他在操作系统领域
的第一个重要贡献。该文提出了并行程序互锁问题的一个解决方案。“死锁”
(Deadly embrace)这一术语是Dijkstra发明的。1967年在首届操作系统原理
研讨会上,Dijkstra介绍了他和几个博士生研制的THE多道程序系统。THE系统
的目的是验证Dijkstra关于操作系统原理、结构、同步进程通信机制等方面的
一系列新想法。今天已经普遍采用的系统的多层结构、抽象、上层不需了解下
层的详细细节等科学原则就是当时Dijkstra提出的,引起了强烈反响;同步进
程通信的信号量Semaphore这一术语也是Dijkstra当时创造的。
同步进程协调方面的程序错误是很难发现的,为此我曾吃过大苦头。1979年我
开始设计Ⅱ型照排系统,用了两台双极型高速微处理器平行工作实现轮廓字形
的复原和控制激光扫描,两台微处理器通过信号量彼此协调。设计和编程均无
错误,但在把微程序翻译成二进制代码时错了一位,结果造成了无法再现的随
机故障:激光打印机输出的汉字有时拖尾巴。这一故障持续了一年多,引起用户
不满,后由潍坊计算机公司的一位协作人员挖空心思地发现了错误的原因,即
二进制码错误,问题才得以解决。
上世纪六十年代操作系统的研制经受了一系列重大挫折,典型的例子是OS360。
而Dijkstra为首的一批科学家的努力,使操作系统走上了健康发展的道路。
  Go To语句有害和结构程序设计
结构程序设计被称为软件发展中的第三个里程碑(第一、二个里程碑是子程序和
高级语言)。早在1965年召开的IFIP会议上,Dijkstra就提出“Go To语句可以从
高级语言中取消”,“一个程序的质量与程序中所含的Go To语句的数量成反比”。
但是,Dijkstra讲话的影响很小,当时人们正忙于IBM 360系列的使用;而IBM360
的主要语言之一是FORTRAN,Go To语句则是FORTRAN的支柱。
1968年Dijkstra给ACM通讯写了一篇短文,该文后改成信件形式刊登,以便早日
发表,这就是具有历史意义的、著名的“Go To Letter”。Dijkstra在信中建议:
“Go To语句太容易把程序弄乱,应从一切高级语言中去掉;只用三种基本控制结
构就可以写各种程序,而这样的程序可以由上而下阅读而不会返回”。这封信引起
了激烈的讨论。人们逐渐认识到:不是一个简单地去掉Go To的问题,而是促进一
种新的程序设计观念、方法和风格,以期显著提高软件生产率和降低软件维护代价。
当时采用结构程序设计方法的两个最著名项目是:
  1. 纽约时报信息库管理系统,含8.3万行源代码,只化了11人年,第一年使用
过程中,只发生过一次使系统失效的软件故障;
  2. 美国宇航局空间实验室操作的模拟系统,含40万行源代码,只用两年时间
就全部完成。
上个世纪六十年代末到七十年代初,上述这两个系统可以算得上是大型软件了。
结构程序设计概念影响了后来的高级语言,也影响了一代程序员的风格和习惯。
  坚持真理,不惜反对恩师
ALGOL 68语言是Van Wijingaarden为主设计的,得到了IFIP下属的工作小组的
多数票通过。Wirth、Dijkstra和Hoare等工作小组成员发表了“少数派报告”,强烈
反对这一语言及其表达方式。ALGOL 68的表达方式独特而严格,但不易理解,是
Wijingaarden的发明。事实证明,少数派是正确的,ALGOL 68很快就夭折了。
要知道,Wijingaarden是Dijkstra的恩师。上世纪五十年代初Dijkstra在阿姆斯特
丹数学中心编程序时Wijingaarden是他的领导。Dijkstra当时正在攻读理论物理
学位,他发现理论物理课程和程序设计在精力上越来越冲突,他又拿不定主意,到底成为一个理论物理学家还是选择程序设计作为自己的职业,而他当时又担心
程序设计能否成为被尊敬的学科。充满不安心情的Dijkstra于1952年春的一个早
晨敲开了Wijingaarden办公室的门。几个小时的谈话,使Dijkstra变了另外一个人,
因为Wijingaarden向他指明了程序设计这门学科正处在起步阶段,因而有重大的
机会,Dijkstra可以努力使程序设计变成一个受人尊敬的学科。Dijkstra把这次谈
话称为他一生中的转折点,于是决定尽快结束理论物理研究,全身心地投入程序设计。Dijkstra说,为此他应该终生感谢Wijingaarden。但是Dijkstra还是强烈地反对
其恩师的得意之作ALGOL 68,少数派报告虽被IFIP压制,但真理终究得到了证明,
后来的成功语言都是背离ALGOL 68方向的。
  Dijkstra的名言今天仍有现实意义
Dijkstra的主要贡献是在上个世纪五十年代末到七十年代初,也就是他二十多岁到
四十岁出头这段时间完成的。回忆这些过去的成就是想强调:洞察力对一个科学家
是何等的重要!
Dijkstra获图灵奖以后,软件领域又涌现出图形用户界面、面向对象技术等一系列
新的里程碑,因特网更是带来一个全新的时代。但是三十年前Dijkstra关于程序可
靠性的一些名言至今仍有意义:
“有效的程序员不应该浪费很多时间用于程序调试,他们应该一开始就不要把故障引入。”
“程序测试是表明存在故障的非常有效的方法,但对于证明没有故障,调试是很无能为力的。”
Dijkstra大力鼓吹程序正确性证明,但这一方法离实用还有相当距离,因为一段
源程序的正确性证明的文字往往比源代码还要长,所以充分的软件测试今天仍
不可或缺。但是程序员的科学训练是十分重要的,有人曾做过一个试验:一个题目
由一批印度程序员编程,其结果惊人地相似;而由一批中国程序员来做,编出的程
序五花八门。中国的软件人员有时把创造性放在不恰当的地方。只有规范的科学
的编程,一个大项目才能得到有效的管理,其质量才有保证。
中国软件产业的发展需要有洞察力的帅才,也需要一大批训练有素的程序设计人
员和既懂技术又懂管理的项目领导人。
                      2002年9月3日 (方正集团供稿)
 
好文章,UP
 
既然有人叫好,就自己踢一脚。
 
接受答案了.
 
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