From 027583195c8c51355e66cb52be8ea4e4ce3c4e1c Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: Xin Peng Date: Thu, 13 Feb 2020 22:10:11 +0800 Subject: [PATCH] Ji's revision of Ch2-1 --- Ch2-1-Overview.tex | 59 +++++++++++++++++++++++----------------------- 1 file changed, 29 insertions(+), 30 deletions(-) diff --git a/Ch2-1-Overview.tex b/Ch2-1-Overview.tex index a4e88a3..8f4832d 100644 --- a/Ch2-1-Overview.tex +++ b/Ch2-1-Overview.tex @@ -1,49 +1,48 @@ % !TEX root = main.tex - \section*{总论} + %\section*{总论} %软件承载着文明\footnote{“Our civilization runs on software.” —C++之父Bjarne Stroustrup.}。 %\footnote{这里所谓人是指系统中的人类参与者及其社会关系，机是指计算平台和信息空间的数据、软件服务等各种资源，物是指数字化的设备装置和可传感的物品。或曰“信息-物理-社会”三元融合系统。} - - 软件学科历史回顾和发展规律论证了：软件是以计算为核心手段实现应用目标的解决方案；软件学科是研究以软件求解应用问题的理论、原则、方法和技术，以及相应的工具支持和生态环境的学科。也就是说，软件学科本质上是一门方法论学科~\cite{Wirth:2008:BHS:1449571.1449577}。其带来的是一种人类思维的创新，以人机共融的方式延伸了单纯人脑思维，形成了一种前所未有的创造力。随着软件应用范围的扩张、软件计算平台的泛化和软件方法技术的发展，软件学科的边界不断拓展，内涵不断深化。本章总论“软件作为基础设施”这一发展趋势，进而以系统观、形态观、价值观和生态观四个视角探讨软件学科的方法论新内涵。 + 如第一章中所述，软件是以计算为核心手段实现应用目标的解决方案；软件学科是研究以软件求解应用问题的理论、原则、方法和技术，以及相应的工具支持和生态环境的学科。也就是说，软件学科本质上是一门方法论学科~\cite{Wirth:2008:BHS:1449571.1449577}。其带来的是一种人类思维的创新，以人机共融的方式延伸了单纯人脑思维，形成了一种前所未有的创造力。随着软件应用范围的扩张、软件计算平台的泛化和软件方法技术的发展，软件学科的边界不断拓展，内涵不断深化。本章总论“软件作为基础设施”这一发展趋势，进而以系统观、形态观、价值观和生态观四个视角探讨软件学科的方法论新内涵。 \section{软件作为基础设施} - 从人类社会信息化的角度看，软件的基础设施地位具体表现为两个方面。一方面，软件自身已成为信息技术应用基础设施的重要构成成分，以平台方式为各类信息技术应用和服务提供基础性能力和运行支撑。另一方面，软件正在 “融入”到支撑整个人类经济社会运行的“基础设施”中，特别是随着以互联网和其他网络（包括电信网、移动网、物联网等）的不断交汇融合，软件正在对传统物理世界基础设施和社会经济基础设施进行重塑和重构，通过软件定义的方式赋予其新的能力和灵活性，成为促进生产方式升级、生产关系变革、产业升级、新兴产业和价值链的诞生与发展的重要引擎。因而，计算成为了人类与物理世界互动的中介，软件成为了创造新文明的载体，软件“赋能、赋值”的作用正在被加速和加倍放大，对人类社会的运行和人类文明的发展进步起到重要支撑作用。大规模、高效率地生产高质量的软件产品和提供软件服务的能力已成为社会经济升级发展的新动能，构成国家的一种核心竞争力。 + 从人类社会信息化的角度看，软件的基础设施地位具体表现为两个方面。一方面，软件自身已成为信息技术应用基础设施的重要构成成分，以平台方式为各类信息技术应用和服务提供基础性能力和运行支撑。另一方面，软件正在 “融入”到支撑整个人类经济社会运行的“基础设施”中，特别是随着以互联网和其他网络（包括电信网、移动网、物联网等）的不断交汇融合，软件正在对传统物理世界基础设施和社会经济基础设施进行重塑和重构，通过软件定义的方式赋予其新的能力和灵活性，成为促进生产方式和生产关系变革、产业转型升级、新兴产业和价值链的诞生与发展的重要引擎。因而，计算成为了人类与物理世界互动的中介，软件成为了创造新文明的载体，软件“赋能、赋值”的作用正在被加速和加倍放大，对人类社会的运行和人类文明的发展进步起到重要支撑作用。大规模、高效率地生产高质量的软件产品和提供软件服务的能力已成为社会经济升级发展的新动能，成为国家的一种核心竞争力。 软件成为人类社会基础设施是社会信息化进程不断加深的必然结果，其技术基础是“计算的泛在化”和“软件定义一切”。 - “计算的泛在化”是指计算变得无处不在而又无迹可寻~\cite{SciAme91}。互联网和其他网络（包括电信网、移动网、物联网等）的交汇融合，进一步推动了人类社会、信息空间、物理世界的融合。计算设备、网络设备、存储设备与各类传感器设备、判断设备、决策设备、作动设备所形成的数量众多、大大小小的平台互联融合，成为一体；与此同时，对于所服务的用户而言，计算自然融入人类生产、生活活动环境和过程之中，无需关注，不着痕迹，形成新的人机物融合计算环境。人机物融合标志着我们从终端互联、用户互联、应用互联开始走向万物互联，信息技术及其应用更加无处不在，“大数据”现象随之产生，信息化的第三波浪潮正在开启。 + “计算的泛在化”是指计算变得无处不在而又无迹可寻。互联网和其他网络（包括电信网、移动网、物联网等）的交汇融合，进一步推动了人类社会、信息空间、物理世界的融合。计算设备、网络设备、存储设备与各类传感器设备、判断设备、决策设备、作动设备所形成的数量众多、大大小小的平台互联融合，成为一体；与此同时，对于所服务的用户而言，计算自然融入人类生产、生活活动环境和过程之中，无需关注，不着痕迹，形成新的人机物融合计算环境。人机物融合标志着我们从终端互联、用户互联、应用互联开始走向万物互联，信息技术及其应用更加无处不在，“大数据”现象随之产生，信息化的第三波浪潮正在开启。 - “软件定义”是指软件以平台化的方式，向下管理各种资源，向上提供编程接口，其核心途径是资源虚拟化以及功能可编程~\cite{cccf15}。需要注意的是，“软件定义”与“软件化”是不同的两个概念。“软件化”仅仅描述了根据业务需求来开发具有相应功能的软件应用系统的过程；而“软件定义”则是一种技术手段，其关注点在于将底层基础设施资源进行虚拟化并开放API，通过可编程的方式实现灵活可定制的资源管理，适应上层业务系统的需求和变化。“软件定义一切”则将软件平台所管理的资源和提供的编程抽象泛化到包括计算、存储、网络、软件服务等在内的各类计算资源、包括各种数字化机电设备和可传感物体对象在内的各类物理资源、乃至可通过激励机制调配的人力资源。软件定义可递归分层，形成一种生长式、演化式的可扩展体系。这种软件定义的人机物融合平台逐渐呈现了“泛在操作系统”的发展方向~\cite{mei2018toward}。 + “软件定义”是指软件以平台化的方式，向下管理各种资源，向上提供编程接口，其核心途径是资源虚拟化以及功能可编程。需要注意的是，“软件定义”与“软件化”是不同的两个概念。“软件化”仅仅描述了根据业务需求来开发具有相应功能的软件应用系统的过程；而“软件定义”则是一种技术手段，其关注点在于将底层基础设施资源进行虚拟化并开放API，通过可编程的方式实现灵活可定制的资源管理，适应上层业务系统的需求和变化。“软件定义一切”则将软件平台所管理的资源和提供的编程抽象泛化到包括计算、存储、网络、软件服务等在内的各类计算资源、包括各种数字化机电设备和可传感物体对象在内的各类物理资源、乃至可通过激励机制调配的人力资源。软件定义可递归分层，形成一种生长式、演化式的可扩展体系。这种软件定义的人机物融合平台逐渐呈现了“泛在操作系统”的发展方向。 + + “软件定义一切”实质上是通用可编程思想在各个领域的应用，是一种以软件实现分层抽象的方式来驾驭复杂性的方法论。数字化使得几乎所有的设备都包含了独立或者集成的计算设备，完成“感知、判断、控制、作动”闭环的部分或者全部。这个改变是信息化发展的基础，使得现代设备或装置往往都具备编程控制的能力，推动了人们基于通用计算机的思维架构（人们将其总结成计算思维）来理解和求解各领域问题。可见，“软件定义一切”（SDX）意味着构造针对“X”的“操作系统”。未来的面向人机物融合的软件平台，就是对海量异构基础设施资源进行按需、深度软件定义而形成的“泛在”操作系统（Ubiquitous Operating System）。 - “软件定义一切”实质上是通用可编程思想在各个领域的应用，是一种以软件实现分层抽象的方式来驾驭复杂性的方法论。数字化使得几乎所有的设备都包含了独立或者集成的计算设备，完成“感知、判断、控制、作动”闭环的部分或者全部。这个改变是信息化发展的基础，使得现代设备或装置往往都具备编程控制的能力，推动了人们基于通用计算机的思维架构（人们将其总结成计算思维~\cite{SIGCSE07CompThinking}）来理解和求解各领域问题。可见，“软件定义一切”（SDX）意味着构造针对“X”的“操作系统”。未来的面向人机物融合的软件平台，就是对海量异构基础设施资源进行按需、深度软件定义而形成的“泛在”操作系统（Ubiquitous Operating System）。 - \section{软件学科范畴的拓展} 作为一门方法论学科，软件学科拓展的驱动力来自软件应用范围扩张、计算平台的泛化和软件方法技术本身发展三个方面。 - 从软件应用范围扩张的角度看，正如上文所述，计算日益变得无处不在，“人-机-物”三元融合不断深入~\cite{jos19ma}。在此趋势下，从宏观上看，软件从实现计算的工具逐步转变为信息社会不可或缺的基础设施；从微观上看，软件的角色也从负责应用过程中孤立、确定的信息处理环节，转变为负责定义并协同整个应用涉及的“人-机-物”各类资源，实现应用价值。软件作为系统解决方案，涉及的范畴扩展到各类物理设备、物品和人类的主观体验与价值实现；因而软件学科无可避免地涉及到控制科学、系统科学以及心理学、管理学、社会学等范畴的问题，并以软件学科自身的方法论将其内化和拓展。 + 从软件应用范围扩张的角度看，正如上文所述，计算日益变得无处不在，“人-机-物”三元融合不断深入。在此趋势下，从宏观上看，软件从实现计算的工具逐步转变为信息社会不可或缺的基础设施；从微观上看，软件的角色也从负责应用过程中孤立、确定的信息处理环节，转变为负责定义并协同整个应用涉及的“人-机-物”各类资源，实现应用价值。软件作为系统解决方案，涉及的范畴扩展到各类物理设备、物品和人类的主观体验与价值实现；因而软件学科无可避免地涉及到控制科学、系统科学以及心理学、管理学、社会学等范畴的问题，并以软件学科自身的方法论将其内化和拓展。 - 从软件依赖的计算平台泛化的角度看，计算平台已经从传统的集中式单机发展到并行与分布式平台，再到今天的“云-边-端”异构多态计算平台~\cite{jos19dongcha}。这个网络化计算平台不仅包括传统的互联网，还融合了传感网、物联网、移动互联网、社交网等，标志着计算平台不断向物理世界和人类社会快速延伸，形成了一种泛化的计算平台。软件定义技术为这个“人-机-物”融合的平台提供可编程计算抽象。同时，这个计算平台也使得关于“人-机-物”融合的应用场景的海量数据不断被收集、处理和积累，成为平台上的重要资源。软件作为应用解决方案，在这个计算平台之上利用数据资源，协同人机物，实现应用价值；同时也通过在这个平台上提供服务，并进一步积累数据，从而不断拓展这个计算平台。 + 从软件依赖的计算平台泛化的角度看，计算平台已经从传统的集中式单机发展到并行与分布式平台，再到今天的“云-边-端”异构多态计算平台。这个网络化计算平台不仅包括传统的互联网，还融合了传感网、物联网、移动互联网、社交网等，标志着计算平台不断向物理世界和人类社会快速延伸，形成了一种泛化的计算平台。软件定义技术为这个“人-机-物”融合的平台提供可编程计算抽象。同时，这个计算平台也使得关于“人-机-物”融合的应用场景的海量数据不断被收集、处理和积累，成为平台上的重要资源。软件作为应用解决方案，在这个计算平台之上利用数据资源，协同人机物，实现应用价值；同时也通过在这个平台上提供服务，并进一步积累数据，从而不断拓展这个计算平台。 - 从软件方法技术发展的角度看，当前软件的基本形态、所实现的逻辑推理形式、软件开发的隐喻（metaphor）模式、软件的生态环境、元级方法论都在发生深刻的改变。软件的基本形态从计算机硬件的附属品到独立的软件产品，再到云化的软件服务，继而转变为无处不在而又无迹可寻的泛在服务。软件所实现的逻辑推理形式在基于规则的演绎之上发展出数据驱动的归纳，统计机器学习技术就是后者的典型表现。软件开发的隐喻模式经历了从实现数学计算到模拟物理世界，再到虚实融合创造的转变。对软件作为客体对象的考察从以个体及其生产使用为主扩展到在生态的层面上考虑软件及其利益相关者群体的竞争、协作等社会性特征。在元级方法论层面，正从以还原论为主向系统论发展，软件作为解决方案越来越多地被视为开放环境中的复杂适应系统，而不是封闭规约下的确定行为系统。 + 从软件方法技术发展的角度看，当前软件的基本形态、所实现的逻辑推理形式、软件开发的隐喻（metaphor）模式、软件的生态环境、元级方法论都在发生深刻的改变。软件的基本形态从计算机硬件的附属品到独立的软件产品，再到云化的软件服务，继而转变为无处不在而又无迹可寻的泛在服务。软件所实现的逻辑推理形式在基于规则的演绎之上发展出数据驱动的归纳，统计机器学习技术就是后者的典型表现。软件开发的隐喻模式\footnote{即软件开发从问题空间向解空间的映射模式}经历了从实现数学计算到模拟物理世界，再到虚实融合再创造的转变。对软件作为客体对象的考察从以个体及其生产使用为主扩展到在生态的层面上考虑软件及其利益相关者群体的竞争、协作等社会性特征。在元级方法论层面，正从以还原论为主向系统论发展，软件作为解决方案越来越多地被视为开放环境中的复杂适应系统，而不是封闭规约下的确定行为系统。 随着软件学科的不断拓展，它也逐渐成为一门基础学科，并向其他学科渗透。所谓基础学科，是指某个拓展人类可认识改造的世界疆域之不可替代知识体系，具有独特的思维方式与方法论，为其他学科发展提供不可或缺的支撑。软件学科日益呈现出这些特征：软件是把物理世界拓展为信息-物理-社会融合世界的主要手段；与此同时，“软件定义”赋能的计算思维有可能成为继实验观察、理论推导、计算仿真、数据密集型科学之后的新的研究手段，尤其是为以信息-物理-社会融合系统为对象的科学研究提供赖以运作的理论基础和实践规范。而以软件知识为主体的计算机教育已经成为包括我国在内的多个国家的国民基础教育课程体系的主要内容之一。 %其一个标志是其基础内容进入国民基础教育课程体系。 \section{软件科学的新理解} - 一般而言，驾驭系统固有复杂性的基本途径是有效抽象和层次分解~\cite{tse86ood}。与其他人工制品不同，软件是纯粹的逻辑产品，原则上只受能行可计算的限制，可以实现最纯粹的抽象，也可以支持最具扩展性的层次分解。回顾软件学科的发展，贯穿始终的主题是围绕建立抽象、实现抽象和使用抽象，以软件范型基础，软件构造方法、软件运行支撑、软件度量和质量评估相互促进、螺旋上升的过程。由于软件在应对复杂性方面具有独特优势，软件成为了各类复杂应用系统的“万能集成器”，也成为了各类人造复杂系统的核心，并且这些系统的复杂性往往集中体现为软件的复杂性。 + 一般而言，驾驭系统固有复杂性的基本途径是有效抽象和层次分解。与其他人工制品不同，软件是纯粹的逻辑产品，原则上只受能行可计算的限制，可以实现最纯粹的抽象，也可以支持最具扩展性的层次分解。回顾软件学科的发展，贯穿始终的主题是围绕建立抽象、实现抽象和使用抽象，以软件范型为基础，软件构造方法、软件运行支撑、软件度量和质量评估相互促进、螺旋上升的过程。由于软件在应对复杂性方面具有独特优势，软件成为了各类复杂应用系统的“万能集成器”，也成为了各类人造复杂系统的核心，并且这些系统的复杂性往往集中体现为软件的复杂性。 - 在软件作为基础设施、软件定义一切的背景下，软件进一步成为构造开放环境下复杂系统的关键。在展望软件学科在新时代所面临的挑战与机遇之前，我们首先在元级方法学，也就是研究方法学的层面上观察讨论软件学科内涵的若干新视角，包括以驾驭复杂性为目标的系统观、以泛在服务和持续演化为特征的形态观、以使用质量为核心的价值观、以及关注群体协作平衡的生态观。 + 在软件作为基础设施、软件定义一切的背景下，软件进一步成为构造开放环境下复杂系统的关键。在展望软件学科在新时代所面临的挑战与机遇之前，我们首先在元级方法学，也就是研究方法学的层面上讨论观察软件学科内涵的若干新视角，包括以驾驭复杂性为目标的系统观、以泛在服务和持续演化为特征的形态观、以使用质量为核心的价值观、以及关注群体协作平衡的生态观。 \subsection{系统观} 所谓软件学科的系统观，有三层含义。 - 第一层含义是复杂系统。现代软件系统的复杂性体现在其前所未有的代码规模、软件处理的数据量、软件用户量和使用的多样性、软件通过网络形成的连接量和种类、涉及承载运行的计算和物理设备量和种类等方面，也体现在其所处环境的开放性和由于“人在回路”所带来的不确定性~\cite{computer13human}。这使得看待软件的视角从封闭静态环境下的确定行为系统向开放动态环境中的可适应、可成长的系统、从单体系统向系统之系统转变。 + 第一层含义是复杂系统。现代软件系统的复杂性体现在其前所未有的代码规模、软件处理的数据量、软件用户量和使用的多样性、软件通过网络形成的连接量和种类、涉及承载运行的计算和物理设备量和种类等方面，也体现在其所处环境的开放性和由于“人在回路”所带来的不确定性。这使得看待软件的视角从封闭静态环境下的确定行为系统向开放动态环境中的可适应、可成长的系统、从单体系统向系统之系统转变。 第二层含义是系统论。对于上述复杂软件系统，常常难以用其组成部件的性质去解释其整体性质。此时单纯依赖还原论方法难以驾驭其复杂性，需要借鉴系统论方法，超越还原论。 @@ -51,11 +50,11 @@ \subsubsection{系统观下的软件学科发展} - 软件作为人类智力产品，无论是软件制品本身，还是软件开发、使用过程和场景都与万物和人类有着紧密关联，其开发和运行的网络化、服务化\cite{mei2006abc}，以及软件基础设施化都触发了软件生产方式、计算平台和运行方式的变革。软件创新从个人、组织智慧发展到群体智慧创新。软件科学与自然科学、社会科学等各领域产生了千丝万缕的联系，信息物理融合、软件社会化、大数据时代的软件新形态使得软件必然成为技术-社会系统（Socio-technical System）。人机物融合的软件系统，其复杂性本身就呈现在系统乃至系统之系统的层面上，综合性和系统性也愈来愈强。系统观要求软件科学体系需超越传统还原论的思维藩篱。 + 软件作为人类智力产品，无论是软件制品本身，还是软件开发、使用过程和场景都与万物和人类有着紧密关联，其开发和运行的网络化、服务化\cite{cite网构软件书}，以及软件基础设施化都触发了计算平台、软件生产方式和运行方式的变革。软件创新从个人、组织智慧发展到群体智慧创新。软件科学与自然科学、社会科学等各领域产生了千丝万缕的联系，信息物理融合、软件社会化、大数据时代的软件新形态使得软件必然成为技术-社会系统（Socio-technical System）。人机物融合的软件系统，其复杂性本身就呈现在系统乃至系统之系统的层面上，综合性和系统性也愈来愈强。系统观要求软件科学体系需破除传统还原论的思维藩篱。 近年来，软件科学在系统观方向上进行了不少探索，包括：基于复杂网络来认识大规模软件系统的整体性质、基于多自主体的软件系统和方法、复杂自适应软件与系统、群体化软件开发方法等。网络化和大数据催发了融合软件系统与系统论研究的切入点，数据驱动的软件性能优化甚至软件设计初显端倪。通过对软件代码大数据特别是动态运行大数据的分析，软件性能优化在云计算平台等一些特定场景获得很大成功。对于数据驱动的软件设计，人们不再遵循传统的自顶向下、分而治之、逐步精化的经典还原论法则，而是采用一种基于输入输出的黑盒的数据描述，训练出深度神经网络，充当所需要的软件。这种基于深度学习的方法从海量的样本中归纳出神经网络，其泛化能力可视为通过神经元系统的涌现而达成的功能。然而，这些研究仍处于方法层次，还未到达方法论的层次，即关于研究问题需要遵循的途径和研究路线，也可视作具体方法的元级层次。 - 新的软件方法学的关键在于如何认识因果和相关。因果观是有前提的，相对的；相关性是绝对的。软件发展在人机物融合时代，人在回路、“拟人化”计算（Human Computation）、人机共融等需要关于软件规律的元级方法论创新。 + 新的软件方法学的关键在于如何认识因果和相关。因果观是有前提的，相对的；相关性是绝对的；探寻因果是认知的必需，也是追求。软件发展在人机物融合时代，人在回路、“拟人化”计算（Human Computation）、人机共融等需要关于软件规律的元级方法论创新。 在软件系统的建模方面，软件将从单纯信息处理向“场景计算”发展，这里的场景包括物理环境和社会环境。软件与软件所处的环境或应用场景共同决定了软件的特性和价值，包括功能、性能、安全、可靠等。软件将作用于环境，并且可以改变自身结构以适应环境变化和影响环境的需求。 @@ -71,20 +70,20 @@ \item 以复杂适应性软件系统为抓手，形成元级反射和学习赋能相结合的元级化理论，以此研究泛在操作系统的基本理论、关键技术和实现平台，为人机物融合的资源和应用场景建模提供计算的平台抽象； -\item 推进数据驱动软件开发方法的发展，打通经典软件方法与数据驱动软件方法的界限，突破大数据分析的可解释性和常识推理问题，为涌现现象规律的认识、解释、设计建立基础理论和方法。 +\item 推进数据驱动软件开发方法的发展，打通传统软件方法与数据驱动软件方法的界限，突破大数据分析的可解释性和常识推理问题，为涌现现象规律的认识、解释、设计建立基础理论和方法。 \end{enumerate} 展望未来，多自主体形成的协同与自组织以及自适应结构和能力、网络化产生的大数据与数据语义的复杂网络，将是软件系统在传统规则驱动基础上走向人机物融合超大规模系统的基础。软件作为复杂系统乃至复杂巨系统，软件科学将与系统学共同发展—软件方法学将吸收系统论成果，并支撑系统论和系统学的发展。 \subsection{形态观} - 随着计算机技术的发展和计算机应用的不断深入，软件的外在形态逐步从硬件附属物、独立的软件制品发展到网络化服务。与之相对应，软范型也经历了无结构、结构化、面向对象、面向构件、面向服务的发展历程。当前，软件范型进一步向网构化以及数据驱动的方向发展。其应用形态在空间维度上，随着软件应用的范围越来越广、对于人类生活和现实世界的渗透力越来越强，呈现出泛在化的趋势；在时间维度上，随着应用上下文环境及用户需求的变化不断适应和演化，呈现出持续成长的趋势。 + 随着计算机技术的发展和计算机应用的不断深入，软件的外在形态逐步从硬件附属物、独立的软件制品发展到网络化服务。与之相对应，软件范型也经历了无结构、结构化、面向对象、基于构件、面向服务的发展历程。当前，软件范型进一步向网构化以及数据驱动的方向发展。其应用形态在空间维度上，随着软件应用的范围越来越广、对于人类生活和现实世界的渗透力越来越强，呈现出泛在化的趋势；在时间维度上，随着应用上下文环境及用户需求的变化不断适应和演化，呈现出持续成长的趋势。 \subsubsection{软件应用的泛在化} 计算和信息处理早已通过各种移动设备、嵌入式设备以及各种传感器渗透到了我们日常生活的方方面面，并通过各种通信技术实现了广泛的设备互连和信息互通。各种软件应用以嵌入式的方式实现预定义的信息处理和通信功能。近些年来，信息技术呈现软件定义一切的发展趋势，即软件全面接管人类社会以及物理社会中的各种资源（包括物理、计算和人力资源），以各种形式的接口对外提供服务。这一发展建立在软件的云化与服务化基础上，这使得软件的核心能力脱离了固化的用户界面和使用环境，可以按需灵活获取并组合。另一方面，硬件专用化使得运行在各种面向特定用途的硬件设备上的软件应用能够获得更好的执行效率。 面向最终用户的软件应用将越来越多地以人机物融合应用的形态出现，即软件以平台化、定制化和集成化的方式融合人、机、物三个方面的资源和服务从而满足用户的各种需求。这种新型的人机物融合应用具有泛在化、社会化、情境化、智能化的特点，即：软件应用无处不在同时又无迹可寻；所融合的人机物资源具备社会属性，来自于不同所有者并以社会化的方式产生价值交换；软件应用面向最终用户所处的情境按需构造，以满足即时的用户需求为目标；软件应用在智能化技术基础上，以非预设的方式按需聚合人机物资源并进行定制。 \subsubsection{软件应用的持续成长} - 越来越多的软件都已具备面向动态变化环境的适应性和面向需求变化的演化性。软件通过监控、分析、决策、执行的元级反馈环路对其结构和行为进行调控，并通过不断演化来保持其可用性。快速响应变更请求并实现持续的软件演化是软件产品保持竞争优势的一个必要条件。在过去的几十年中，软件开发的主流方法已经从以瀑布模型为代表的计划驱动的方法演变为以敏捷开发为代表的快速迭代开发方法。基于云的软件应用以及软件开发平台的发展进一步催生了开发运维一体化（DevOps）的技术趋势。由此反映出软件演化中的反馈和迭代周期越来越短，演化越来越频繁。另一方面，越来越多的软件应用以服务化和云化的方式运行，在提供服务的同时持续收集用户的行为及其反馈，并在云端汇聚形成软件用户大数据。这种不断积累的用户数据为软件应用的持续优化和改进提供了新的途径。数据驱动的软件演化方式反映了用户行为和体验的反馈已经在一定程度上成为掌握软件演化方向的主导力量。软件将逐步从被动演化转变为基于内生机制的持续生长。 + 越来越多的软件都已具备面向动态变化环境的适应性和面向需求变化的演化性。软件通过监控、分析、决策、执行的元级反馈环路对其结构和行为进行调控，并通过不断演化来保持其可用性。快速响应变更请求并实现持续的软件演化是软件产品保持竞争优势的一个必要条件。在过去的几十年中，软件开发的主流方法正在从以瀑布模型为代表的计划驱动的方法演变为以敏捷开发为代表的快速迭代开发方法。基于云的软件应用以及软件开发平台的发展进一步催生了开发运维一体化（DevOps）的技术趋势。由此反映出软件演化中的反馈和迭代周期越来越短，演化越来越频繁。另一方面，越来越多的软件应用以服务化和云化的方式运行，在提供服务的同时持续收集用户的行为及其反馈，并在云端汇聚形成软件用户大数据。这种不断积累的用户数据为软件应用的持续优化和改进提供了新的途径。数据驱动的软件演化方式反映了用户行为和体验的反馈已经在一定程度上成为掌握软件演化方向的主导力量。软件将逐步从被动演化转变为基于内生机制的持续生长。 \subsubsection{形态观下的软件学科发展} 在软件定义一切以及人机物融合的发展背景下软件应用的泛在化和持续成长的新特征对于软件学科将产生多个方面的影响。 @@ -105,11 +104,11 @@ \item 最终用户是人机物融合应用的使用者，同时也直接参与在其所见的人机物资源视图上构造应用。这方面涉及的科学问题是如何面向最终用户提供基于软件定义的建模方法并提供相应的编程模型和语言，技术层面包括如何发展示教编程（programming by demonstration）、图形化编排等面向非专业开发者的最终用户编程方法以及相配套的工具环境。 -\item 软件应用的泛在化要求各种面向通用目的开发的软件以解构再重构的方式，以用户为中心按需分布到泛在化、专用化的计算设备和运行平台上，从而适应应用按需融合与自适应、自演化的要求。这方面的科学问题在于如何为“解构再重构”建立抽象，技术层面包括：如何通过新型编译器、翻译器及其他系统软件工具支持遗留软件系统实现面向不同专用硬件和平台的高效定制和裁剪；如何基于超轻量级容器、泛在操作系统等新型系统软件支持泛在环境下软件部件的高效动态部署和运行。 +\item 软件应用的泛在化要求各种面向通用目的开发的软件以解构再重构的方式，以用户为中心按需分布到泛在化、专用化的计算设备和运行平台上，从而适应应用按需融合与自适应、自演化的要求。这方面的科学问题在于如何为“解构再重构”建立抽象，技术层面包括：如何通过新型编译器、翻译器及其他系统软件工具支持遗产软件系统实现面向不同专用硬件和平台的高效定制和裁剪；如何构建新型的泛在操作系统、支持泛在环境下软件部件的高效动态部署和运行。 \item 软件应用的持续生长要求软件以更加柔性的方式进行定义和构造，同时以更加智能化的方式实现软件的动态构造和更新。这方面的科学问题在于如何构建软件适应性演化、成长性构造的体系结构和核心机理，技术层面包括：如何通过运行时模型实现软件功能和实现策略的运行时定义；如何基于用户行为和反馈数据实现对于软件用户满意度及环境适应性的评价；如何根据用户目标、代码上下文及运行时反馈实现程序的自动合成和适应性调节。 -\item 软件作为“万能集成器”扮演着人机物融合时代万物互联平台的重要角色，向下通过软件定义的方式接入各种人机物资源，向上支撑面向最终用户的人机物融合应用场景的实现。这方面的问题包括：如何将传统软件系统中局限于确定系统边界之内的人机物交互建模与实现方式扩展到面向开放系统的人机物交互建模与实现方式？如何支持跨越人机物三元空间的统一的数据流、控制流和状态空间表示及运行时制成？如何面向用户需求实现人机物资源的统一调度并确保开放环境下的可信交互？ +\item 软件作为“万能集成器”扮演着人机物融合时代万物互联平台的重要角色，向下通过软件定义的方式接入各种人机物资源，向上支撑面向最终用户的人机物融合应用场景的实现。这方面的科学问题在于如何支持跨越人机物三元空间的统一的数据流、控制流和状态空间抽象及运行时代码自动生成？技术层面包括：如何将传统软件系统中局限于确定系统边界之内的人机物交互建模与实现方式扩展到面向开放系统的场景；如何面向用户需求实现人机物资源的统一调度并确保开放环境下的可信交互。 \end{enumerate} @@ -127,7 +126,7 @@ （2）安全性 - 安全性要求为人类活动和生存环境提供必要的安全保障，包括系统安全（Safety）和信息安全（Security）。系统安全是指能及时有效地避免给人员、设施、环境、经济等造成严重损害，信息安全是指能有效防控各类的非法获取、传播和使用。软件信息安全保障失效的后果之一就是系统安全故障，因此，本书将两种安全性合二为一，统称为安全性（Safety \& Security）。传统软件质量观将安全视作系统质量的一部分，强调软件个体的安全性。随着人机物融合，软件系统已融入人类社会，并与人类无缝交互。换言之，泛在计算平台上软件与软件、软件与人的交互无处不在，软件个体可影响整个泛在网络计算平台的行为；软件个体的漏洞等故障很容易扩散（传播）。软件作为基础设施，参与并掌控了很多关键领域的资源，其安全性威胁会给整个系统带来致命的威胁。因此，安全性随着软件成为基础设施的现状变得愈发重要。 + 安全性要求为人类活动和生存环境提供必要的安全保障，防危安全（Safety）和信息安全（Security）。防危安全是指能及时有效地避免给人员、设施、环境、经济等造成严重损害，信息安全是指能有效防控各类的非法获取、传播和使用。软件信息安全保障失效的后果之一就是防危安全故障，因此，本书将两种安全性合二为一，统称为安全性（Safety \& Security）。传统软件质量观将安全视作系统质量的一部分，强调软件个体的安全性。随着人机物融合，软件系统已融入人类社会，并与人类无缝交互。换言之，泛在计算平台上软件与软件、软件与人的交互无处不在，软件个体可影响整个泛在网络计算平台的行为；软件个体的漏洞等故障很容易扩散（传播）。软件作为基础设施，参与并掌控了很多关键领域的资源，其安全性威胁会给整个系统带来致命的威胁。因此，安全性随着软件成为基础设施的现状变得愈发重要。 （3）伦理 @@ -161,10 +160,10 @@ 其次，生态系统的关键元素是个体、代码、项目，三者互相融合、依赖和影响。个体之间、代码之间、项目之间存在各种依赖，网状的依赖形成各种供应链。个体、代码和项目之间因为彼此依存也存在各种影响，故而生态的要义在于供应链的形成和各种影响的相互作用需要抵达平衡。 - 第三，生态系统是由人类智能和机器智能交互并融合而实现的。人类智能体现为分布在全球的开发者和用户；机器智能体现为支撑分布式开发和使用的工具与基础设施，支持人们更好地协作、开发和无处不在的使用，并且在开发和使用活动中不断迭代增强。通过众多的个体认知的汇聚，以及商业和宏观调控角度的战略调控，人类智能和机器智能凝练为代码和产品，并向混合群体智能方向发展。 + 第三，生态系统是由人类智能和机器智能交互并融合而实现的。人类智能体现为分布在全球的开发者和用户；机器智能体现为支撑分布式开发和使用的工具与基础设施，支持人们更好地协作、开发和无处不在的使用，并且在开发和使用活动中不断迭代增强。通过众多的个体认知的汇聚，以及商业和宏观调控角度的战略调控，人类智能和机器智能凝练为代码和产品，并向群体混合智能方向发展。 \subsubsection{生态观下关键科学问题} - 软件从过去的个体作坊开发，到不同组织内或组织间参与下的组织式开发，发展到了数以万计互相依赖的软件形成的供应链和庞大的生态系统下的社会化开发。其转变给软件开发带来了前所未有的创新可能。同时，规模指数级增长的项目及其之间庞杂的依赖关系使得供应链复杂度激增，进而给软件开发和应用及市场带来诸多挑战。 + 软件从过去的个体作坊开发，到不同组织内或组织间人员混合参与的组织式开发，发展到了数以万计互相依赖的软件形成的供应链和庞大的生态系统下的社会化开发。其转变给软件开发带来了前所未有的创新可能。同时，规模指数级增长的项目及其之间庞杂的依赖关系使得供应链复杂度激增，进而给软件开发和应用及市场带来诸多挑战。 第一，个体开发者学习成本进一步增大。首先因为软件之间广泛存在的依赖和供应链关系使得掌握一个新的软件需要学习别的软件。例如，对某个软件进行调试需要学习的相关软件依赖包可能会很多。其次，复杂依赖关系带来了新的问题，涉及更多的学习内容。 %例如，不同开源项目遵循相应许可证（License）的约束，并且不同许可证之间存在兼容问题，这就要求开发者在借鉴开源代码时需要了解对应的许可证。 @@ -176,28 +175,28 @@ 第三，生态可持续性受到的威胁持续增加。软件供应链上的节点是组成生态的关键元素，它们互相依赖互相影响。一个软件的漏洞有可能使得其他依赖该软件的项目面临同样的威胁。 %例如，影响昭著的Heartbleed漏洞所涉及的OpenSSL项目中的两个文件至少存在于其他六千多个开源项目中。 - 各大企业因为软件供应链的存在对软件溯源有很大的需求。然而软件供应链上节点间的依赖关系隐藏在开发活动数据中，看不见摸不着但广泛存在，这就使得软件生态的可持续受到更多潜在威胁。而生态的形成和可持续发展影响到软件甚至信息产业的革新和发展。这方面的关键科学问题是：大规模代码和项目的供应链行为如何理解？产业生态如何形成，如何实现可持续发展？ + 各大企业因为软件供应链的存在对软件溯源有很大的需求。然而软件供应链上节点间的依赖关系隐藏在开发活动数据中，看不见摸不着但广泛存在，这就使得软件生态的可持续受到更多潜在威胁。而生态的形成和可持续发展影响到软件甚至信息产业的模式变革和发展。这方面的关键科学问题是：大规模代码和项目的供应链行为如何理解？产业生态如何形成，如何实现可持续发展？ 尽管有数千万个软件项目及超过一千亿的源代码文件，但人们对软件生态中供应链的形成和发展，及其可能带来的风险和挑战却知之甚少。随着软件生态系统的快速延展，各类供应链关系逐步显现，如开发供应、技术供应、以及产销供应等。供应链中数以千万计的个体开发者、软件项目、公司等围绕软件形成复杂生态的各种活动数据都由软件支持工具记录下来，可以方便的获取，这为公众或者企业自己更好地理解生态的形成和发展，以降低或消除上述生态中的风险、识别其他可能存在的风险提供了一种很好的方法。利用社会学理论对海量数据可视化出来的供应链网络进行分析，可以从个体学习、群体协作、以及生态持续的角度去识别评估风险，进而地更好保障软件生态的可持续发展。 - 综上，生态观对软件方法学带来显著的变化和跨越，软件学科跟其他学科的交叉性将更为凸显。软件和软件学科需要从以往关注个体软件的构建和运维转变到关注有广泛社会参与的软件体系的构建、运维和成长，以及软件生态的平衡和可持续发展。 + 综上，生态观对软件方法学带来显著的变化，软件学科跟其他学科的交叉性将更为凸显。软件和软件学科需要从以往关注个体软件的构建和运维转变到关注有广泛社会参与的软件体系的构建、运维和成长，以及软件生态的平衡和可持续发展。 \section{软件学科的发展趋势} -本书在第一篇总结了软件学科是由软件范型、软件开发方法、软件运行支撑、软件度量和质量评估四方面形成有机整体，其中软件范型是软件学科的核心内容，范型的变化牵引软件技术体系的变化。而上述系统观、形态观、价值观和生态观的新视角将引起软件范型的变化，并辐射到软件开发、运行和度量各个层面方法和技术的变革，进而对整体软件的生态与教育方面产生深刻的影响。 +本书在第一篇总结了软件学科是由软件范型、软件开发方法、软件运行支撑、软件度量和质量评估等四方面形成有机整体，其中软件范型是软件学科的核心内容范型的变化将牵引软件技术体系的变化。而上述系统观、形态观、价值观和生态观的新视角将引起软件范型的变化，并辐射到软件开发、运行和度量评估等各个层面方法和技术的变革，进而从整体软件的生态与教育方面产生深刻的影响。 -软件理论和软件语言方面将着力建立适应人机物融合的软件范型的基础性问题。软件理论的核心是从复杂系统的角度来建立构建正确、高效、可靠、安全软件系统的理论和算法基础，特别是需要应对大规模的数据与计算的算法理论，以及在新的硬件架构（异构多态）和计算平台（量子计算）下程序理论等等。与软件理论紧密相关，软件语言应重点研究领域和应用问题表达和求解的新抽象，加强大数据时代语言对数据处理的支持，以及开发人机物融合的泛在混合系统的编译技术，在领域特定语言和语言工程、多范式程序设计范式融合、软件语言和实现的内生安全等方面奠定软件定义的形态基础。 +软件理论和软件语言方面将着力解决如何建立适应人机物融合的软件范型这一基础性问题。软件理论的核心是从复杂系统的角度来建立构建正确、高效、可靠、安全软件系统的理论和算法基础，特别是需要应对大规模的数据与计算的算法理论，以及在新的硬件架构（异构多态）和计算平台（量子计算平台）下的程序理论等等。与软件理论紧密相关，软件语言应重点研究领域和应用问题表达和求解的新抽象，加强大数据时代语言对数据处理的支持，以及开发人机物融合的泛在混合系统的编译技术，在领域特定语言和语言工程、多范式程序设计范式融合、软件语言和实现的内生安全等方面奠定软件范型发展的基础。 软件构造方法将“软件定义”人机物融合的“场景计算机”，它要在万物互联的平台上持续演进地提供服务，具有自主性、协同性、演化性、情境性、涌现性和可信性等诸多特性。这在软件构造的技术方法和组织模式上均需要新方法和技术，包括：复杂场景分析与建模、软件自适应与自成长、基于人机协作的群智化软件开发、数据驱动的软件自动化、安全可信高度智能的开发运维一体化等。 软件运行支撑需要满足软件作为社会基础设施的规模、效能、持续、演进等诸多关键需求，并适应人机物融合的各类资源和应用场景的管理和实现。这将集中反映在未来的泛在操作系统与运行平台方面，需研究支持软件定义的新型运行平台架构、泛在资源的高效虚拟化和灵活调度、复杂软件系统持续适应演化的共性支撑、人机物融合过程中的安全与隐私保护等关键问题。 软件度量和质量评估是软件学科的科学观察、工程构造相交融的重要方面。未来的重要变化是在复杂系统和软件生态层面的科学观察并以此为基础开展在软件开发和运行层面的持续发展。以各类软件大数据为核心的度量抽象将揭示 -软件生态如何形成、如何可持续发展的基本规律，进而理解并驾驭大规模代码和项目的供应链行为、支持个体学习并加入复杂项目和生态，改进复杂生态中群体的协作。数据驱动和规则驱动将在软件质量与安全保障上发挥重要的作用。 +软件生态如何形成、如何可持续发展的基本规律，进而理解并驾驭大规模代码和项目的供应链及其变化、支持个体学习并加入复杂项目和生态，改进复杂生态中群体的协作。数据驱动和规则驱动将在软件质量与安全保障上发挥重要的作用。 “数据为中心”是人机物融合时代的最为突出的特征，数据工程和数据管理是未来软件构造和运行支撑的共性沉淀。在数据工程方面，需要应对异构数据整理、数据分析和数据安全与隐私保护等挑战。在数据管理方面，需研究如何管理大数据、特别是如何利用新硬件混合架构来实现大数据的管理。 -软件学科的发展呈现了纵横交错的发展态势，即共性沉淀和领域牵引相辅相成的格局，这在人机物融合时代复杂多变的应用和开放平台上将更为显现。在不同的应用领域，面对系统边界的可伸缩性、系统成分的异构性和系统模型的混成性，需研究各领域的环境建模及其软件定义方法、模型驱动场景感知和认知、异构资源的统一表示和封装、系统学习赋能机制及性能确保、异构模型的融合和验证以及空间分布系统的的时空一致性等关键技术问题，在共性方法上发展领域特定方法，并反馈于共性方法的发展，从而系统综合地把握“以纵带横、纵横交错、落实在横”的学科未来。 +软件学科的发展呈现了纵横交错的发展态势，即共性沉淀和领域牵引相辅相成的格局，这在人机物融合时代复杂多变的应用和开放平台上将更为显现。在不同的应用领域，面对系统边界的可伸缩性、系统成分的异构性和系统模型的混成性，需研究各领域的环境建模及其软件定义方法、模型驱动场景感知和认知、异构资源的统一表示和封装、系统学习赋能机制及性能确保、异构模型的融合和验证以及空间分布系统的的时空一致性等关键技术问题，在已有共性方法上发展领域特定方法，并反馈并带动新型共性方法的发展，从而系统综合地把握“以纵带横、纵横交错、落实在横”的学科未来。 软件学科的发展离不开软件教育体系、内容、方法、手段的变革。软件教育需要适应“软件定义一切”普及教育的需求，还要在顺应人机物融合时代特点的专业教育、融合软件学科知识的其他学科专业教育上有新发展。