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1、学术振兴计划系列报告学术振兴计划系列报告现代计算原理现代计算原理报告人报告人 蔡希尧蔡希尧2010.12.141目录目录 一认识计算科学一认识计算科学 二原理之一二原理之一 计算计算 三原理之二三原理之二 通信通信 四原理之三四原理之三 协同协同 五原理之四五原理之四 存储存储 六原理之五六原理之五 自动化自动化 七原理之六七原理之六 评估评估2目录目录 八原理之七八原理之七 设计设计 九原理之八九原理之八 安全性安全性 十原理之九十原理之九 虚拟化虚拟化 十一原理之十十一原理之十 系统系统 十二十二.发展与创新发展与创新3一认识计算科学一认识计算科学 计算是连续变化的信息流过程，研究计算是连
2、续变化的信息流过程，研究自然的和人工的信息过程计算的科学。自然的和人工的信息过程计算的科学。长期以来，物理学家和其他领域的科长期以来，物理学家和其他领域的科学家都认为信息过程是人造的计算机的人学家都认为信息过程是人造的计算机的人为现象。为现象。但他们逐渐发现，信息过程在自然界但他们逐渐发现，信息过程在自然界大量存在，是自然发生的，而研究这些过大量存在，是自然发生的，而研究这些过程需要计算机的参与。程需要计算机的参与。4一认识计算科学一认识计算科学 计算已经成为许多科学领域必不可少计算已经成为许多科学领域必不可少 的研究工具，从一种利用现有知识的工具的研究工具，从一种利用现有知识的工具发展成为发
3、现新的知识的方法。发展成为发现新的知识的方法。21世纪初，世纪初，计算最终被科学界认定是一门自然科学。计算最终被科学界认定是一门自然科学。物理学诺贝尔奖得主物理学诺贝尔奖得主Ken Wilson是最是最早一批人物，认为在传统的理论和实验以早一批人物，认为在传统的理论和实验以外，外，计算是科学的第三条腿。计算是科学的第三条腿。他和其他人他和其他人认定了认定了“计算科学计算科学”这个词，用以表示这个词，用以表示“以计算为主要方法寻找新的发现以计算为主要方法寻找新的发现”。5一认识计算科学一认识计算科学 诺贝尔得主生物学家诺贝尔得主生物学家David Baltimore说说：“生物学是一种信息科学，
4、生物学是一种信息科学，生物系统生物系统的输出，生命的结构，是在数字媒体中被的输出，生命的结构，是在数字媒体中被编码，被一系列读出设施读出。编码，被一系列读出设施读出。”物理学家还发现，物理学家还发现，量子波携带的信息会量子波携带的信息会产生物理效应产生物理效应。诺贝尔得主。诺贝尔得主Richard Feynman由于阐明量子电动力学是自然界由于阐明量子电动力学是自然界的量子组合的计算方法而成名。的量子组合的计算方法而成名。6一认识计算科学一认识计算科学 1990年代中期，计算的能力达到了能年代中期，计算的能力达到了能够清楚地表达自身基本原理的成熟程度。够清楚地表达自身基本原理的成熟程度。于是在
5、于是在21世纪初，开始计算原理的研究开世纪初，开始计算原理的研究开发工作。发工作。同时，生物学、物理学、经济学、同时，生物学、物理学、经济学、材料学等领域都发现了自然的信息过程，材料学等领域都发现了自然的信息过程，使人们确信计算并不是人造的科学，而是使人们确信计算并不是人造的科学，而是研究自然的和人工的信息过程的科学。研究自然的和人工的信息过程的科学。7一认识计算科学一认识计算科学 Peter J.Denning教授从这一新的对计教授从这一新的对计算的认识出发，定义了既适用于人工过程，算的认识出发，定义了既适用于人工过程，也适用于自然过程的也适用于自然过程的7个计算原理。个计算原理。2007年
6、，年，他发表了这些新的计算原理，指出他发表了这些新的计算原理，指出“创新创新”是计算的核心体验。是计算的核心体验。8一认识计算科学一认识计算科学 2007年以后，又有了新的发展，所以，年以后，又有了新的发展，所以，本报告以本报告以Denning的的7个计算原理为基础，个计算原理为基础，做了补充和修改，共形成做了补充和修改，共形成10个计算原理，个计算原理，它们是：计算、通信、协同、存储、自动它们是：计算、通信、协同、存储、自动化、评估、设计、安全性、虚拟化、系统。化、评估、设计、安全性、虚拟化、系统。9一认识计算科学一认识计算科学 报告的主要参考文献：报告的主要参考文献：1Peter J.De
7、nning，Criteria for Principle Statements，2007.06 2蔡希尧，信息系统的发展与创新，蔡希尧，信息系统的发展与创新，西电出版社，西电出版社，2009.1210一认识计算科学一认识计算科学 原理是对行动的指导方针或制约的表原理是对行动的指导方针或制约的表述。述。Denning用三条准则来选择原理：用三条准则来选择原理：（1）普适性：原理应当是普遍有用的）普适性：原理应当是普遍有用的指导方针或制约。指导方针或制约。（2）递归性：原理在多种上下文中反）递归性：原理在多种上下文中反复出现。不同的群体能够独立发现的、可复出现。不同的群体能够独立发现的、可复制的、
8、对预测和设计是有用的。复制的、对预测和设计是有用的。11一认识计算科学一认识计算科学 （3）影响广泛：原理指导并制约所有计）影响广泛：原理指导并制约所有计算的技术和应用，塑造标准，它对科学、算的技术和应用，塑造标准，它对科学、产业和社会的影响广泛而深远。产业和社会的影响广泛而深远。科学技术不断发展，所以，原理并不是科学技术不断发展，所以，原理并不是永远不变的，当新的原理被发现时，不合永远不变的，当新的原理被发现时，不合时宜的老的原理应予被淘汰，或者加以修时宜的老的原理应予被淘汰，或者加以修正。正。12一认识计算科学一认识计算科学 理解一个学科的理解一个学科的知识主体和结构知识主体和结构是教是教
9、学和研究工作的基础，是科学振兴的起点。学和研究工作的基础，是科学振兴的起点。计算原理是计算科学知识主体的重要成分，计算原理是计算科学知识主体的重要成分，是学习计算科学的基础和起点。除了计算是学习计算科学的基础和起点。除了计算原理以外，其他的计算科学知识主体有：原理以外，其他的计算科学知识主体有：1新计算范型：新计算范型：元计算和云计算、混元计算和云计算、混合计算、敏捷计算、认知计算、自治计算、合计算、敏捷计算、认知计算、自治计算、量子计算。量子计算。13一认识计算科学一认识计算科学 2系统、系统、系统集成和演化的理论和技系统集成和演化的理论和技术。术。3软件开发方法论：软件开发方法论：功能抽取
10、、敏捷功能抽取、敏捷开发、模型驱动体系结构、基于模型的软开发、模型驱动体系结构、基于模型的软件工程、基于搜索的软件工程。件工程、基于搜索的软件工程。14一认识计算科学一认识计算科学 4硬件发展对软件的新要求：硬件发展对软件的新要求：多核多核处理器和多图形处理器的适用语言、软件处理器和多图形处理器的适用语言、软件体系结构、程序设计、开发工具。体系结构、程序设计、开发工具。5联网服务联网服务：“软件即服务软件即服务”、“安安全即服务全即服务”、“软件加服务软件加服务”。15二原理之一二原理之一 计算计算 要点：图灵可计算性、解题时间、表要点：图灵可计算性、解题时间、表示、其他问题。示、其他问题。1
11、图灵可计算性图灵可计算性 1936年，图灵在他的著名论文年，图灵在他的著名论文论可论可计算数在判定问题中的应用计算数在判定问题中的应用中定义了计中定义了计算、计算机器和通用机器，并且指出停机算、计算机器和通用机器，并且指出停机问题是不可计算的。问题是不可计算的。16二原理之一二原理之一 计算计算 图灵的论文描述了一个简单的机器模型，图灵的论文描述了一个简单的机器模型，包含一个有限的控制单元，一个无限的存包含一个有限的控制单元，一个无限的存储带，还有一个写入读出设备。模型不储带，还有一个写入读出设备。模型不考虑计算速度和存储容量，只有必须的逻考虑计算速度和存储容量，只有必须的逻辑步骤，使输入表示
12、转变成输出表示。辑步骤，使输入表示转变成输出表示。17二原理之一二原理之一 计算计算 2解题时间解题时间 计算机的解题时间和输入规模有关，例计算机的解题时间和输入规模有关，例如：如：在一个含有在一个含有n个条目的表中寻找其中一个条目的表中寻找其中一个特定条目，所需的时间与个特定条目，所需的时间与n成正比，记为成正比，记为O(n)。一个矩阵相乘算法所需的时间是一个矩阵相乘算法所需的时间是O(n3)。列出所有可能的列出所有可能的n个条目，所需的时间个条目，所需的时间是是O(2n)。18二原理之一二原理之一 计算计算 前面两个例子所需的时间是前面两个例子所需的时间是(O(nk)，即多项式型的，第即多
13、项式型的，第3个则是指数型的。指个则是指数型的。指 数型的计算时间增长很快，即使输入不大，数型的计算时间增长很快，即使输入不大，计算需要的时间非常长，成为实际上不能计算需要的时间非常长，成为实际上不能计算的。这类算法被叫做计算的。这类算法被叫做“不可处理的不可处理的”。多项式型的算法则是多项式型的算法则是“可处理的可处理的”。19二原理之一二原理之一 计算计算 算法所需计算时间的多少，叫做算法所需计算时间的多少，叫做“计计算复杂性算复杂性”。计算复杂性问题可分为两类：。计算复杂性问题可分为两类：P类：确定的算法，以多项式时间求类：确定的算法，以多项式时间求解。解。NP类：不确定算法，以多项式时
14、间类：不确定算法，以多项式时间 求解。求解。20二原理之一二原理之一 计算计算 NP中的难题形成的子集，叫做中的难题形成的子集，叫做“NP-Complete，NPC”（NP完全）。对于完全）。对于NPC问题是否存在快速的算法，简写成问题是否存在快速的算法，简写成“P=NP?”如果对任何一个如果对任何一个NPC问题存在一个问题存在一个 快速确定的算法，那么，所有快速确定的算法，那么，所有NP问题都将问题都将有快速确定的算法，于是所有的有快速确定的算法，于是所有的NP都被转都被转换成换成P。21二原理之一二原理之一 计算计算 P=NP是否成立，是计算和数学多年没是否成立，是计算和数学多年没有解决的
15、大难题，对于有解决的大难题，对于P NP也没有得到也没有得到证明。证明。这是一个悬赏这是一个悬赏100万美元奖金的七大数学万美元奖金的七大数学难题之一。难题之一。2010年年8月月11日，英国日，英国新科学家新科学家杂志杂志网站报道，美国网站报道，美国HP实验室的数学家实验室的数学家Vinay Deolalikar已经证明已经证明PNP。22二原理之一二原理之一 计算计算 3表示表示 信息的表示，是计算的核心。数字计信息的表示，是计算的核心。数字计算机以最简洁的二进制表示数据，使得它算机以最简洁的二进制表示数据，使得它具有普遍的通用性。具有普遍的通用性。模拟量也可以用于计算表示，例如微模拟量也
16、可以用于计算表示，例如微 分方程求解，就曾经使用模拟计算机。分方程求解，就曾经使用模拟计算机。信息表示可以被压缩，以较短的表示信息表示可以被压缩，以较短的表示 持有同样的信息，减少了存储空间。持有同样的信息，减少了存储空间。23二原理之一二原理之一 计算计算 4其他其他 计算的输入和输出之间的非线性关系。计算的输入和输出之间的非线性关系。开放或封闭的计算。开放或封闭的计算。实际过程的有限表示所包含的误差。实际过程的有限表示所包含的误差。非冯非冯 诺曼计算问题。诺曼计算问题。24三原理之二三原理之二 通信通信 要点：通信系统模型、信源编码、信道要点：通信系统模型、信源编码、信道编码、最小码长、保
17、密通信、互联网通信编码、最小码长、保密通信、互联网通信系统、为计算服务的通信等系统、为计算服务的通信等。互联网已经成为全世界最大的分布式通互联网已经成为全世界最大的分布式通信、检索和计算系统。信、检索和计算系统。计算机的通信和联计算机的通信和联网功能比数据处理功能更为基本，更为重网功能比数据处理功能更为基本，更为重要，要，得到了广泛的共识。得到了广泛的共识。25三原理之二三原理之二 通信通信 在许多分布计算系统中，如多处理机在许多分布计算系统中，如多处理机系统、点对点网络、联网工作、传感器网系统、点对点网络、联网工作、传感器网络等等，通信的目的常常不是传输或者存络等等，通信的目的常常不是传输或
18、者存储数据，而是储数据，而是利用分布的信息来计算一个利用分布的信息来计算一个功能，进行决策，协调行动，功能，进行决策，协调行动，在这种情况在这种情况下，需要通信做些什么？这是计算科学、下，需要通信做些什么？这是计算科学、控制和优化、信息论等学科在共同研究的控制和优化、信息论等学科在共同研究的问题。问题。26三原理之二三原理之二 通信通信 1通信系统模型通信系统模型 Claude E.Shannon 和他的合作者为通和他的合作者为通信系统提供了一个通用的模型，信系统提供了一个通用的模型，每个通信每个通信系统要包含以下的基本元素：系统要包含以下的基本元素：传播信号的媒体。传播信号的媒体。给信号编码
19、的编码器。给信号编码的编码器。对应的译码器。对应的译码器。27三原理之二三原理之二 通信通信 把代码转换成消息的编码文本。把代码转换成消息的编码文本。Shannon用比特序列表示代码。用比特序列表示代码。2信源编码信源编码 信源编码（数据压缩）是对信源输出信源编码（数据压缩）是对信源输出的字符序列进行变换，其目的是为了减少的字符序列进行变换，其目的是为了减少信源输出字符序列中的剩余度、提高字符信源输出字符序列中的剩余度、提高字符的平均信息量。的平均信息量。28三原理之二三原理之二 通信通信 3信道编码信道编码 提高信道对信息传输可靠性的编码理提高信道对信息传输可靠性的编码理论和方法。论和方法。
20、在有噪声的信道中可靠的通信是可能的，在有噪声的信道中可靠的通信是可能的，如果通信率低于一个门限值，即信道容量。如果通信率低于一个门限值，即信道容量。采用适当的编码和译码方法，通信率可以采用适当的编码和译码方法，通信率可以逼近信道容量。逼近信道容量。29三原理之二三原理之二 通信通信 4纠错码纠错码 纠错码是最常用的信道编码。通信信纠错码是最常用的信道编码。通信信道一般存在噪声干扰，会影响信号的正确道一般存在噪声干扰，会影响信号的正确传输，造成差错，降低了信道的有效容量。传输，造成差错，降低了信道的有效容量。Shannon指出需要给信号代码加入额外的指出需要给信号代码加入额外的 比特数，可以抵消
21、噪声的影响，使接收机比特数，可以抵消噪声的影响，使接收机 能够恢复原来的代码。能够恢复原来的代码。30三原理之二三原理之二 通信通信 5最小码长最小码长 最小码长是用最少可能的比特数编成最小码长是用最少可能的比特数编成的码，但包含的信息不变，而比最小码长的码，但包含的信息不变，而比最小码长更短的码，将会丢掉信息，不能正确接收。更短的码，将会丢掉信息，不能正确接收。Shannon指出，如果一个码的比特数指出，如果一个码的比特数小于熵值，就不能表示消息源中的所有信小于熵值，就不能表示消息源中的所有信息，因此，不能保证所有的消息能够可靠息，因此，不能保证所有的消息能够可靠地被译码。地被译码。31三原
22、理之二三原理之二 通信通信 6保密通信保密通信 防止窃听，保护通信的秘密，是许多防止窃听，保护通信的秘密，是许多通信系统的重要任务。最常用的通信保密通信系统的重要任务。最常用的通信保密的方法是对发送的消息加密，在接收端解的方法是对发送的消息加密，在接收端解密，恢复原来的消息。密，恢复原来的消息。32三原理之二三原理之二 通信通信 7互联网通信系统互联网通信系统 利用互联网的特点，可以发展新的通利用互联网的特点，可以发展新的通信系统。如信系统。如IP电话，是利用互联网的电话，是利用互联网的IP协协议实现的廉价通信技术。议实现的廉价通信技术。3GPP定义的定义的IP 多媒体和电话的核心网多媒体和电
23、话的核心网IMS，利用会晤启，利用会晤启 动协议（动协议（SIP）的灵活性，能够支持宽范）的灵活性，能够支持宽范 围的服务，将成为通信系统的核心网。围的服务，将成为通信系统的核心网。通信和计算，正在通信和计算，正在IP网上融合。网上融合。33三原理之二三原理之二 通信通信 8为计算服务的通信为计算服务的通信 计算科学在研究通信复杂性问题，而计算科学在研究通信复杂性问题，而网网络信息论络信息论的一个研究方向是的一个研究方向是“用于计算的用于计算的编码编码”（Coding for Computing），研究的），研究的主要问题是：主要问题是：分布一致性分布一致性 有辅助信息的信道编码有辅助信息的信
24、道编码34四原理之三四原理之三 协同协同 要点：协同系统模型、行动回路、代要点：协同系统模型、行动回路、代理、相依模式、协同系统的主要元素。理、相依模式、协同系统的主要元素。协同（协同（Coordination）是计算的一种基）是计算的一种基础。础。协同的系统是为了共同的目标而互动协同的系统是为了共同的目标而互动的行动者所组成，能够达到单个行动者难的行动者所组成，能够达到单个行动者难以达到的良好效果。以达到的良好效果。计算需要在算法的意计算需要在算法的意义上理解协同，成功地模拟自然界的协同义上理解协同，成功地模拟自然界的协同系统。系统。35四原理之三四原理之三 协同协同 1协同系统模型协同系统
25、模型 一个协同系统包括的元素主要是参与一个协同系统包括的元素主要是参与者、目标、资源、规则和策略。者、目标、资源、规则和策略。竞赛是最典型的协同系统。竞赛者根竞赛是最典型的协同系统。竞赛者根据规则和策略，运用资源，共同努力来达据规则和策略，运用资源，共同努力来达到目标。竞赛有两种类型，有限的无限的。到目标。竞赛有两种类型，有限的无限的。36四原理之三四原理之三 协同协同 有限竞赛有始有终，其目标是获得胜利，有限竞赛有始有终，其目标是获得胜利，球赛属于这一类。无限竞赛要求继续不断球赛属于这一类。无限竞赛要求继续不断地进行以逐步达到目标。地进行以逐步达到目标。封闭的计算类似于有限竞赛，开放的封闭的
26、计算类似于有限竞赛，开放的计算类似于无限竞赛。早期的计算主要关计算类似于无限竞赛。早期的计算主要关注封闭计算，互联网发展起来以后，开放注封闭计算，互联网发展起来以后，开放计算受到普遍的关注。计算受到普遍的关注。37四原理之三四原理之三 协同协同 2行动回路行动回路 行动回路（行动回路（Action Loops）是以参与者）是以参与者 之间的对话协同构成的，协同系统的参与之间的对话协同构成的，协同系统的参与者通过协议，实现对其他参与者的承诺。者通过协议，实现对其他参与者的承诺。在自然系统中，充满着行动回路。人和在自然系统中，充满着行动回路。人和动物的神经系统有许多传递信号的本地回动物的神经系统有
27、许多传递信号的本地回路。蚂蚁和蜜蜂都为协同行动而建立行动路。蚂蚁和蜜蜂都为协同行动而建立行动回路。行动回路的回路。行动回路的“请求响应请求响应”模式，模式，正是目前网络所用的服务计算模式。正是目前网络所用的服务计算模式。38四原理之三四原理之三 协同协同 3代理代理 设计一种计算来实现人的任务，叫做以设计一种计算来实现人的任务，叫做以计算代理人的工作。人的协同任务的行动计算代理人的工作。人的协同任务的行动回路可以部分或全部自动化，由计算代理。回路可以部分或全部自动化，由计算代理。人的协同系统由许多互动的回路组成，人的协同系统由许多互动的回路组成，而人们之间的互动有而人们之间的互动有“上下文上下
28、文”的关系，的关系，不容易表示，因此难以由计算完全代理。不容易表示，因此难以由计算完全代理。39四原理之三四原理之三 协同协同 4相依模式相依模式 行动是人或计算在完成任务时的动作行动是人或计算在完成任务时的动作过程。大多数行动的满意条件有一定程度过程。大多数行动的满意条件有一定程度的相依性。两个行动的相依性。两个行动C和和D之间存在相依性，之间存在相依性，当其中一个行动（如当其中一个行动（如D）的完成，在）的完成，在 某种程度上决定于另一个行动某种程度上决定于另一个行动C。40四原理之三四原理之三 协同协同 5协同系统的主要元素协同系统的主要元素 协同系统的参与者需要经常处理协同系统的参与者
29、需要经常处理5个元素，个元素，即即5个基本的协同问题：个基本的协同问题：一对一互动。一对一互动。有选择的下一步行动。有选择的下一步行动。反馈：实体依靠多种反馈机制，以反馈：实体依靠多种反馈机制，以 了解行动的有效性。了解行动的有效性。41四原理之三四原理之三 协同协同 竞争：当一个或多个实体在同一时竞争：当一个或多个实体在同一时 间企图使用同一资源，将产生竞争。间企图使用同一资源，将产生竞争。死锁：在某种多实体系统中的实体死锁：在某种多实体系统中的实体 陷入循环等待的状态，形成死锁。陷入循环等待的状态，形成死锁。多个实体共用一个资源，但资源不足多个实体共用一个资源，但资源不足 以同时满足所有的
30、请求，也可能发生死以同时满足所有的请求，也可能发生死 锁。锁。42五原理之四五原理之四 存储存储 要点：存储结构、定域性、信息过载、要点：存储结构、定域性、信息过载、名和地址、动态绑定、层次式命名。名和地址、动态绑定、层次式命名。计算是在存储系统中进行的。计算是在存储系统中进行的。计算的计算的每个表示都存储在媒体中，可以调用。存每个表示都存储在媒体中，可以调用。存储系统需要处理许多复杂的对象，包括文储系统需要处理许多复杂的对象，包括文件、文档、文件夹、图象、声音、电影、件、文档、文件夹、图象、声音、电影、网络地址、等等。网络地址、等等。43五原理之四五原理之四 存储存储 互联网是一个全球性的存
31、储系统，互联网是一个全球性的存储系统，Web页面和无数个对象链接。页面和无数个对象链接。存储系统所用的媒体种类很多，如随机存储系统所用的媒体种类很多，如随机存取存储（存取存储（RAM）、闪烁式存储、磁带、硬）、闪烁式存储、磁带、硬盘、软盘、光盘、盘、软盘、光盘、DVD，每种媒体对于不，每种媒体对于不同的对象都有各自的接入和转移时间。同的对象都有各自的接入和转移时间。44五原理之四五原理之四 存储存储 1存储结构存储结构 数据在存储设备中如何放置，会影响数据在存储设备中如何放置，会影响使用数据的算法性能。例如，随机排列的使用数据的算法性能。例如，随机排列的 N个数据项，寻找某个特定项所需的时间个
32、数据项，寻找某个特定项所需的时间 将和将和N成正比。如果这成正比。如果这N个数据项按照升个数据项按照升 序排列。寻找的时间将降低到序排列。寻找的时间将降低到log N量级。量级。平面式平面式的内存数据结构是最简单的存储的内存数据结构是最简单的存储结构，可以线性地赋予数据项的内存地址。结构，可以线性地赋予数据项的内存地址。45五原理之四五原理之四 存储存储 层次结构层次结构的存储设备，把存取速度快的的存储设备，把存取速度快的存储放在顶部，慢的放在底部。存储放在顶部，慢的放在底部。“次级存储次级存储”或或“长期存储长期存储”，是，是非易失非易失的持久性存储的持久性存储，磁带、磁盘、光盘等均属，磁带
33、、磁盘、光盘等均属于这一类。于这一类。许多本地的许多本地的RAM还附加还附加高速缓存高速缓存，其速，其速度比度比RAM更快，更快，CPU首先使用高速缓存中首先使用高速缓存中的数据，提高计算速度。的数据，提高计算速度。46五原理之四五原理之四 存储存储 2定域性定域性 定域性（定域性（Locality）是指计算在相当长的是指计算在相当长的时间内，只访问内存中的部分对象，是有时间内，只访问内存中的部分对象，是有效使用存储空间的一种方法。效使用存储空间的一种方法。定域性有时间和空间之分。在一定的时定域性有时间和空间之分。在一定的时间内，人们把需要访问的对象进行组合，间内，人们把需要访问的对象进行组合
34、，对最近访问过的对象放在存储层次的顶部，对最近访问过的对象放在存储层次的顶部，以便快速访问，叫做以便快速访问，叫做“时间定域性时间定域性”。47五原理之四五原理之四 存储存储 下一个被访问的对象，存储在最接近现下一个被访问的对象，存储在最接近现在被访问对象的位置，叫做在被访问对象的位置，叫做“空间定域性空间定域性”。通过这两种定域性，可以提高对象访。通过这两种定域性，可以提高对象访问的效率。问的效率。定域性给计算提供了许多好处，例如：定域性给计算提供了许多好处，例如：用操作系统自动管理数据的放置，得用操作系统自动管理数据的放置，得到比程序员高的效率。到比程序员高的效率。48五原理之四五原理之四
35、 存储存储 高速缓存使用户或计算能够更有效地高速缓存使用户或计算能够更有效地管理对象。管理对象。计算机把高速缓存放在计算机把高速缓存放在CPU芯片的附芯片的附近，近，CPU能够就近找到所需的数据，使处能够就近找到所需的数据，使处理速度加快。理速度加快。局域网的高速缓存把局域网的高速缓存把Web页面放在本页面放在本地服务器内，不必到远处的服务器寻常地服务器内，不必到远处的服务器寻常Web页面。页面。49五原理之四五原理之四 存储存储 Web浏览器可以保留最近看过的页面浏览器可以保留最近看过的页面副本。副本。应用程序可以保留最近使用过的文件应用程序可以保留最近使用过的文件菜单。菜单。电子邮件系统可
36、以保留最近使用过的电子邮件系统可以保留最近使用过的邮件地址。邮件地址。视频显示卡可以保留视频图象的副本，视频显示卡可以保留视频图象的副本，只需要更新一小部分，经过重新排列，得只需要更新一小部分，经过重新排列，得到新的图象。到新的图象。50五原理之四五原理之四 存储存储 3信息过载信息过载 信息量过大，使存储系统的能力难以信息量过大，使存储系统的能力难以 承受，叫做信息过载。信息过载将使系统承受，叫做信息过载。信息过载将使系统的运作能力突降。例如，登录的用户数量的运作能力突降。例如，登录的用户数量快速增加，每个用户的内存份额变小，召快速增加，每个用户的内存份额变小，召回率将增大，要排队等候，系统
37、看起来好回率将增大，要排队等候，系统看起来好像停止运转。像停止运转。51五原理之四五原理之四 存储存储 4名和地址名和地址 每个存储系统必须给对象命名，并指定每个存储系统必须给对象命名，并指定对象在存储系统中的地址。所有存储系统对象在存储系统中的地址。所有存储系统中的操作：读、写、在层次中再安置、查中的操作：读、写、在层次中再安置、查找等，依靠对象的名和地址。每个对象的找等，依靠对象的名和地址。每个对象的名和地址各不相同。名和地址各不相同。通信技术的发展，使得可选择的名和地通信技术的发展，使得可选择的名和地址空间成为全球性的。址空间成为全球性的。52五原理之四五原理之四 存储存储 5动态绑定动
38、态绑定 存储系统要管理存储系统要管理4 种标识种标识:用户为对象选用户为对象选定的名，不变的全球名（叫做定的名，不变的全球名（叫做“称号称号”，Handle），地址和位置。），地址和位置。4 种标识之间存在种标识之间存在3个关联：对象名和称号，称号和地址，地个关联：对象名和称号，称号和地址，地址和位置，表示为：址和位置，表示为：对象名对象名称号称号地址地址位置位置53五原理之四五原理之四 存储存储 当一个用户在计算机系统中生成一个当一个用户在计算机系统中生成一个新的对象时，系统将给对象指定一个称号，新的对象时，系统将给对象指定一个称号，和用户所选定的对象名绑定；系统同时给和用户所选定的对象名绑
39、定；系统同时给对象指定一组地址，并且和称号绑定；最对象指定一组地址，并且和称号绑定；最后，把这些地址和存储设备的物理位置绑后，把这些地址和存储设备的物理位置绑定。当对象的状况有所变化时，绑定需要定。当对象的状况有所变化时，绑定需要做相应的调整。做相应的调整。在存储系统中有关对象的位置和命名在存储系统中有关对象的位置和命名而引起绑定的调整，叫做而引起绑定的调整，叫做“动态绑定动态绑定”。54五原理之四五原理之四 存储存储 6层次式命名层次式命名 层次式命名是把命名任务交给分层次层次式命名是把命名任务交给分层次的命名权威，在给定的空间内构造一个唯的命名权威，在给定的空间内构造一个唯一的名。每个命名
40、权威可以在自己的层次一的名。每个命名权威可以在自己的层次给对象指定不会有冲突的名。给对象指定不会有冲突的名。全球电话系统的命名就是分层次的，全球电话系统的命名就是分层次的，一个电话号码包含国家代码、地区代码、一个电话号码包含国家代码、地区代码、本地电话分局代码，用户代码。计算机目本地电话分局代码，用户代码。计算机目录系统等的命名，也采用分层结构。录系统等的命名，也采用分层结构。55六原理之五六原理之五 自动化自动化 要点：计算自动化、认知自动化、机器要点：计算自动化、认知自动化、机器智能、联想模式、认知计算方法、集体智智能、联想模式、认知计算方法、集体智慧。慧。实现计算自动化，是计算领域的一个
41、基实现计算自动化，是计算领域的一个基本问题，可用以解决困难的计算任务。本问题，可用以解决困难的计算任务。56六原理之五六原理之五 自动化自动化 1计算自动化计算自动化 计算自动化是计算自动化是“用近似的、或启发式的用近似的、或启发式的方法，把难以计算的任务交给一个系统，方法，把难以计算的任务交给一个系统，得到可接受的结果，虽然不完全，但足够得到可接受的结果，虽然不完全，但足够好地完成计算任务。好地完成计算任务。”可跟踪的计算任务容易自动化，不可跟可跟踪的计算任务容易自动化，不可跟踪的计算任务不容易自动化。踪的计算任务不容易自动化。57六原理之五六原理之五 自动化自动化 有关科学、工程和商务等的
42、计算，复有关科学、工程和商务等的计算，复杂度是指数型的，虽然很难自动化，但通杂度是指数型的，虽然很难自动化，但通过通过近似的、或启发式的自动化解决方过通过近似的、或启发式的自动化解决方法，可以得到可接受的结果。法，可以得到可接受的结果。58六原理之五六原理之五 自动化自动化 2认知自动化认知自动化 在人工智能（在人工智能（AI）领域，有类似计算自）领域，有类似计算自动化的要求，把认知工作映射到足够好的动化的要求，把认知工作映射到足够好的计算系统去完成。计算系统去完成。认知自动化有两种基本的选择：认知自动化有两种基本的选择：强强AI假设：认为人的工作最终是可假设：认为人的工作最终是可计算的，是计
43、算难题的一个子集。因此，计算的，是计算难题的一个子集。因此，所要解决的是发现认知的计算方法，并使所要解决的是发现认知的计算方法，并使之自动化。之自动化。59六原理之五六原理之五 自动化自动化 弱弱AI假设：对人的工作是否是可计算假设：对人的工作是否是可计算的，不做假设，而是寻求足够好的计算方的，不做假设，而是寻求足够好的计算方法，所建立的计算系统是模仿人的工作，法，所建立的计算系统是模仿人的工作，达到可接受的程度。达到可接受的程度。弱弱AI的工作是实验性的，通过实验来确的工作是实验性的，通过实验来确定一个计算是否能够模仿人的行为。强定一个计算是否能够模仿人的行为。强AI假设是理论性的，存在争议
44、。假设是理论性的，存在争议。实际工作者倾向于使用弱实际工作者倾向于使用弱AI假设。假设。60六原理之五六原理之五 自动化自动化 3机器智能机器智能 许多认知工作的计算可行性问题既需许多认知工作的计算可行性问题既需 要对人的认知的哲学解释，也需要对机器要对人的认知的哲学解释，也需要对机器解题的科学解释，需要哲学家和科学家的解题的科学解释，需要哲学家和科学家的共同努力。但哲学的真实性和科学的真实共同努力。但哲学的真实性和科学的真实性是不相同的，所以，有关计算的认知的性是不相同的，所以，有关计算的认知的可行性和重要性，还在争论之中，对立的可行性和重要性，还在争论之中，对立的意见一时难以统一。意见一时
45、难以统一。61六原理之五六原理之五 自动化自动化 4联想模式联想模式 许多早期的理论家认为，人脑的运作许多早期的理论家认为，人脑的运作 如同一个联想记忆，不是用名来存储数据，如同一个联想记忆，不是用名来存储数据，而是用模式存储互相链接的数据，用其他而是用模式存储互相链接的数据，用其他模式来检索。他们认为，意识是永不停止模式来检索。他们认为，意识是永不停止的一系列内力，新的模式基于当前的模式的一系列内力，新的模式基于当前的模式和输入的感知。他们用带有联想记忆的设和输入的感知。他们用带有联想记忆的设备来进行认知的模拟研究，不采用基于规备来进行认知的模拟研究，不采用基于规则的计算。则的计算。62六原
46、理之五六原理之五 自动化自动化 5认知计算方法认知计算方法 为认知工作寻找足够好的计算系统依靠为认知工作寻找足够好的计算系统依靠 4 种方法：建立模型、搜索、演绎（推理）种方法：建立模型、搜索、演绎（推理）和归纳。和归纳。人的认知，总是利用人们并不注意的、人的认知，总是利用人们并不注意的、不言而喻的上下文信息。所以，把人的认不言而喻的上下文信息。所以，把人的认知问题映射到计算表示时，将会丢失信息，知问题映射到计算表示时，将会丢失信息，使计算的结果不能满意。使计算的结果不能满意。63六原理之五六原理之五 自动化自动化 6集体智慧集体智慧 集体智慧（集体智慧（Collective Intellig
47、ence）是新是新的研究课题，主要的研究课题有：的研究课题，主要的研究课题有：集体智慧如何塑造商务、经济、社会和集体智慧如何塑造商务、经济、社会和国家。国家。设计新的协作方法，使得一个组织比传设计新的协作方法，使得一个组织比传统的组织更加出色。统的组织更加出色。通过协作创新，改变人们的工作方法，通过协作创新，改变人们的工作方法，生活、学习、治理、以及彼此关心的方式。生活、学习、治理、以及彼此关心的方式。64七原理之六七原理之六 评估评估 要点：资源共享、正确性和性能、评要点：资源共享、正确性和性能、评估的对象、评估方法、分析模型、服务器估的对象、评估方法、分析模型、服务器网络模型、服务器网络的
48、基本法则、瓶颈、网络模型、服务器网络的基本法则、瓶颈、能力规划。能力规划。评估的任务是鉴定系统的性能，如系评估的任务是鉴定系统的性能，如系统的吞吐率，对用户请求的响应时间等统的吞吐率，对用户请求的响应时间等。65七原理之六七原理之六 评估评估 1资源共享资源共享 共享资源总是比给每个用户分配专用的共享资源总是比给每个用户分配专用的资源，总体的效率更高。实际工作都在使资源，总体的效率更高。实际工作都在使用这个原理，例如多任务协议在单个用这个原理，例如多任务协议在单个RAM上加载多个程序，使需要的上加载多个程序，使需要的RAM数量大大数量大大减少。在数字通信系统中，信号分组编码减少。在数字通信系统
49、中，信号分组编码然后发送，由于信道的带宽远大于信息包然后发送，由于信道的带宽远大于信息包的产生率，所以，多个信息包可共享信道，的产生率，所以，多个信息包可共享信道，效率更高。效率更高。66七原理之六七原理之六 评估评估 2正确性和性能正确性和性能 软件和计算系统的设计者不可避免地面软件和计算系统的设计者不可避免地面对两个基本的问题：对两个基本的问题：正确性：软件或系统能够正常工作吗正确性：软件或系统能够正常工作吗？性能：软件或系统所得到的结果可用吗性能：软件或系统所得到的结果可用吗？67七原理之六七原理之六 评估评估 算法是软件设计的基础。在一个计算算法是软件设计的基础。在一个计算机上运行的软
50、件，一般是多个算法的混合，机上运行的软件，一般是多个算法的混合，共享硬件，每个算法运行需要的时间不一。共享硬件，每个算法运行需要的时间不一。用户过程（任务）竞争有限的用户过程（任务）竞争有限的CPU、内存、内存、磁盘和网络等资源。资源竞争增加了软件磁盘和网络等资源。资源竞争增加了软件执行的时延。所以，软件或系统必须确切执行的时延。所以，软件或系统必须确切地阐述性能。地阐述性能。68七原理之六七原理之六 评估评估 3评估的对象评估的对象 软件或计算系统的正确性和性能评估软件或计算系统的正确性和性能评估的主要对象是：的主要对象是：算法：算法评估主要是它们的复杂性，算法：算法评估主要是它们的复杂性，