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\section{软件工程的诞生}
1968年在德国的一个叫做Garmisch的小镇上由NATO科学委员会主导召开了一个小型研讨会有来自11个国家的50位代表参加。会议的议题是如何应对当时面临的所谓“软件危机”\index{软件危机}。在这个研讨会上诞生了“软件工程”这个学科领域~\cite{naur1968software}。这里软件危机是指在所需时间内编写出有用且高效的计算机程序存在很大困难导致软件开发出现许多问题。Dijkstra在其会议报告中提到~\cite{Dijkstra:1972}:软件危机的主要原因是因为机器变得越来越强大,强大了好几个数量级!如果没有计算机,就没有编程问题; 如果只有一些比较弱的计算机,编程就是解决简单的问题,当有了能力巨大的计算机,编程就需要解决同样巨大的问题。软件危机正是因为计算机能支持的计算能力和人对软件的预期,远远超出了程序员开发的软件能够有效利用的能力,以及程序员利用编程手段来驾驭现实问题的能力。
1968年在德国的一个叫做Garmisch的小镇上北大西洋公约组织(NATO科学委员会主导召开了一个小型研讨会有来自11个国家的50位代表参加。会议的议题是如何应对当时面临的所谓“软件危机”\index{软件危机}。在这个研讨会上诞生了“软件工程”这个学科领域~\cite{naur1968software}。这里软件危机是指在所需时间内编写出有用且高效的计算机程序存在很大困难导致软件开发出现许多问题。Dijkstra在其会议报告中提到~\cite{Dijkstra:1972}:软件危机的主要原因是因为机器变得越来越强大,强大了好几个数量级!如果没有计算机,就没有编程问题; 如果只有一些比较弱的计算机,编程就是解决简单的问题,当有了能力巨大的计算机,编程就需要解决同样巨大的问题。软件危机正是因为计算机能支持的计算能力和人对软件的预期,远远超出了程序员开发的软件能够有效利用的能力,以及程序员利用编程手段来驾驭现实问题的能力。
这个研讨会上提到的软件危机有很多种形式,比如软件开发效率低(如,项目超预算,项目时间过长,软件滞后交付),软件质量差(如,很多方面不符合要求),项目难以管理(如,代码难以维护),等等。所讨论的问题,涉及软件开发的方方面面,包括,软件与硬件的关系、软件的设计、软件的生产、软件的分发、以及软件的服务等。这次会议成为软件工程\index{软件工程}学科的奠基性会议所讨论的核心议题也成为软件工程学科经久不衰的开放性挑战问题比如1获取正确的软件需求2设计合适的系统架构3正确和有效地实现软件4验证软件的质量5长期维护具有目标功能和高代码质量的软件系统。
1986 年,布鲁克斯(Brooks) 在《人月神话》中给出了“软件开发没有银弹”的预言~\cite{Brooks:1975}即由于软件本质上的复杂性在未来10 年内不存在任何技术或方法能够使软件生产力提升10 倍以上。1995 年布鲁克斯在重新发行的《人月神话》纪念版中再次重申“软件开发没有银弹”的预言在下一个10 年仍然成立~\cite{Brooks:1987}。布鲁克斯的观点得到了软件开发实践者和研究者的广泛关注和讨论。虽然有学者曾经宣称某项技术或方法有可能成为“银弹”,但实践表明这些技术或方法后来都没有能成为“银弹”。
1986 年,布鲁克斯(Brooks) 给出了“软件开发没有银弹”的预言~\cite{Brooks:1987}即由于软件本质上的复杂性在未来10 年内不存在任何技术或方法能够使软件生产力提升10 倍以上。1995 年布鲁克斯在重新发行的《人月神话》纪念版中再次重申“软件开发没有银弹”的预言在下一个10 年仍然成立~\cite{brooks1995the}。布鲁克斯的观点得到了软件开发实践者和研究者的广泛关注和讨论。虽然有学者曾经宣称某项技术或方法有可能成为“银弹”,但实践表明这些技术或方法后来都没有能成为“银弹”。
随着信息技术的发展软件技术的应用范围不断扩大应用领域不断深入50年前的软件和现代软件已经不可同日而语在最初出现软件的时候没有人能预计到现在人们对软件的期望也没有人能想象出通过互联网\index{互联网}和物联网\index{物联网},未来人机物融合\index{人机物融合}系统将会在各类场合服务于广大民众。50年前的核心挑战仍然还是软件工程当前的核心挑战问题的表述几乎没有变化只是被赋予了不同的内涵。“软件开发没有银弹” 的预言仍是软件工程研究者和实践者不可逾越之“墙”。
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• 软件工程关注大型程序的构造,协作是大型程序设计的主要机制,中心主题是控制复杂度,管理软件的进化~\cite{van2008software}
从问题求解的角度Dines Bjorner对软件工程有独特的理解。他认为~\cite{Dines2010software}理解软件工程需要同时回答“how”如何进行和“what”要做什么。软件工程应该是艺术、规范、工艺、科学、逻辑、和实践的结合首先需要基于科学的洞察去综合即构建和构造软件其次需要分析即学习和研究现有软件技术以探清和发现可能的科学内容。他特别强调的几个与众不同的关注点包括第一软件工程是一门学科它把数学知识加以判断和优化成为数学理论的应用方式目的是1理解问题领域2解决现实问题3为这些通过计算来解决的问题开发计算系统建立软件解决方案第二软件工程应包含三个分支1领域工程\index{领域工程}理解问题领域2需求工程\index{需求工程}理解问题及其解决方案的框架3软件设计\index{软件设计}(实现想要的解决方案)。
从问题求解的角度Dines Bjorner对软件工程有独特的理解。他认为~\cite{Dines2010software}理解软件工程需要同时回答“how”如何进行和“what”要做什么。软件工程应该是艺术、规范、工艺、科学、逻辑、和实践的结合首先需要基于科学的洞察去综合即构建和构造软件其次需要分析即学习和研究现有软件技术以探清和发现可能的科学内容。他特别强调的几个与众不同的关注点包括第一软件工程是一门学科它把数学知识加以判断和优化\xxm{???}成为数学理论的应用方式目的是1理解问题领域2解决现实问题3为这些通过计算来解决的问题开发计算系统建立软件解决方案第二软件工程应包含三个分支1领域工程\index{领域工程}理解问题领域2需求工程\index{需求工程}理解问题及其解决方案的框架3软件设计\index{软件设计}(实现想要的解决方案)。
综上所述,软件工程要解决的问题是\textbf{如何高效高质地开发出符合要求的产品}。其中包含三个方面的含义。第一,软件工程的产出是一类产品,其产品形态是\textbf{软件},这决定了软件工程学科的研究对象。第二,软件工程需要高效高质地开发出这类产品,工程化是使产品开发得以高效高质的手段,一般依赖于管理有序的\textbf{生产过程},其中要依据合适的\textbf{方法},以及可操作的\textbf{质量保障手段}。这构成了窄义软件工程学科的研究范畴。第三,软件产品要用于解决现实世界的\textbf{领域相关问题},它的使用要能为相关领域带来\textbf{价值},进一步地,对领域价值的评判超出狭义软件工程的范畴,其范畴扩展到了应用领域中,因此,\textbf{领域工程}进入广义软件工程学科范畴,同时,\textbf{需求工程}成为领域工程和狭义软件工程之间的桥梁。
软件工程的内涵可以用图\ref{fig:se1}展示。其核心内容包括领域工程、需求工程和软件系统设计与实现三部分它们形成广义上的软件工程的学科内涵。软件系统设计与实现是其中的主体内容也是软件工程50年来发展最快的部分。所针对的问题是如何高效高质地开发出能胜任的软件系统其知识和技术体系体现在软件工程的方法、过程、质量保障\index{质量保障}及其相应的支撑工具上。这部分内容将在第3节予以描述。
2014年IEEE SWEBOK Guide V3.0提出一个软件工程学科的知识体系~\cite{Pierre2014SWEBOK}其中包括15个知识领域软件需求\index{软件需求}、软件设计\index{软件设计}、软件构造\index{软件构造}、软件测试\index{软件测试}、软件维护\index{软件维护}、软件配置管理\index{软件配置管理}、软件工程管理\index{软件工程管理}、软件工程过程\index{软件工程过程}、软件工程模型和方法、软件质量\index{软件质量}、软件工程职业实践、软件工程经济学\index{软件工程经济学}、计算基础、数学基础和工程基础。这个知识分类体系,除了基础性知识领域外,其它的大部分知识领域可以归属为上述软件系统设计和实现的内容。
2014年IEEE SWEBOK Guide V3.0提出一个软件工程学科的知识体系~\cite{Pierre2014SWEBOK}其中包括15个知识领域软件需求\index{软件需求}、软件设计\index{软件设计}、软件构造\index{软件构造}、软件测试\index{软件测试}、软件维护\index{软件维护}、软件配置管理\index{软件配置管理}、软件工程管理\index{软件工程管理}、软件工程过程\index{软件工程过程}、软件工程模型和方法、软件质量\index{软件质量}、软件工程职业实践、软件工程经济学\index{软件工程经济学}、计算基础、数学基础和工程基础。这个知识分类体系,除了基础性知识领域外,其它的大部分知识领域可以归属为上述软件系统设计和实现的内容。
值得一提的是相比于传统的工程学科软件工程最大的不同在于它的跨行业性领域工程和需求工程就是解决软件的跨行业性问题包括如何理解所面对的问题领域领域工程和如何理解需要用软件技术来解决的领域问题需求工程。在目前即将进入的人机物融合时代软件工程的跨行业性显得尤为突出这是软件能够渗透进各行各业并通过行业应用体现其价值性的关键。这两部分内容将在第4节中描述。
值得一提的是,相比于传统的工程学科,软件工程最大的不同在于它的跨行业性,领域工程和需求工程就是解决软件的跨行业性问题\xxm{建筑不也是么?}包括如何理解所面对的问题领域领域工程和如何理解需要用软件技术来解决的领域问题需求工程。在目前即将进入的人机物融合时代软件工程的跨行业性显得尤为突出这是软件能够渗透进各行各业并通过行业应用体现其价值性的关键。这两部分内容将在第4节中描述。
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构件技术的发展还催生了商用成品构件Commercial Off-The-Shelf简称COTS\index{商用成品构件COTS}的出现,例如在信息系统中有着广泛应用的报表构件、文档处理构件等。商用成品构件一般都符合特定的构件标准并具有良好的可组装性,由独立的构件开发厂商提供,应用开发厂商通过购买获得构件使用权,并通过黑盒的方法进行组装和复用。
\subsubsection{面向服务的软件开发方法}
随着基于Internet的应用的延伸面向服务的计算Service-Oriented ComputingSOC应运而生其目的是有效解决在分布、动态和异构环境下数据、应用和系统集成的问题。面向服务的软件开发方法~\cite{Papazoglou2007SOC}通过组合可复用的服务实现软件系统的开发主要关注如何按需、动态地集成现有的服务从而快速开发出满足新需求的软件系统。服务提供者和服务使用者之间的交互关系具有动态特性服务公开性Exposure和反射性Reflection替代了传统的固定式系统集成开发软件系统时是根据系统的需求进行服务装配与组合。此外服务的松耦合改变了传统以APIs调用进行组件组装的紧耦合方式系统架构师可以通过动态描述组合服务集合来创建软件系统。
随着基于Internet的应用的延伸面向服务的计算Service-Oriented ComputingSOC应运而生其目的是有效解决在分布、动态和异构环境下数据、应用和系统集成的问题\xxm{这个corba就是这样了服务计算更进一步}。面向服务的软件开发方法~\cite{Papazoglou2007SOC}通过组合可复用的服务实现软件系统的开发主要关注如何按需、动态地集成现有的服务从而快速开发出满足新需求的软件系统。服务提供者和服务使用者之间的交互关系具有动态特性服务公开性Exposure和反射性Reflection替代了传统的固定式系统集成开发软件系统时是根据系统的需求进行服务装配与组合。此外服务的松耦合改变了传统以APIs调用进行组件组装的紧耦合方式系统架构师可以通过动态描述组合服务集合来创建软件系统。
面向服务的开发方法包括以下内容1 面向服务的分析和设计以服务为中心根据业务需求识别服务、描述服务并设计服务的实现2 面向服务的开发过程结合现有开发过程规划以服务为中心的开发过程中的角色、职责、活动和工件3 面向服务架构的成熟度分析和迁移路线以服务为中心分析现有或目标系统的成熟度并设计从现有成熟度迁移到目标成熟度的路线以及4面向服务架构的监管设计组织和流程确保面向服务架构的设计原则在IT生命周期中得以贯彻管理服务生命周期中各种迁移的合理性等。
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软件是一种人工制品需要有相应的质量保障Software Quality Assurance, SQA机制包括监控软件工程过程以确保质量。软件质量保障涵盖整个软件开发过程包括需求定义、软件设计、编码、源代码控制、代码审查、软件配置管理、测试、发布管理和产品集成等。
\subsubsection{软件质量体系}
软件质量是反映软件系统或产品满足明确或隐含需求能力的特性的总和。有四个方面的含义: 其一,能满足给定需要的特性的全体;其二,具有所期望的各种属性的组合的程度;其三,用户觉得能满足其综合期望的程度;其四,软件的组合特性,它确定软件在使用中将满足顾客预期要求的程度。软件质量常常用下列特性来评价:
软件质量是反映软件系统或产品满足明确或隐含需求能力的特性的总和。有四个方面的含义: 其一,能满足给定需要的特性的全体;其二,具有所期望的各种属性的组合的程度;其三,用户觉得能满足其综合期望的程度;其四,软件的组合特性\xxm{本段翻译腔明显,不易读,又没参考文献},它确定软件在使用中将满足顾客预期要求的程度。软件质量常常用下列特性来评价:
\begin{itemize}
\item 功能性:当软件在指定条件下使用时,软件产品提供满足明确和隐含需求的功能的能力。
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\item 易移植性:软件产品从一种环境迁移到另外一种环境的能力。
\end{itemize}
软件质量度量是用于确定软件系统或产品头屑特性的定量尺度Boehm等人于1976年提出了定量评价软件质量的概念提出了60个质量度量公式首次提出了软件质量度量的层次模型。1978年Walters和McCall提出了从软件质量要素、准则到度量的三层式软件质量度量模型将质量要素降到11个。
软件质量度量是用于确定软件系统或产品头屑\xxm{头屑??}特性的定量尺度Boehm等人于1976年提出了定量评价软件质量的概念提出了60个质量度量公式首次提出了软件质量度量的层次模型。1978年Walters和McCall提出了从软件质量要素、准则到度量的三层式软件质量度量模型将质量要素降到11个。
\subsubsection{软件质量标准}
国际标准化组织于1985年建议的质量度量模型分为三层高层——软件质量需求评价准则中层——软件质量设计评价准则低层——软件质量度量评价准则。在1991年国际标准化组织(ISO)和国际电工委员会(IEC)又共同提出了标准给出了6个特性和21个子特性于2001年再次修订标准建立了软件产品质量的两分模型1内部质量软件产品在特定条件下使用时软件产品的一组静态属性满足明确和隐含需要的能力和外部质量系统在特定条件下使用时软件产品使得系统的行为能满足明确和隐含需要的能力2使用质量在特定的使用场景中软件产品使得特定用户在达到有效性、生产率、安全性和满意度等方面的特定目标的能力
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还有一系列标准用于监控和评估软件生产过程过程以支持软件质量的提升ISO/IEC 15504\footnote{https://www.iso.org/standard/38932.html}其第一个版本专注于软件开发过程后来扩展到涵盖软件业务中的所有相关流程例如项目管理配置管理质量保障等是成熟度模型的参考模型评估者可以根据模型在评估期间收集证据全面确定所开发产品软件系统和IT服务的能力。其更新版本是ISO/IEC 33000\footnote{https://www.iso.org/standard/54175.html}。其它质量标准还包括ISO/IEC 25000\footnote{https://www.iso.org/standard/64764.html}、ISO/IEC/IEEE 29119\footnote{https://www.iso.org/standard/45142.html}等。
\subsubsection{形式化规约和验证}
除了采用工程方法来组织、管理软件的开发过程,并根据标准检验过程的正确性外。还有一类工作就是深入探讨程序和程序开发过程的规律,建立严密的理论,以其用来指导软件开发实践,这类工作推动了形式化方法的深入研究,其目标是以严格的数学推演为基础,通过对系统的形式规约、验证和逐步精化来构造并实现软件,从而提高软件设计的可靠性和鲁棒性。通过对系统的形式规约、验证和逐步精化来构造并实现软件。其中,形式规约是使用形式语言构建所开发的软件系统的规约,对应软件生命周期不同阶段的制品,刻画系统不同抽象层次的模型和性质。形式化开发就是构造并证明形式规约之间的等价转换和精化关系,以系统的形式模型为指导,通过逐步精化,最后开发出满足需要的系统,也称为构造的正确性(Correct by Construction)。
除了采用工程方法来组织、管理软件的开发过程,并根据标准检验过程的正确性外。还有一类工作就是深入探讨程序和程序开发过程的规律,建立严密的理论,以其用来指导软件开发实践,这类工作推动了形式化方法的深入研究,其目标是以严格的数学推演为基础,通过对系统的形式规约、验证和逐步精化来构造并实现软件,从而提高软件设计的可靠性和鲁棒性。其中,形式规约是使用形式语言构建所开发的软件系统的规约,对应软件生命周期不同阶段的制品,刻画系统不同抽象层次的模型和性质。形式化开发就是构造并证明形式规约\xxm{没有模型?}之间的等价转换和精化关系,以系统的形式模型为指导,通过逐步精化,最后开发出满足需要的系统,也称为构造的正确性(Correct by Construction)\xxm{翻译不妥吧}
\subsubsection{软件分析和软件测试}
软件分析和软件测试是软件开发实践中常用的质量保障手段,被广泛用于发现软件需求、设计、实现代码等制品中的缺陷或验证相关性质。
软件分析是指对软件制品进行人工或者自动分析,以验证、确认或发现软件性质(或者规约、约束)的过程或活动~\cite{梅宏2009软件分析技术进展}。软件分析的对象覆盖了文档、代码(源代码或二进制代码)、运行时系统、开发历史等不同形态,相应的分析技术也包括静态分析、动态分析和开发历史分析等。其中,静态分析在不运行程序的情况下,对文档和代码进行分析,抽取各种性质及抽象表示并对各种问题进行检查;动态分析通过程序插装等手段获取程序的运行时信息,在此基础上对程序的行为进行分析;开发历史分析对软件版本库等开发库中所记录的开发历史进行分析,获得与软件演化历史相关的各种信息。软件分析可以直接发现各种软件制品中的缺陷和问题,例如不一致的需求描述、被违反的设计原则、代码坏味道、潜在漏洞和缺陷等。其中,针对代码的静态分析是主要的软件分析手段,涉及语法分析、类型分析、数据流/控制流分析等基本分析技术,符号执行、切片分析等辅助分析技术,以及克隆分析、规范检查、漏洞扫描等针对特定目的的分析技术。
软件分析是指对软件制品进行人工或者自动分析,以验证、确认或发现软件性质(或者规约、约束)的过程或活动~\cite{梅宏2009软件分析技术进展}。软件分析的对象覆盖了文档、代码(源代码或二进制代码)、运行时系统\xxm{运行中的系统?}、开发历史等不同形态,相应的分析技术也包括静态分析、动态分析和开发历史分析等。其中,静态分析在不运行程序的情况下,对文档和代码进行分析,抽取各种性质及抽象表示并对各种问题进行检查;动态分析通过程序插装等手段获取程序的运行时信息,在此基础上对程序的行为进行分析;开发历史分析对软件版本库等开发库中所记录的开发历史进行分析,获得与软件演化历史相关的各种信息。软件分析可以直接发现各种软件制品中的缺陷和问题,例如不一致的需求描述、被违反的设计原则、代码坏味道、潜在漏洞和缺陷等。其中,针对代码的静态分析是主要的软件分析手段,涉及语法分析、类型分析、数据流/控制流分析等基本分析技术,符号执行、切片分析等辅助分析技术,以及克隆分析、规范检查、漏洞扫描等针对特定目的的分析技术。
软件测试通过人工或自动的方式运行被测试的软件,检验其运行结果或行为是否与预期相符,其目的是发现软件中潜在的错误和问题。测试应当经过设计,并在测试用例的驱动下进行。测试用例一般包括输入、环境配置、测试步骤和期望输出。软件测试可以在不同层次上进行,包括单元测试\index{单元测试}、集成测试\index{集成测试}、系统测试\index{系统测试}和验收测试\index{验收测试}。此外,在软件进行修改后为确认修改未引入新的错误还需要重新运行相关的测试用例,即进行回归测试\index{回归测试}。软件测试的基本过程包括测试计划、测试用例设计、测试执行、测试结果分析等步骤。其中,测试用例设计是关键,一方面要确保对软件运行过程中的各种可能性有较高的覆盖度,另一方面要限制测试用例数量以节省测试时间和成本。相应的测试用例设计方法主要包括白盒测试\index{白盒测试}和黑盒测试\index{黑盒测试}两类,同时与各种测试用例选取和排序等辅助技术相结合。为了缩短测试时间、节省测试成本,自动化测试技术受到了很大关注,包括自动化的测试用例生成、执行和结果分析。
\subsection{软件工程工具}
软件工程工具,或软件工具,是用来辅助计算机软件的开发、运行、维护、管理、支持等过程中活动或任务的一类软件。早期的软件开发所用到的引导程序、装入程序、编辑程序等都可以看作是最早的软件工具。在汇编语言和高级程序设计语言出现以后,汇编程序、解释程序、编译程序、连接程序和排错程序构成了早期的软件工具集。在软件工程出现后,支持软件需求分析、设计、编码、测试、维护和管理等活动的软件工具逐渐发展起来,从各个阶段支持着软件开发过程,并且自然而然出现了工具集成的需要,使得各个工具能够协同操作。
软件开发环境由软件工具和环境集成机制构成,是支持软件产品开发的软件系统~\cite{张效祥2005计算机科学技术百科全书}。软件开发环境在工具集成的需求中开始萌芽上世纪70年代中后期出现了软件工具箱Toolkit的思想在软件开发过程中使用成套的多个软件工具。80年代起出现了支持图形设计方式的第二代软件工具和集成这些工具为一体的软件开发环境采用环境信息库支持软件开发模型和开发方法并且集成机制有了较大发展。90年代开始出现支持面向对象方法和技术的软件开发环境。我国“七五”“八五”科技攻关中研制的\index{青鸟软件开发环境},是当时先进的软件开发环境,具有较为完善的集成化软件开发支撑能力。
软件开发环境由软件工具和环境集成机制构成,是支持软件产品开发的软件系统~\cite{张效祥2005计算机科学技术百科全书}。软件开发环境在工具集成的需求中开始萌芽上世纪70年代中后期出现了软件工具箱Toolkit的思想在软件开发过程中使用成套的多个软件工具。80年代起出现了支持图形设计方式的第二代软件工具和集成这些工具为一体的软件开发环境采用环境信息库支持软件开发模型和开发方法并且集成机制有了较大发展。90年代开始出现支持面向对象方法和技术的软件开发环境。我国“七五”“八五”科技攻关中研制的青鸟软件开发环境\index{青鸟软件开发环境},是当时先进的软件开发环境,具有较为完善的集成化软件开发支撑能力。
21世纪以来随着互联网和移动通信的普及软件工具和软件开发环境的用途和种类进一步拓展出现了支持软件国际化、软件开发协同工作、开源软件库和开源社区环境以及支持互联网、物联网和云计算的基础软件和应用测试支撑工具。软件开发环境不仅支持时间上的松耦合开发还支持空间上的分布开发并且开始以协同开发思想为基础更强调多相关方、多工具、多活动的协同开发支撑使得软件产品相关的所有利益相关方能在互动的软件开发协作过程中实现包括需求管理、项目管理、软件部署和运行监控等活动在内的完整的软件生存周期过程支撑。

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@Book{brooks1995the,
author = {Brooks, Frederick},
title = {The mythical man-month : essays on software engineering},
publisher = {Addison-Wesley Publishing Company},
year = {1995},
address = {Reading, Massachusetts},
isbn = {9780201835953}
}
@ARTICLE{Brooks1987Computer,
author={ {Brooks}},
journal={Computer},
title={No Silver Bullet Essence and Accidents of Software Engineering},
year={1987},
volume={20},
number={4},
pages={10-19},
keywords={Silver;Software engineering;Costs;Hardware;Technological innovation;Roads;Project management;Computer industry;Industrial accidents;Diseases},
doi={10.1109/MC.1987.1663532},
ISSN={1558-0814},
month={April},}
@inproceedings{10.1145/2830903.2830906,
author = {Liskov, Barbara},
title = {Perspectives on System Languages and Abstraction},