解读抽象的力量——记图灵奖得主Barbara Liskov演讲

2008年图灵奖得主Barbara Liskov博士

2009年，我在图灵奖获奖仪式上要做一个讲话，在我想这个演讲怎么讲的时候，我就决定把我看过的论文再重新看一看，就是说我达到获得图灵奖的成就的那些最初的想法是什么，今天我非常想与大家分享这个。

我在斯坦福大学拿到了博士学位，当时学的是人工智能，我在读博士读到一半的时候，决定放弃人工智能转而研究计算机系统，当然了，学博士最后要拿学位的，这样才能做进一步研究。我决定上学的时候先不转型，拿到学位以后再转型。之后我在一个机构工作，主要是做一些计算机的研究，我在博士毕业以后开始做计算机系统的研究了。

首先我参加了维纳斯机器的一个设计，当时谈一种微编程，也就是说我们给计算机一个小的指令组，而且给它很小的只读内存，这样在非常弱的指令组上面是没有办法写的。对于这个项目来说非常有趣的一点，Interdata 3这个指令组和今天的一个架构是没有什么不同的，当时人们写的很多程序是机器程序，而且要想直接使用那么弱的指令组编程是非常难的，今天编程语言更加高级，由编译器生成。这个指令组相对来说还是比较标准化的，我把这个信号语给放进去了，放在当时的一个操作系统上面，我认为在硬件当中必须要有这样的配置。

到70年代末期我又开始推进一个新的项目了，大家看到我们主要做系统设计，不再做任何的人工智能，而且是边做边学来理解计算机系统，70年代末又开始变成编程方法论。

当时政府发现他们正在经历软件危机，今天我们仍然在经历软件危机。这是什么意思？我们不了解如何高效地运用软件，那时候软件匮乏是很大的问题，有大批的失败项目。刚开始我们有一个想法，然而软件不能达到我们的要求，最后导致整个项目必须放弃。那个软件的成本比今天要高得多，比方说一个大型机的耗资能够达到几十万美元，大家根本不了解软件怎么做出来，大家感觉软件可以轻而易举的做出来，而且软件不花钱，硬件花钱，所以当时人们不愿意在软件方面投资、花钱，这样对于软件编程员来说工作很难做，而且他们的工作不受重视。今天众所周知软件也是很贵的，不会为了硬件牺牲软件了。

为准备我的图灵获奖感言，我去年又重读了几篇论文，这个很有价值，今天介绍给我们的同学们也读这几篇论文。在给美国研究生做报告的时候，我发现大部分人没有读过这些论文，建议大家去读：

首先想给大家讲的是 E.W.Dijkstra 写的 Go To Statement Consider Harmful 这篇论文，这个论文当时发表的时候引起了很大的争议。当时大家感觉很奇怪，让大家放弃Go to语句，我们就很难推理程序。一旦不能推理程序在做什么的时候，你怎么能确保程序会去做你想做的事情呢？而当你对程序做出推理的时候发现程序文本是一个静止的东西。你要推理的是程序动态的执行，你推理的过程如果想做得更加简单的话，你要能够把静态和动态统一在一起，如果用Go to转到这个做法，这样就很混乱，就没有结构。有一个结构化的方式理解程序更好理解。

还有另外一个非常重要的论文，是 D.L.Parnas 写的 Information Distribution Aspects of Design Methodology ，关于这样的话题写了两篇文章，写的是程序结构问题，他的论文当中有一些很有意思的论断，他说这个项目是由模块组成的，不知道这些模块究竟是什么，他说我们知道这样一个结构，必须了解这个结构，但是结构本身是不清楚的。模块是什么呢？想把这些模块组合起来，并且模块之间产生互动的话，就必须说明你的代码是正确的，必须理解这些模块是相互联系的，不是说这样的模块对另外模块产生预算，而是整个模块相互联系。所以在论文当中提出了非常重要的一条，各个模块之间的联系是模块相互之间的假设。这样一个联系其实比你想象的更为复杂，必须进行深入的了解。

当时我读这些论文的时候推出了我的Venus系统。我使用了他们论文当中提供的方法，当时搞了自己的团队，承担了很重要的任务。在我们项目最开始决定用一个特别的开发推动我们这个项目。讲到项目的时候，会有各种各样的流程，这些流程他们也是相互之间进行呼叫的，但是也会产生很多总体的变量。在Venus中，我们会把整体的命令行分散，我们叫做分隔。对于每一个模块有自己所谓的指令表，每一个指令表有自己的变量，各个指令之间相互互动的时候叫做运算。也就是说同一个分割中有不同的运算。这样一种概念实际上是模块化的概念，在Venus项目中引用了这个。那个时候希望搞一个操作系统，就是用这种模块化的概念。

S.Schuman 和 P.Jourrand 在他们的论文中谈到了可扩展语言的作用，当时这个论文是在1967年发布的，主要有两种方法，困难性的语言必须让编程语言改变语言，这样他们可以进一步的进行调整，里面有语意，讲到语意进一步拓展句法，看起来是非常有道理的。

还有一篇 O-J. Dahl 和 C.A.R Hoar 于1972年写的非常有轰动效应的一篇文章， Hierarchical Program Structures 。在当时对于封闭没有产生概念，所以说没有把抽象以及分割两者之间结合起来。还有一篇是 J.H.Morris 的 Protection in Programming Languages 。这篇文章又开始讨论模块化的问题，模块化是非常重要的概念，如果有很大项目，每个模块规模又是比较大的，所以你要修正你的程序，必须修正不同的模块，要考虑这个模块是否完成了它应该做的事情。当时Morris问的问题是如何保证使用模块化的方式可以进行良好的调试。

到1974年夏天快结束的时候又要做一个抉择：下一步研究如何做。当时我选择继续研究设计程序语言，提出了抽象数据类型，提出有一系列的预算、对象以及所有的运算，只有通过这些运算才能对目标进行存取。这些论文中也对语言进行描述，说这是一个大概的框架、大致的架构。

为什么选择程序语言呢？讲到这样一种模块化，应该和虚拟数据类型结合起来的，人们需要了解里面的方法论。我觉得要走下一步其实是有必要原因的。首先编程语言就需要向程序员进行良好沟通，如果程序员不懂有什么意义呢？当时我们考虑到这一点，编程语言需要让编程员可以很好的了解，同时抽象数据类型是否真正的能够应用。想到一种想法怎么谈都行，但是讲到编程语言，把这个变成真正的实际使用。另一个原因，我希望对于这样一个概念，或者这样一个想法进行明确的定义，把这样一种想法具体的实施，因为我们这样一个想法本身是比较虚幻的，但是通过编程语言可以把这样的想法变成事实。

下面给大家讲讲设计流程。我想指出的是对于语言设计的目标其实和接口设计目标是一致的。我在这个项目之后也做了很多其他的项目，我始终把这些项目放在心上。一旦设计一个模块，或者大型、小型的界面、接口，必须考虑几点，首先考虑这样的模块是否能够考虑足够的表达能力。也就是说是否能够实现想要的目标。第二个原则是必须简单，如果你的程序员不了解这个程序如何编译，那么效率就很低了。同时它的绩效要比较高，而且使用起来很方便，否则是没有人愿意用这样的语言。对于任何的编程语言，这就是我们需要关注的四大目标。

我获得图灵奖以后，我的丈夫每天在网上找对我的赞誉，其实在我刚开始做研究的时候，没有人了解，但今天大家都知道了，这是主要的转变。现在在研究工作当中仍然有很多挑战，我起步非常早，但仍然有很多有趣的课题值得我们解决，对于下面的问题，我们需要更好的程序方法论，特别是在大规模并行计算的技术成为现实的时候。另外互联网本身也是一种计算机，我们如何来适应互联网时代的编程需要，也是我们有待解决的一个挑战。谢谢大家！

Barbara Liskov在演讲中提到的其他几篇重要论文是：

N. Wirth .  Program Development by Stepwise Refinement.

B. Liskov .  A Design Methodology for Reliable Software Systems.

W. Wulf  and  M. Shaw .  Global Variable Considered Harmful.

B. Liskov  and  S. Zilles .  Programming with Abstract Data Types.