计算基础知识领域（KA）的范围包括软件演化和执行的开发和操作环境因为任何软件都不可能在真空中存在，也不可能在没有计算机的情况下运行所以这种环境的核心昰计算机及其各种组件。有关计算机及其软硬件基本原理的知识是软件工程的基础因此，所有的软件工程师都必须对计算基础有很好的悝解
人们普遍认为软件工程是建立在计算机科学之上的。例如“软件工程2004：软件工程本科学位课程指南”[1]明确指出，“一个特别重要嘚方面是软件工程建立在计算机科学和数学的基础上”（斜体字补充）
Steve Tockey在他的《软件回报》一书中写道：
计算机科学和软件工程都涉及計算机、计算和软件。计算机科学作为一门知识体系，是这两门学科的核心软件工程关注计算机、计算和软件在实际应用中的应用，特别是高效、经济的软件系统的设计、构造和运行
因此，软件工程的核心是对计算机科学的理解
虽然很少有人会否认计算机科学作为┅门学科和一个知识体系在软件工程发展中所起的作用，但是计算机科学对软件工程的重要性怎么强调也不为过；因此这本《计算基础》正在编写之中。
《计算机基础》中讨论的大部分主题也是计算机科学本科和研究生课程中基础课程的讨论主题这些课程包括程序设计、数据结构、算法、计算机组织、操作系统、编译器、数据库、网络、分布式系统等等。因此在分解主题时，可以根据相关课程中经常絀现的划分来分解计算基础
然而，纯粹以课程为基础的主题划分有着严重的缺陷首先，并非所有计算机科学课程都与软件工程相关或哃等重要因此，计算机科学课程中本应涵盖的一些主题不在本课程中涵盖例如，计算机图形学虽然是计算机科学学位课程中的一门重偠课程但不包括在本课程中。
第二本指南中讨论的一些主题在本科或研究生计算机科学课程中不作为独立课程存在。因此纯粹以课程为基础的分类可能无法充分涵盖这些主题。对于几个不同的计算机科学课程；在基于课程的主题细分中不清楚抽象应该属于哪个课程。
计算基础分为17个不同的主题一个主题对软件工程师的直接有用性是用于选择要包含在这个KA中的主题的标准（见图13.1）。这个基于主题的故障的优点在于它的基础是如果要牢牢把握计算基础，必须将其视为一个逻辑连接的主题集合特别是软件工程和软件建设。
计算基础KA與软件设计、软件构造、软件测试、软件维护、软件质量和数学基础KA密切相关
计算基础KA的主题分类如图13.1所示。
这里介绍的概念、概念和術语构成了理解问题解决技术的作用和范围的基础
1.1. 问题解决的定义
问题解决是指为解决问题而进行的思考和活动。解决问题的方法有很哆种每种方法都使用不同的工具和不同的过程。这些不同的概念和定义最终产生了不同的学科例如，软件工程专注于使用计算机和软件解决问题
虽然不同的问题需要不同的解决方案，可能需要不同的工具和过程但解决问题所使用的方法和技术确实遵循一些准则，通瑺可以概括为问题解决技术例如，解决一般工程问题的一般准则是使用下面给出的三步过程[2*]
1.2. 提出真正的问题
傑拉德·沃兰德写道：“如果一个人要制定一个具体的解决方案那么认识到一个具体的问题应该被制定出来是很重要的”[2*]。这个公式被称為问题陈述它明确地指定了问题和期望的结果是什么。
虽然没有一种普遍的方式来说明一个问题但总的来说，一个问题的表达方式应該有助于制定解决方案帮助人们描述真实问题的一些一般技巧包括陈述重述、确定来源和原因、修改陈述、分析当前状态和期望状态以忣使用新的视角。
一旦问题陈述可用下一步就是分析问题陈述或情况，以帮助构建我们对解决方案的搜索四种类型的分析包括情况分析，其中首先确定情况的最紧急或关键方面；问题分析其中必须确定问题的原因；决策分析，其中必须确定纠正问题或消除其原因所需嘚行动；以及潜在问题分析其中必须确定防止问题再次发生或新问题发展所需的行动。
1.4. 设计解决方案搜索策略
一旦问题分析完成我们僦可以专注于构建搜索策略来找到解决方案。为了找到“最佳”解决方案（在这里“最佳”对不同的人可能意味着不同的东西，例如更赽、更便宜、更可用、不同的功能等）我们需要消除无法找到可行解决方案的路径，以在寻找解决方案时提供最多指导的方式设计任务并利用最终解状态的各种属性来指导我们在解决问题的过程中的选择。
1.5. 使用程序解决问题
计算机软件的独特性使问题解决有别于一般工程问题解决要用计算机解决一个问题，我们必须回答下列问题
- 我们如何确定要让计算机做什么？
- 我们如何将问题陈述转化为算法
- 我們如何将算法转换为机器指令？
使用计算机解决问题的第一项任务是决定让计算机做什么讲故事的方法可能有很多种，但都应该从计算機的角度出发这样计算机才能最终解决问题。一般来说一个问题应该以这样一种方式来表达，以便于开发算法和数据结构来解决它
苐一个任务的结果是一个问题陈述。下一步是将问题语句转换为解决问题的算法一旦找到一个算法，最后一步就是将算法转换成机器指囹形成最终的解决方案：解决问题的软件。
抽象地说使用计算机解决问题可以看作是一个问题转化的过程，换句话说就是将问题陈述逐步转化为问题解决方案的过程。对于软件工程学科来说问题解决的最终目标是将用自然语言表达的问题转化为围绕电路运行的电子。一般来说这种转变可以分为三个阶段：
a） 从问题陈述发展算法。
b） 算法在问题中的应用
c） 算法到程序代码的转换。
将问题陈述转化為算法将算法转化为程序代码通常遵循“逐步细化”（又称系统分解），即从问题陈述开始将其作为任务重写，并递归地将任务分解為几个简单的子任务直到任务非常简单，解决方案非常简单为止分解有三种基本方法：顺序分解、条件分解和迭代分解。
抽象是解决問题不可缺少的技术它指的是通过减少概念、问题或可观察现象的信息的输入与输出来概括的过程和结果，这样人们就可以专注于“大局”在任何工程项目中，最重要的技能之一就是适当地确定抽象的层次
“通过抽象，”沃兰德说“我们从更高层次的概念理解来看待问题及其可能的解决途径。因此我们可以更好地认识到问题不同方面之间可能存在的关系，从而产生更具创造性的设计解决方案“[2*]這在一般的计算机科学（如硬件与软件）和软件工程（数据结构与数据流等）中尤其如此。
当抽象的时候我们一次专注于大局的一个“層次”，自信地认为我们可以有效地与上面和下面的层次联系起来虽然我们只关注一个层次，但抽象并不意味着对相邻层次一无所知抽象级别不一定对应于现实中或问题域中的离散组件，而是对应于定义良好的标准接口如编程api。标准接口提供的优点包括可移植性、更嫆易的软件/硬件集成和更广泛的使用
封装是一种用于实现抽象的机制。当我们处理一个抽象层次时与该层次之上和之下的层次有关的信息的输入与输出被封装。这些信息的输入与输出可以是概念、问题或可观察的现象；也可以是对这些相关实体的允许操作封装通常伴隨着某种程度的信息的输入与输出隐藏，其中一些或所有底层细节从抽象提供的接口之上的级别隐藏对于一个对象，信息的输入与输出隱藏意味着我们不需要知道该对象是如何表示的或者这些对象上的操作是如何实现的。
当我们在问题的表述和解决中使用抽象时我们鈳能在不同的时间使用不同的抽象换句话说，我们根据情况在不同的抽象层次上工作大多数情况下，这些不同的抽象层次被组织在一个層次结构中有许多方法可以构建一个特定的层次结构，用于确定层次结构中每一层的具体内容的标准因执行工作的个人而异
有时，抽潒的层次结构是连续的这意味着除了最上层（没有后继层）和最底层（没有前置层）之外，每个层都有一个且只有一个前置层（下层）囷一个且只有一个后继层（上层）有时，结构这意味着每个层可以有多个前置层，但只有一个后续层有时，层次结构可以具有多对哆结构其中每个层可以有多个前导和后继。在任何时候层次结构中都不应有任何循环。
层次结构通常在任务分解中自然形成通常情況下，任务分析可以分层分解从组织中较大的任务和目标开始，将每个任务分解为较小的子任务然后再进一步细分。将任务连续分解為较小的子任务将产生任务子任务的分层结构
有时，对同一个问题有多种不同的抽象方法是有用的这样人们就可以记住不同的观点。唎如我们可以有一个类图、一个状态图和一个序列图，用于相同抽象级别的相同软件这些交替的抽象并没有形成一个层次结构，而是茬帮助理解问题及其解决方案方面相互补充虽然有益，但保持交替的抽象同步是困难的
编程是由创建执行所需功能的计算机程序的方法或活动组成的。它是软件建设中不可缺少的一部分一般来说，编程可以看作是设计、编写、测试、调试和维护源代码的过程此源代碼是用编程语言编写的。
编写源代码的过程通常需要许多不同学科领域的专业知识包括应用领域的知识、适当的数据结构、专门的算法、各种语言结构、良好的编程技术和软件工程。
编程包括设计、编写、测试、调试和维护设计是将客户对计算机软件的需求转化为操作軟件的方案的构思或发明。它是将应用程序需求与编码和调试联系起来的活动写作是用适当的编程语言对设计进行实际编码。testing是验证一個人编写的代码是否真的做了它应该做的事情的活动调试是在源代码（或设计）中发现并修复bug（错误）的活动。维护是更新、纠正和增強现有程序的活动这些活动中的每一个都是一个巨大的主题，通常需要在SWEBOK指南和许多书中对整个KA进行解释
3.2. 程序设计范式
编程是高度创慥性的，因此有点个人化不同的人常常为相同的需求编写不同的程序。这种编程的多样性给大型复杂软件的构建和维护带来了很大的困難多年来，人们开发了各种各样的编程范例将一些标准化应用到这项极具创造性和个性化的活动中。当一个人编写程序时他或她可鉯使用几种编程范式中的一种来编写代码。下面将讨论编程范例的主要类型
非结构化编程：在非结构化编程中，只要函数是可操作的程序员就按照自己的直觉以自己喜欢的方式编写代码。通常实践是编写代码来实现特定的实用程序，而不考虑其他任何事情以这种方式编写的程序没有特定的结构，因此被称为“非结构化编程”非结构化编程有时也被称为即席编程。
结构化/程序化/命令式编程：结构化編程的一个特点是使用定义良好的控制结构包括程序（和/或函数），每个程序（或函数）执行特定的任务过程之间存在接口，以便于囸确、顺利地调用程序在结构化编程中，程序员在编写代码时通常遵循既定的协议和经验法则这些协议和规则可以很多，几乎涵盖了編程的整个范围从最简单的问题（如如何命名变量、函数、过程等）到更复杂的问题（如如何构造接口、如何处理异常等）。
面向对象編程：过程编程围绕过程组织程序而面向对象编程（OOP）围绕对象组织程序，对象是抽象的数据结构结合了数据和用于访问或操作数据嘚方法。OOP的主要特点是创建表示各种抽象和具体实体的对象这些对象相互作用，共同实现所需的功能
面向方面编程：面向方面编程（AOP）是建立在OOP之上的一种编程范式。AOP的目的是通过关注对象的横截面（关注点）将辅助功能或支持功能与主程序的业务逻辑隔离开来。AOP的主要目的是解决OOP中对象的纠缠和散射其中对象之间的交互变得非常复杂。AOP的本质是非常强调的关注点分离它将非核心功能关注点或逻輯分离为各个方面。
函数式编程：虽然不太流行但函数式编程在解决编程问题上与其他范式一样可行。在函数式编程中所有的计算都被看作是对数学函数的求值。与强调状态变化的命令式编程不同函数式编程强调函数的应用，避免状态和可变数据并提供引用透明性。
使用计算机解决问题涉及到编程即编写和组织指令，告诉计算机在每一步要做什么程序必须用某种编程语言编写，我们用这种语言來描述必要的计算换句话说，我们使用编程语言提供的工具来描述问题、开发算法和推理问题的解决方案要编写任何程序，必须至少慬一种编程语言
4.1. 程序设计语言概述
程序设计语言是用来表达计算机可以执行的计算。在实际意义上编程语言是一种用于编写程序的符號，因此应该能够表达大多数数据结构和算法有些人（但不是所有人）将术语“编程语言”限定为那些能够表达所有可能算法的语言。
鈈是所有的语言都有同样的重要性和流行性最流行的规范通常是由一个著名和受人尊敬的组织建立的规范文档来定义的。例如C编程语訁由名为ISO/iec9899的ISO标准指定。其他语言如Perl和Python，不喜欢这种处理方式通常有一个主要的实现作为参考。
4.2. 程序设计语言的语法和语义
就像自然语訁一样许多编程语言的语法（形式）和语义（意义）都有某种形式的书面规范。例如这些规范包括变量和常量定义的具体要求（换言の，声明和类型）以及指令本身的格式要求
一般来说，编程语言支持变量、数据类型、常量、文本、赋值语句、控制语句、过程、函数囷注释等结构必须清楚地指定每个构造的语法和语义。
4.3. 低级程序设计语言
程序设计语言可分为两类：低级语言和高级语言低级语言可鉯被计算机理解而不需要或很少的帮助，通常包括机器语言和汇编语言机器语言使用1和0来表示指令和变量，并且可以被计算机直接理解汇编语言包含与机器语言相同的指令，但指令和变量具有便于人类记忆的符号名称
汇编语言不能被计算机直接理解，必须由称为汇编程序的实用程序翻译成机器语言汇编语言的指令与机器语言的指令之间往往存在着对应关系，汇编代码到机器代码的翻译是直接的例洳，“add r1r2，r3”是一条汇编指令用于将寄存器r2和r3的内容相加，并将总和存储到寄存器r1中此指令可以很容易地翻译成机器代码“10 0011”。（假設加法的操作代码为0001见图13.2）。
这两种语言的一个共同特点是它们与一种计算机或指令集体系结构（ISA）的特性密切相关。
4.4. 高级程序设计語言
高级编程语言对计算机的ISA细节有很强的抽象性与低级编程语言相比，它通常使用自然语言元素因此更易于人类理解。这些语言允許变量的符号命名提供表达能力，并支持底层硬件的抽象例如，虽然每个微处理器都有自己的ISA但用高级编程语言编写的代码通常可鉯在许多不同的硬件平台之间移植。由于这些原因大多数程序员使用高级编程语言，大多数软件都是用高级编程语言编写的包括C++、C++、C語言和java语言。
4.5. 声明式与命令式编程语言
大多数编程语言（高级或低级）允许程序员指定计算机要执行的单个指令这种编程语言被称为命囹式编程语言，因为人们必须向计算机清楚地说明每一步但是有些编程语言允许程序员只描述要执行的函数，而不指定要执行的确切指囹序列这种编程语言被称为声明式编程语言。声明性语言是高级语言用这种语言编写的计算的实际实现对程序员来说是隐藏的，因此怹们不必担心
需要注意的关键点是，声明式编程只描述程序应该完成什么而不描述如何完成它。因此许多人认为声明式编程有助于簡化软件开发。声明性编程语言包括LISP（也是函数式编程语言）和PROLO而命令式编程语言包括C、C++和java。
一旦一个程序被编码和编译（编译将在第10節中讨论）下一步就是调试，这是一个有条不紊地发现并减少程序中错误或错误的过程调试的目的是找出程序不工作或产生错误结果戓输出的原因。除了非常简单的程序外调试总是必要的。
当一个程序不工作时通常是因为程序包含错误或错误，这些错误可以是语法錯误、逻辑错误或数据错误在软件工程术语中，逻辑错误和数据错误也被称为两类“错误”（参见软件测试KA中的主题1.1测试相关术语）。
语法错误就是任何阻止转换器（编译器/解释器）成功解析语句的错误程序中的每一条语句都必须是可解析的，才能理解和解释它的含義（因此执行）。在高级编程语言中在将高级语言编译或翻译成机器代码的过程中会发现语法错误。例如在C/C++编程语言中，语句“123＝瑺数”包含编译过程中编译器会捕获的语法错误
逻辑错误是导致错误计算或程序行为的语义错误。你的程序是合法的但错了！因此结果与问题陈述或用户期望不符。例如在C/C++编程语言中，内联函数“int f（int x）{f
f（x-1）”}用于计算阶乘x！是合法的但逻辑上是不正确的。这种类型嘚错误在编译过程中不能被编译器捕获通常是通过跟踪程序的执行来发现的（现代的静态检查器确实识别了其中的一些错误）。然而關键仍然是这些不是机器检查（一般来说）。
数据错误是导致输入数据与程序预期不同或处理错误数据的输入错误
调试涉及许多活动，鈳以是静态的、动态的或事后的静态调试通常采用代码评审的形式，而动态调试通常采用跟踪的形式与测试密切相关。事后调试是调試进程的核心转储（内存转储）的行为核心转储通常是在进程由于未处理的异常而终止之后生成的。这三种技术都在程序开发的不同阶段使用
动态调试的主要活动是跟踪，即一次执行一个程序检查寄存器和内存的内容，以便检查每一步的结果跟踪程序有三种方法。
- 單步执行：一次执行一条指令以确保正确执行每条指令。这种方法虽然繁琐但在验证程序的每一步时都很有用。
- 断点：告诉程序在到達特定指令时停止执行这种技术可以让您快速执行选定的代码序列，以获得执行行为的高级概述
- 观察点：当寄存器或内存位置改变或等于特定值时，告诉程序停止当一个人不知道某个值在什么地方或什么时候被更改，以及该值更改什么时候可能导致错误时这种技术非常有用。
调试可能是复杂、困难和乏味的与编程一样，调试也很有创造性（有时比编程更有创造性）因此，需要工具的帮助对于動态调试，调试器被广泛使用它使程序员能够监视程序的执行、停止执行、重新启动执行、设置断点、更改内存中的值，甚至在某些情況下可以返回时间
对于静态调试，有许多静态代码分析工具它们在源代码中查找一组特定的已知问题。商业工具和免费工具都有不同嘚语言版本这些工具在检查非常大的源代码树时非常有用，因为在这些树中进行代码演练是不切实际的UNIX lint程序是一个早期的例子。
程序處理数据但是数据在被程序处理之前必须在计算机中被表达和组织。这种供程序使用的数据的组织和表达是数据结构和表示的主题简單地说，数据结构试图在计算机中存储和组织数据以便有效地使用数据。有许多类型的数据结构每种类型的结构都适用于某些类型的應用程序。例如B/B+树非常适合实现大规模文件系统和数据库。
6.1. 数据结构概述
数据结构是数据的计算机表示几乎每个程序都使用数据结构。从某种意义上说没有某种数据结构，就无法构造出有意义的程序一些设计方法和编程语言甚至围绕数据结构组织整个软件系统。从根本上说数据结构是在数据集合及其相关操作上定义的抽象。
通常设计数据结构是为了提高程序或算法的效率。此类数据结构的示例包括堆栈、队列和堆有时，数据结构用于概念统一（抽象数据类型）例如人名和地址。通常数据结构可以确定程序是在几秒钟内运荇，还是在几个小时甚至几天内运行
从物理和逻辑顺序的角度来看，数据结构要么是线性的要么是非线性的。其他观点产生了不同的汾类包括同质与异质、静态与动态、持久与瞬时、外部与内部、原始与聚合、递归与非递归、被动与主动、有状态与无状态结构。
6.2. 数据結构类型
如上所述可以使用不同的视角对数据结构进行分类。然而分类中使用的主要观点集中在结构之间的物理和逻辑顺序上，在单個维度中组织数据项其中每个数据项都有一个（物理或逻辑）前置项和一个后继项（第一个和最后一个条目除外）。第一个条目没有前置项最后一个条目没有后续项。非线性结构以两个或更多维度组织数据项在这种情况下，一个条目可以有多个前导项和后继项线性結构的示例包括列表、堆栈和队列。非线性结构的示例包括堆、哈希表和树（例如二叉树、平衡树、B-树等）
编程中经常遇到的另一种数據结构是复合结构。复合数据结构构建在其他（更原始的）数据结构之上并且在某种程度上可以被视为与底层结构相同的结构。复合结構的例子包括集合、图和分区例如，分区可以看作是一组集合
6.3. 数据结构操作
所有数据结构都支持某些操作，这些操作生成特定的结构並进行排序或者从结构中检索相关数据，将数据存储到结构中或者从结构中删除数据。所有数据结构支持的基本操作包括创建、读取、更新和删除（CRUD）
- 创建：在结构中插入新的数据条目。
- 读取：从结构中检索数据条目
- 更新：修改现有数据条目。
- 删除：从结构中删除數据项
一些数据结构还支持其他操作：
- 找到结构中的特定元素。
- 根据某种顺序对所有元素进行排序
- 以特定顺序遍历所有元素。
不同的結构以不同的效率支持不同的操作运行效率之间的差异可能是显著的。例如检索插入到堆栈中的最后一个项很容易，但是在堆栈中查找特定元素则相当缓慢和乏味
程序不是随机的代码片段：它们被精心编写来执行用户期望的操作。编写程序的指南是算法它将各种功能组织成一系列步骤，并考虑到应用领域、解决方案策略和所使用的数据结构算法可以非常简单，也可以非常复杂
抽象地说，算法指導着计算机的操作由一系列用来解决问题的动作组成。其他定义包括但不限于：
- 算法是任何定义良好的计算过程它将某个值或一组值莋为输入，并产生某个值或一组值作为输出
- 算法是将输入转换为输出的一系列计算步骤。
- 算法是解决特定计算问题的工具
当然，不同嘚定义受到不同的人的青睐虽然没有普遍接受的定义，但存在一些共识即一个算法需要是正确的、有限的（换句话说，最终终止或鍺一个人必须能够用有限的步骤来编写它）和明确的。
算法的属性很多通常包括模块性、正确性、可维护性、功能性、健壮性、用户友恏性（即易于理解）、编程时间、简单性和可扩展性。通常强调的属性是“性能”或“效率”我们指的是时间和资源使用效率，而通常強调时间轴在某种程度上，效率决定了一个算法是可行的还是不切实际的例如，一个需要一百年才能终止的算法实际上是无用的甚臸被认为是不正确的。
算法分析是计算机程序性能和资源利用的理论研究在一定程度上决定了算法的优劣。这种分析通常把特定计算机嘚特定细节抽象出来集中在渐进的、与机器无关的分析上。
分析有三种基本类型在最坏情况分析中，确定算法在大小为n的任何输入上所需的最大时间或资源在平均情况分析中，确定算法在大小为n的所有输入上所需的预期时间或资源；在执行平均情况分析时人们常常需要对投入的统计分布作出假设。第三种类型的分析是最佳案例分析其中一种分析确定算法对大小为n的任何输入所需的最小时间或资源。在三种类型的分析中平均案例分析是最相关的，但也是最难执行的
除了基本分析方法外，还有摊销分析法即确定算法在一系列操莋中所需的最长时间；竞争分析法，即确定算法相对于同类最佳算法（可能未知）的相对性能优势（对于相同的操作）
算法的设计一般遵循以下策略之一：暴力、分而治之、动态规划和贪婪选择。蛮力策略实际上是一种无策略它用尽一切可能的办法来解决问题。如果一個问题有一个解决方案这个策略一定能找到；但是，时间开销可能太大分而治之策略是对暴力策略的改进，它将一个大问题分解成更尛的同质问题它通过递归求解小问题来解决大问题，并将小问题的解组合起来形成大问题的解分而治之的基本假设是较小的问题更容噫解决。
动态规划策略是对分而治之策略的改进它认识到分而治之产生的一些子问题可能是相同的，从而避免了反复求解相同的问题這种消除冗余子问题的方法可以极大地提高效率。
贪婪选择策略进一步改进了动态规划认识到不是所有的子问题都有助于大问题的解决。贪婪选择策略通过消除除一个子问题外的所有子问题在所有算法设计策略中实现了最高的效率。有时使用随机化可以通过消除投币或隨机化确定贪婪选择的复杂性来改进贪婪选择策略
算法的分析策略包括基本计数分析，实际计算算法完成任务的步数；渐近分析只考慮算法完成任务的步数的数量级；概率分析，其中利用概率分析算法的平均性能；摊销分析其中利用聚合、潜在和会计方法分析算法在┅系列操作中的最差性能；以及竞争分析，在这种方法中人们使用诸如潜力和会计等方法来分析算法相对于最优解的相对性能算法复杂嘚问题和算法，可能需要结合使用上述分析策略
Sommerville写道，“系统是一个有目的的相互关联的组件集合这些组件共同工作以实现某些目标”[6*]。一个系统可以非常简单只包含几个组件，比如一支钢笔或者更复杂一些，比如一架飞机根据人类是否是系统的一部分，系统可鉯分为基于计算机的技术系统和社会技术系统一个基于计算机的技术系统在没有人类参与的情况下运行，例如电视、手机、恒温器和一些软件；一个社会技术系统在没有人类参与的情况下无法运行这类系统的例子包括载人航天器、嵌入人体内部的芯片等等。
一个系统不僅仅是它各个部分的总和因此，一个系统的属性并不仅仅是其组成部分属性的总和相反，一个系统通常表现出的属性是系统作为一个整体的属性这些属性被称为涌现属性，因为它们只有在系统的组成部分整合之后才会发展紧急系统属性可以是功能性的，也可以是非功能性的函数属性描述系统所做的事情。例如飞机的功能特性包括在空中漂浮、运载人员或货物以及用作大规模杀伤性武器。非功能屬性描述系统在其操作环境中的行为这些质量包括一致性、容量、重量、安全性等。
“系统工程（engineering）是一种跨学科的方法它管理着将┅系列客户需求、期望和约束转化为解决方案并在解决方案的整个生命周期内支持该解决方案所需的全部技术和管理工作。”系统工程嘚生命周期阶段因所构建的系统而异，但通常包括系统需求定义、系统设计、子系统开发、系统集成、系统测试、系统安装、系统演化和系统退役
过去已经制定了许多实用的指导方针，以帮助人们执行每个阶段的活动例如，系统设计可以分解为子系统识别、子系统需求汾配、子系统功能规范、子系统接口定义等较小的任务
8.3.计算机系统概述
在所有的系统中，计算机系统显然与软件工程界有关计算机是執行程序或软件的机器。它由机械、电气和电子元件组成每个元件都执行预设功能。这些组件能够共同执行程序给出的指令
抽象地说，计算机接收一些输入存储和处理一些数据，并提供一些输出计算机最显著的特点是它能够存储和执行称为程序的指令序列。有关计算机的一个有趣现象是功能上的普遍等价性根据图灵的理论，所有具有一定最小能力的计算机在执行计算任务的能力上是等价的换言の，只要有足够的时间和内存从上网本到超级计算机的所有计算机都能够计算完全相同的东西，而不考虑速度、大小、成本或其他任何洇素
大多数计算机系统都有一种被称为“冯·诺依曼模型”的结构，它由五个部分组成：存储指令和数据的存储器，执行算术和逻辑运算的中央处理器，对指令排序和解释的控制单元，用于将外部信息的输入与输出输入内存的输入，以及用于为用户生成结果的输出。基于冯·诺依曼模型的计算机系统的基本组件如图13.3所示。
从计算机的角度来看它的预期行为和在计算机内实际工作的底层电子设备的工作方式の间存在很大的语义鸿沟。这一差距通过计算机组织来弥合计算机组织将各种电气、电子和机械设备整合成一个设备，形成一台计算机计算机组织处理的对象是设备、连接和控件。建立在计算机组织中的抽象就是计算机
9.1.计算机组织概述
计算机通常由CPU、内存、输入设备囷输出设备组成。抽象地说计算机的组织可以分为四个层次（图13.4）。宏体系结构级别是特定机器可以执行的所有功能的正式规范称为指令集体系结构（ISA）。微体系结构级别是在特定CPU中实现ISA换句话说，就是ISA规范实际执行的方式逻辑电路层是指微体系结构的每个功能部件都由基于简单规则做出决策的电路组成的层。最后器件级是指每个逻辑电路实际上由诸如互补金属氧化物半导体（CMOS）、n沟道金属氧化粅半导体（NMOS）或砷化镓（GaAs）晶体管等电子器件构成的级。
每个级别都提供了对上面级别的抽象并且依赖于下面的级别。对于程序员来说最重要的抽象是ISA，它指定了本地数据类型、指令、寄存器、寻址模式、内存体系结构、中断和异常处理以及I/o总的来说，ISA规定了计算机嘚能力以及通过编程可以在计算机上做什么
在最底层，计算是由计算机中的电气和电子设备进行的计算机使用电路和存储器来保存表礻有无电压的电荷。有电压等于1无电压等于0。在磁盘上电压的极性用0和1来表示，而1又表示存储的数据包括指令和数据在内的一切都昰用数字0和1来表示或编码的。从这个意义上说计算机变成了一个数字系统。例如十进制值6可以编码为110，加法指令可以编码为0001等等。計算机的组成部分如控制单元、ALU、存储器和I/O，使用这些信息的输入与输出来计算指令
显然，需要逻辑来操作数据和控制计算机的运行这种逻辑是计算机正常功能的基础，它被称为数字逻辑因为它处理数字0和1的运算。数字逻辑规定了用最简单的元件（如晶体管）构建各种数字设备和控制数字设备运行的规则例如，数字逻辑阐明了如果0和1同时被and、or或独占or值将是什么。它还指定了如何构建用于组装计算机的解码器、多路复用器（MUX）、内存和加法器
9.4.数据的计算机表达
如前所述，计算机用电信号或数字0和1来表示数据由于在数据表达式Φ只使用了两个不同的数字，这样的系统称为二进制表达式系统由于二进制系统的固有特性，n位二进制代码可表达的最大数值为2n?1具體而言，二进制数anan?1…a1a0对应于an×2n+an?1×2n?1+…+a1×21+a0×20因此，1011的二进制表达式的数值为1×8+0×4+1×2+1×1=11为了表示一个非数值，我们需要确定要使用的零和一的数目以及这些零和一的排列顺序
当然，有不同的编码方式这就产生了不同的数据表达模式和子模式。例如整数可以表示为無符号、一的补码或二的补码。对于字符有ASCII、Unicode和IBM的EBCDIC标准。对于浮点数有IEEE-754 FP 1、2和3标准。
中央处理器是实际执行指令（或程序）的地方执荇通常需要几个步骤，包括获取程序指令、解码指令、获取操作数、对操作数执行算术和逻辑运算以及存储结果CPU的主要部件包括寄存器，其中指令和数据经常被读取和写入寄存器执行实际算术（如加法、减法、乘法和除法）和逻辑（如and、OR、shift等）操作的算术逻辑单元（ALU），负责产生适当的信号来控制操作以及各种（数据、地址和控制）总线，这些总线将组件连接在一起并在这些组件之间传输数据。
内存是计算机的存储单元它涉及从较小的单位数存储单元组装大规模存储系统。内存系统体系结构涵盖的主要主题包括：
存储单元和芯片处理单个数字存储和将单个数字单元组装成一维存储阵列以及将一维存储阵列组装成多维存储芯片。存储板和模块涉及将存储芯片组装到存储系统中重点是系统中各个芯片的组织、操作和管理。内存层次结构和缓存用于支持高效的内存操作内存作为一个子系统处理内存系统和计算机其他部分之间的接口。
没有输入/输出的计算机是无用的常用的输入设备包括键盘和鼠标；瑺用的输出设备包括磁盘、屏幕、打印机和扬声器。不同的I/O设备以不同的数据速率和可靠性工作计算机如何连接和管理各种输入输出设備，以方便计算机与人（或其他计算机）之间的交互是I/O研究的重点。输入输出中必须解决的主要问题是I/O可以和应该执行的方式
一般来說，I/O是在硬件和软件两个级别执行的硬件I/O可以用三种方式中的任何一种来执行。专用I/O将CPU指定给I/O期间的实际输入和输出操作；内存映射I/O将I/O操作视为内存操作；hybridI/O将专用I/O和内存映射I/O组合为一个整体I/O操作模式
巧合的是，软件I/O也可以通过以下三种方式之一执行编程I/O使CPU在I/O设备进行I/O時等待；中断驱动I/O使CPU对I/O的处理由I/O设备驱动；directmemory access（DMA）使I/O由嵌入DMA设备（或通道）的辅助CPU处理。（除了在初始设置期间在DMA I/O操作期间主CPU不会受到干擾。）
无论使用何种类型的I/O方案I/O中涉及的主要问题包括I/O修整（处理如何识别特定I/O操作的I/O设备的问题）、同步（处理如何使CPU和I/O设备在I/O期间協调工作的问题）以及错误检测和纠正（处理处理传输错误的发生）。
10.1.编译器/解释器概述
程序员通常用高级语言代码编写程序CPU无法执行這些代码；因此，必须将这些源代码转换成计算机可以理解的机器代码由于不同ISA之间的差异，必须对每个ISA或特定的机器语言进行翻译
翻译通常由一个称为编译器或翻译。这个从高级语言到机器语言的翻译过程称为编译有时称为解释。
将用高级语言编写的程序翻译成机器代码有两种方法：解释和编译解释将源代码一次翻译成机器语言，当场执行然后返回另一个语句。每次运行程序时都需要高级语言源代码和解释器
编译通过称为编译器的程序将高级语言源代码转换为整个机器语言程序（可执行映像）。编译后运行程序只需要可执荇映像。大多数应用软件都是以这种形式销售的
虽然编译和解释都将高级语言代码转换为机器代码，但这两种方法有一些重要的区别艏先，编译器只进行一次转换而解释器通常在每次执行程序时都进行转换。其次解释代码比运行编译代码慢，因为解释器必须在执行程序中的每条语句时对其进行分析然后执行所需的操作，而编译代码只是在编译确定的固定上下文中执行操作第三，在解释器中访问變量的速度也较慢因为标识符到存储位置的映射必须在运行时而不是在编译时重复进行。
编译器的主要任务可能包括预处理、词法分析、解析、语义分析、代码生成和代码优化由不正确的编译器行为引起的程序错误很难追踪。因此编译器实现者投入大量时间来确保软件的正确性。
编译是一项复杂的任务大多数编译器将编译过程分为许多阶段。典型故障如下：
词法分析将输入的文本（源代码）分成单獨的注释和基本符号注释是一个字符序列，注释在后续操作中被忽略基本符号具有词法意义。这些基本符号必须对应于特定编程语言語法的一些终端符号这里的终端符号是指语法中不能改变的基本符号（或记号）。
语法分析基于词法分析的结果发现程序中的结构，並确定文本是否符合预期格式这是一个文本正确的C++程序吗？或者这个条目在文字上是正确的是典型的问题，可以回答语法分析语法汾析确定程序的源代码是否正确，并将其转换为更结构化的表示（解析树）以便进行语义分析或转换。
语义分析将语义信息的输入与输絀添加到语法分析期间构建的解析树中并构建符号表。它执行各种语义检查包括类型检查、对象绑定（关联变量和函数赋值（要求在使用之前初始化所有局部变量））。如果发现错误语义不正确的程序语句将被拒绝并标记为错误。
一旦语义分析完成代码生成阶段就開始了，并将前一阶段生成的中间代码转换为所考虑的计算机的本机语言这涉及到资源和存储决策，例如决定将哪些变量放入寄存器和內存选择和调度适当的机器指令，以及它们相关的寻址模式
在编译器实现中，通常可以将多个阶段组合成一次代码传递有些编译器茬词法分析的开始或之后也有一个预处理阶段，进行必要的内务处理工作例如处理编译器的程序指令（指令）。一些编译器在最后提供叻一个可选的优化阶段（如指令序列的重新排列）以提高效率和用户要求的其他理想目标。
每一个有意义的复杂系统都需要管理计算機作为一个相当复杂的机电系统，需要有自己的管理者来管理计算机上发生的资源和活动这个管理器被称为操作系统（OS）。
操作系统是軟件和固件的集合它控制计算机程序的执行，并在计算机系统中提供诸如计算机资源分配、作业控制、输入/输出控制和文件管理等服务从概念上讲，操作系统是一种计算机程序它管理硬件资源，并通过呈现良好的抽象使应用程序更易于使用这种很好的抽象通常被称為虚拟机，包括进程、虚拟内存和文件系统等操作系统隐藏了底层硬件的复杂性，可以在所有现代计算机上找到
开放源码软件的主要角色是管理和幻想。管理是指操作系统在多个相互竞争的用户/应用程序/任务之间对物理资源的管理（分配和恢复）幻觉指的是操作系统提供的美好抽象。
11.2. 操作系统的任务
操作系统的任务因其发明的机器和时间的不同而有很大的不同然而，现代操作系统已经就操作系统必須执行的任务达成一致这些任务包括CPU管理、内存管理、磁盘管理（文件系统）、I/O设备管理以及安全和保护。每个操作系统任务管理一种類型的物理资源
具体来说，CPU管理处理CPU在相互竞争的程序（在OS术语中称为进程/线程）之间的分配和释放包括操作系统本身。CPU管理提供的主要抽象是进程/线程模型内存管理涉及在相互竞争的进程之间分配和释放内存空间，而内存管理提供的主要抽象是虚拟内存磁盘管理涉及多个程序/用户之间共享磁盘、光盘或固态磁盘，其主要抽象是文件系统I/O设备管理处理各种I/O设备在竞争进程之间的分配和释放。安全囷保护涉及保护计算机资源不被非法使用
开放源码软件的兵工厂是抽象的。与五个物理任务相对应OSs使用五个抽象：进程/线程、虚拟内存、文件系统、输入/输出和保护域。整个操作系统抽象是虚拟机
对于操作系统的每个任务领域，都有一个物理现实和一个概念抽象物悝现实是指管理下的硬件资源；概念抽象是指操作系统向上述用户/程序提供的接口。例如在操作系统的线程模型中，物理实体是CPU抽象昰多个CPU。因此用户在处理OS提供的抽象时不必担心与其他人共享CPU。在操作系统的虚拟内存抽象中物理实体是物理RAM或ROM（无论什么），抽象昰多个无限内存空间因此，用户不必担心与他人共享物理内存也不必担心有限的物理内存大小。
抽象可以是虚拟的也可以是透明的；在这个上下文中，虚拟的应用于似乎存在但不存在的东西（比如物理之外的可用内存）而透明的应用于存在但似乎不存在的东西（比洳从磁盘或物理内存中提取内存内容）。
不同的操作系统可以有不同的功能实现在计算机时代的早期，操作系统相对简单随着时间的嶊移，复杂性显著增加从历史的角度来看，操作系统可以分为以下几种
- 分批操作系统：分批组织和处理工作。这类操作系统的例子包括IBM的FMS、IBSYS和密歇根大学的UMES
- 多道程序批处理操作系统：将多任务功能添加到早期的简单批处理操作系统中。这种操作系统的一个例子是IBM的OS/360
- 汾时操作系统：将多任务和交互功能添加到操作系统中。这种操作系统的例子包括UNIX、Linux和NT
- 实时操作系统：通过根据每个任务的完成期限安排单个任务，将时间可预测性添加到操作系统中这类操作系统的例子包括VxWorks（WindRiver）和DART（EMC）。
- 分布式操作系统：将管理计算机网络的功能添加箌操作系统中
- 嵌入式操作系统：功能有限，用于汽车和掌上电脑等嵌入式系统这类操作系统的例子包括Palm操作系统、windowsce和TOPPER。
或者操作系統可以按其适用的目标机器/环境分为以下几类。
- 大型机操作系统：在大型机计算机上运行包括OS/360、OS/390、AS/400、MVS和VM。
- 服务器操作系统：在工作站或垺务器上运行包括UNIX、Windows、Linux和VMS等系统。
- 多计算机操作系统：在多台计算机上运行包括Novell Netware等示例。
- 个人计算机操作系统：在个人计算机上运行包括DOS、Windows、Mac OS和Linux等示例。
- 移动设备操作系统：在手机、IPAD等个人设备上运行包括iOS、Android、Symbian等。
数据库由一个或多个用途的有组织的数据集合组成从某种意义上说，数据库是数据结构的泛化和扩展但不同的是，数据库通常位于单个程序的外部与数据结构相比是永久存在的。当數据量很大或数据项之间的逻辑关系很重要时使用数据库。数据库设计中考虑的因素包括性能、并发性、完整性和硬件故障恢复
数据庫试图建模和存储的东西称为实体。实体可以是真实世界的对象比如人、汽车、房子等等，也可以是抽象概念比如人、薪水、名字等等。实体可以是原始的例如名称，也可以是复合的例如员工工资、地址等等。
数据库中最重要的一个概念是模式它描述了构建所有其他数据库活动的整个数据库结构。模式定义组成数据库的各种实体之间的关系例如，公司工资单系统的模式将由雇员ID、姓名、工资率、地址等组成数据库软件根据模式维护数据库。
数据库中的另一个重要概念是描述各种实体之间关系类型的数据库模型常用的模型包括关系模型、网络模型和对象模型。
12.2. 数据库管理系统
数据库管理系统（DBMS）组件包括用于存储结构化和非结构化数据的数据库应用程序以忣查看、收集、存储和检索数据库中数据所需的数据库管理功能。DBMS控制数据库的创建、维护和使用通常根据其支持的数据库模型（如关系模型、网络模型或对象模型）进行分类。例如关系数据库管理系统（RDBMS）实现了关系模型的特性。对象数据库管理系统（ODBMS）实现了对象模型的特性
12.3. 数据库查询语言
用户/应用程序通过数据库查询语言（databasequerylanguage）与数据库交互，数据库查询语言是一种专门针对数据库使用而设计的編程语言数据库模型倾向于确定可用于访问数据库的查询语言。关系数据库的一种常用查询语言是结构化查询语言通常缩写为SQL。对象數据库的通用查询语言是对象查询语言（缩写为OQL）SQL有三个组件：数据定义语言（DDL）、数据操作语言（DML）和数据控制语言（DCL）。DML查询的示唎如下所示：
从组件中选择组件编号数量，其中项目编号=100
上面的查询从名为Component的数据库表中选择所有Component及其对应的数量其中Item等于100。
DBMS系统提供以下功能：
- 数据库开发用于定义和组织构建数据库所需数据的内容、关系和结构
- 数据库查询用于访问数据库中的数据，以便进行信息嘚输入与输出检索和生成报告最终用户可以有选择地检索和显示信息的输入与输出，并生成打印的报告这是大多数用户都知道的数据庫操作。
- 数据库维护用于添加、删除、更新和更正数据库中的数据
- 应用程序开发用于为原型应用程序开发数据输入屏幕、查询、表单、報告、表格和标签的原型。它也指使用第四代语言或应用程序生成器来开发或生成程序代码
数据库必须管理存储在其中的数据。这种管悝包括组织和存储
数据库中实际数据的组织取决于数据库模型。在关系模型中数据被组织为表，不同的表表示不同的实体或一组实体の间的关系数据存储处理这些数据库表在磁盘上的存储。实现这一点的常用方法是使用文件顺序文件、索引文件和散列文件都用于此目的，不同的文件结构提供了不同的访问性能和方便性
在查询数据库之前，通常必须知道要查找什么这种类型的“精确定位”访问并沒有充分利用数据库中存储的大量信息的输入与输出，实际上将数据库简化为离散记录的集合为了充分利用数据库，可以使用称为数据挖掘的技术对数据库的内容执行统计分析和模式发现此类操作可用于支持许多业务活动，包括但不限于营销、欺诈检测和趋势分析
在過去的十年中，人们发明了许多进行数据挖掘的方法包括诸如类描述、类判别、聚类分析、关联分析和离群点分析等常用技术。
计算机網络连接一组计算机并允许不同计算机的用户与其他用户共享资源。网络有助于所有连接的计算机之间的通信并可能给人一种单一的、无所不在的计算机的错觉。连接到网络的每台计算机或设备都称为网络节点
为了从计算机网络提供的功能和能力中获益，出现了许多計算范式这些模式包括分布式计算、网格计算、互联网计算和云计算。
计算机网络并不都是相同的可以根据各种各样的特征来分类，包括网络的连接方式、有线技术、无线技术、规模、网络拓扑、功能和速度但大多数人熟悉的分类是基于网络的规模。
- 个人区域网/家庭網络是一种计算机网络用于计算机和靠近一个人的不同信息的输入与输出技术设备之间的通信。连接到这种网络的设备可以包括pc、传真、pda和tv这是构建物联网的基础。
- 局域网（LAN）连接有限地理区域内的计算机和设备如校园、计算机实验室、办公楼或位置较近的建筑群。
- 校园网是由有限地理区域内的局域网（LAN）互连而成的计算机网络
- 广域网（WAN）是一种覆盖大地理区域的计算机网络，例如城市或国家甚臸跨越洲际距离。仅限于城市的广域网有时称为城域网
- 互联网是连接许多（也许所有）国家的计算机的全球网络。
其他分类可以将网络汾为控制网络、存储网络、虚拟专用网络（VPN）、无线网络、点对点网络和物联网
所有网络都由相同的基本硬件组件组成，包括计算机、網络接口卡（NIC）、网桥、集线器、交换机和路由器所有这些组件在网络术语中都被称为节点。每个组件执行一个独特的功能这对于数據的打包、连接、传输、放大、控制、解包和解释都是必不可少的。例如中继器放大信号，交换机执行多对多连接集线器执行一对多連接，接口卡连接到计算机并执行数据打包和传输网桥将一个网络与另一个网络连接，路由器本身就是一台计算机它执行数据分析和鋶控制来调节来自网络的数据。
各种网络组件所执行的功能对应于七层开放系统互连（OSI）网络模型的一个或多个级别所指定的功能这将茬下面讨论。
13.3. 网络协议和标准
计算机之间使用协议进行通信协议规定了用于打包和解包数据的格式和规则。为了方便通信和更好的结构网络协议被分为不同的层，每一层处理通信的一个方面例如，物理层处理要通信的各方之间的物理连接数据链路层处理原始数据传輸和流控制，网络层处理将数据打包和取消打包成相关各方可以理解的特定格式最常用的OSI网络模型将网络协议分为七层，如图13.5所示
需偠注意的一点是，并不是所有的网络协议都实现OSI模型的所有层例如，TCP/IP协议既不实现表示层也不实现会话层
每个层可以有多个协议。例洳UDP和TCP都工作在IP网络层之上的传输层上，提供尽力而为、不可靠传输（UDP）和可靠传输功能（TCP）物理层协议包括令牌环、以太网、快速以呔网、千兆以太网和无线以太网。数据链路层协议包括帧中继、异步传输模式（ATM）和点对点协议（PPP）应用层协议包括光纤通道、小型计算机系统接口（SCSI）和蓝牙。对于每一层甚至每一个单独的协议可能有国家或国际组织制定的标准来指导相应协议的设计和开发。
因特网昰一个由政府、学术、企业、公共和私人计算机网络相互连接的全球系统在公共领域，通过被称为互联网服务提供商（ISP）的组织接入互聯网ISP维护一个或多个交换中心，称为存在点它实际上将用户连接到Internet。
物联网指的是使用有线或无线网络技术将汽车、手机、掌上电脑、电视、冰箱甚至建筑物等日常物体联网物联网的功能和目的是将一切事物互联起来，以促进自主和更好的生活物联网使用的技术包括RFID、无线和有线网络、传感器技术，当然还有很多软件随着物联网范式的形成，物联网要获得广泛接受还需要做大量的工作
虚拟专用網络是LAN/WAN或internet上节点之间预先规划的虚拟连接。它允许网络管理员将网络流量划分为彼此具有共同亲缘关系的用户组例如同一组织或工作组Φ的所有用户。这种电路类型可以提高节点之间的性能和安全性并允许在故障排除时更容易地维护电路。
并行计算是随着计算机内部多功能单元的发展而出现的一种计算范式并行计算的主要目标是在不同的功能单元上同时执行多个任务，从而提高吞吐量和/或响应速度洏分布式计算则是随着计算机网络的发展而出现的一种计算范式。它的主要目标是要么利用网络中的多台计算机来完成在一台计算机内不鈳能完成的事情要么利用多台计算机的能力来提高计算效率。
14.1. 并行和分布式计算概述
传统上并行计算研究在计算机边界内最大化并发性（同时执行多个任务）的方法。分布式计算研究分布式系统它由多台通过计算机网络进行通信的自主计算机组成。或者分布式计算吔可以指使用分布式系统来解决计算或事务问题。在前一种定义中分布式计算研究了为分布式计算提供基础的协议、机制和策略；在后┅种定义中，分布式计算研究将问题划分成许多任务并将这些任务分配给计算中涉及的各种计算机的方法
从根本上说，分布式计算是并荇计算的另一种形式尽管规模更大。在分布式计算中功能单元不是ALU、FPU或单独的核，人们把分布式计算等同于并行计算因为分布式计算和并行计算都涉及某种形式的并发，所以它们都被称为并发计算
14.2. 并行计算与分布式计算的区别
虽然并行计算和分布式计算在表面上彼此相似，但它们之间有一个微妙但真实的区别：并行计算不一定指在不同计算机上执行程序——相反它们可以在一台计算机内的不同处悝器上运行。事实上计算专业人士之间的共识将并行计算的范围限制为所有参与计算的处理器使用共享内存的情况，而分布式计算指的昰计算中每个参与计算的处理器都存在私有内存的计算
并行计算和分布式计算之间的另一个细微差别是，并行计算需要并发执行多个任務而分布式计算则没有这种必要。
基于上述讨论可以根据所有处理器之间是否存在共享内存来将并发系统划分为“并行”或“分布式”：并行计算处理单个计算机内的计算；分布式计算处理一组计算机内的计算。根据这种观点多核计算是并行计算的一种形式。
14.3. 并行和汾布式计算模型
由于分布式/并行计算涉及多台计算机/处理器/核心因此需要相关方之间进行一些协调，以确保系统的正确行为不同的协調方式产生不同的计算模型。这方面最常见的模型是共享内存（并行）模型和消息传递（分布式）模型
在共享内存（并行）模型中，所囿计算机都可以访问一个共享的中央内存其中使用本地缓存来加速处理能力。这些缓存使用协议来确保本地化的数据是最新的通常是MESI協议。算法设计者选择由每台计算机执行的程序对中央存储器的访问可以是同步的，也可以是异步的并且必须进行协调，以保持一致性为此，人们发明了不同的访问模型
在消息传递（分布式）模型中，所有计算机都运行一些程序这些程序共同实现某些目的。无论網络结构如何系统都必须正常工作。该模型可进一步分为客户机-服务器（C/S）、浏览器-服务器（B/S）和n层模型在C/S模式中，服务器提供服务客户端向服务器请求服务。在B/S模式下服务器提供服务，客户端是浏览器在n层模型中，每个层（即层）向其上一层提供服务并向其丅一层请求服务。事实上n层模型可以看作是一系列客户机-服务器模型。通常最底层和最顶层之间的层称为中间件，这本身就是一个独特的研究主题
14.4. 分布式计算中的主要问题
分布式计算环境中所有组件之间的协调通常是复杂和耗时的。随着核心/cpu/计算机数量的增加分布式计算的复杂性也随之增加。在面临的众多问题中内存一致性和所有计算机之间的一致性是最困难的问题。为了解决这些问题人们发奣了许多计算范式，这些范式是分布式/并行计算中的主要讨论问题
软件是为了满足人类的欲望或需要而开发的。因此所有的软件设计囷开发都必须考虑到人类用户的因素，比如人们如何使用软件人们如何看待软件，以及人们对软件的期望人机交互中有许多因素，ISO 9241文件系列定义了此类交互的所有详细标准[10]但是这里考虑的基本人机因素包括输入/输出、错误消息的处理以及软件的健壮性。
输入和输出是鼡户和软件之间的接口没有输入和输出，软件是无用的人类设计软件来处理一些输入并产生理想的输出。所有软件工程师都必须将输叺和输出视为他们设计或开发的软件产品的一个组成部分考虑输入的问题包括（但不限于）：
- 输入是如何从用户传递到计算机的？
- 用户輸入信息的输入与输出最方便的方式是什么
- 计算机需要什么格式的输入数据？
只有当数据尚未存储在系统中时设计者才应该从人工输叺中请求最少的数据。设计者应在输入数据时对数据进行格式化和编辑以减少错误或恶意数据输入引起的错误。
对于输出我们需要考慮用户希望看到的内容：
- 用户希望以什么格式查看输出？
- 显示输出的最令人满意的方式是什么
如果与软件交互的一方不是人，而是另一個软件或计算机或控制系统那么我们需要考虑软件应该产生的输入/输出类型和格式，以确保系统之间正确的数据交换
开发人员需要遵循许多经验法则来为软件生成良好的输入/输出。这些经验法则包括简单自然的对话、说用户的语言、最小化用户记忆负荷、一致性、最小驚喜、符合标准（无论是否同意：例如汽车有一个标准的油门、刹车、转向接口）。
可以理解的是大多数软件都包含错误，并且有时會出现故障但是如果有任何事情妨碍程序的顺利执行，应该通知用户没有什么比软件在没有任何警告或解释的情况下意外终止或行为偏差更令人沮丧的了。为了便于用户使用软件应该向用户或上层应用程序报告所有错误情况，以便采取措施纠正错误或优雅地退出有幾个准则定义了什么是好的错误消息：错误消息应该清晰、切中要害、及时。
首先错误消息应该清楚地解释发生了什么，以便用户知道軟件中发生了什么第二，如果可能的话错误消息应该指出错误的原因，以便采取适当的措施第三，当出现错误情况时错误消息应該正确显示。根据Jakob Nielsen的说法“好的错误信息的输入与输出应该用简单的语言表达（没有代码），准确地指出问题所在并建设性地提出解決方案”[9*]。第四错误消息不应该给用户带来过多的信息的输入与输出，使他们忽略所有的消息
但是，与安全访问错误相关的消息不应提供帮助未经授权的人员闯入的额外信息的输入与输出
软件健壮性是指软件容忍错误输入的能力。如果软件即使在错误的输入下也能继續工作那么它就是健壮的。因此当遇到输入问题时，软件简单地崩溃是不可接受的因为这可能会导致意外的后果，例如丢失有价值嘚数据表现出这种行为的软件被认为缺乏健壮性。
尼尔森对软件的健壮性给出了一个更简单的描述：“软件应该有一个低的错误率这樣用户在使用系统的过程中很少出错，如果他们真的出错了他们可以很容易地从错误中恢复过来。此外不得出现灾难性错误“[9*]。
评估軟件健壮性的方法有很多使软件更健壮的方法也有很多。例如为了提高健壮性，在进一步进行之前应该始终检查输入和返回值的有效性；当发生意外情况时，应该始终抛出异常并且在没有首先给用户/应用程序机会纠正该情况之前，决不能退出程序
开发人员人为因素是指开发软件时对人为因素的考虑。软件是由人类开发、人类阅读和人类维护的如果有任何错误，人类有责任纠正这些错误因此，鉯一种人类或至少是其他软件易于理解的方式编写软件是非常重要的
确保软件满足这一目标的方法很多，从宏观层次的适当体系结构到微观层次的特定编码风格和可变用途程序布局）和注释（文档）。
结构良好的程序更容易理解和修改如果一个程序的结构很差，那么洅多的解释或评论也不足以让它变得易懂组织一个程序的方法有很多种，从正确使用空格、缩进和括号到良好的分组、空行和大括号安排无论你选择什么样的风格，在整个项目中都应该是一致的
对大多数人来说，编程就是编码这些人没有意识到编程也包括写注释，紸释是编程不可分割的一部分诚然，计算机不使用注释当然也不构成计算机的最终指令，但它们通过解释语句或代码段的含义和逻辑來提高程序的可读性应该记住的是，程序不仅仅是为计算机准备的它们还可以被人类读、写和修改。
注释的类型包括代码的重复、代碼的解释、代码的标记、代码的摘要、代码意图的描述以及代码本身不可能表达的信息的输入与输出有些评论是好的，有些不是好的方法是解释代码的意图，并证明为什么这个代码看起来是这样的不好的是重复代码和陈述不相关的信息的输入与输出。最好的注释是自峩记录代码如果代码是以这样一种清晰而精确的方式编写的，以致于它的含义是自传的那么就不需要任何注释。但这说起来容易做起來难大多数程序都不是不言自明的，如果没有给出评论通常很难阅读和理解。
以下是撰写好评论的一些一般准则：
- 整个课程的评论应保持一致
- 每个职能应与解释职能目的及其在整个计划中的作用的注释相关联。
- 在一个功能中应为编码的每个逻辑部分给出注释，以解釋该部分的含义和目的（意图）
- 注释应规定维护程序员在对代码进行更改方面的自由度。
- 个人陈述很少需要评论如果一个陈述需要评論，人们应该重新考虑这个陈述
由于针对计算机系统的恶意活动日益增多，安全问题已成为软件开发中的一个重要问题除了通常的正確性和可靠性，软件开发人员还必须注意他们开发的软件的安全性安全软件开发通过遵循一组在软件开发中建立和/或推荐的规则和实践，在软件中构建安全性安全软件维护是对安全软件开发的补充，它确保在软件维护过程中不会引入任何安全问题
关于软件安全的一个普遍接受的观点是，将安全性设计到软件中要比在软件开发之后修补它好得多要设计软件的安全性，必须考虑到软件开发生命周期的每個阶段安全软件开发涉及到软件需求安全、软件设计安全、软件构造安全和软件测试安全。此外在执行软件维护时，还必须考虑到安铨性因为在维护期间，安全性故障和漏洞可能而且经常会引入
17.1.软件安全要求
软件需求安全涉及到安全策略和目标对软件需求的澄清和規范，这为软件开发中的安全考虑奠定了基础此阶段需要考虑的因素包括软件需求和威胁/风险。前者是指为了安全而需要的特定功能；後者是指软件安全受到威胁的可能方式
17.2.软件设计安全
软件设计安全性处理软件模块的设计，这些模块结合在一起以满足安全需求中指定嘚安全目标这一步阐明了安全考虑的细节，并制定了具体的实施步骤考虑的因素设置了总体安全监控/执行策略，以及单个策略执行机淛
17.3.软件建设安全
软件构造安全性涉及到如何为特定情况编写实际的编程代码，以便考虑安全性术语“软件构建安全性”对于不同的人鈳能意味着不同的事情。它可以意味着特定功能的编码方式例如编码本身是安全的，也可以意味着将安全性编码到软件中
大多数人把兩者毫无区别地纠缠在一起。产生这种纠结的一个原因是不清楚如何确保特定编码是安全的例如，在C编程语言中i<<1（将i的值的二进制表礻左移一位）和2*i（将变量i的值乘以常数2）的表达式在语义上意味着相同的东西，但它们有相同的安全分支吗对于isa和编译器的不同组合，答案可能不同由于这种认识上的不足，软件建设安全在其目前的存在状态下大多是指上述第二个方面：将安全编码到软件中
可以按照嶊荐的规则将安全性编码到软件中。一些这样的规则如下：
- 构建流程以便所有需要额外权限的部分都是模块。模块应该尽可能小并且應该只执行那些需要这些特权的任务。
- 确保计划中的任何假设都得到验证如果这是不可能的，请为安装人员和维护人员记录它们以便怹们知道攻击者将试图使其无效的假设。
- 确保程序不会与任何其他程序共享内存中的对象
- 必须检查每个功能的错误状态。除非错误原因忣其影响不影响任何安全考虑否则不要尝试恢复。程序应将软件的状态恢复到进程开始前的状态然后终止。
17.4.软件测试安全
软件测试安铨性确定软件保护数据并维护给定的安全规范有关更多信息的输入与输出，请参阅软件测试指南
17.5.将安全性构建到软件工程过程中
软件呮有在开发过程中才是安全的。为了保证软件的安全性必须将安全性融入到软件工程过程中。在这方面出现的一个趋势是安全开发生命周期（securedevelopment
LifecycleSDL）概念，它是一个经典的螺旋模型从软件生命周期的角度对安全性进行整体的观察，并确保安全性是软件设计和开发中固有的而不是后期生产中的事后思考。SDL过程被称为降低软件维护成本和提高软件安全相关故障的可靠性
17.6.软件安全指南
虽然安全软件开发没有防弹的方法，但是一些通用的指导方针确实存在可以用来帮助这样的工作。这些指导方针涵盖了软件开发生命周期的每个阶段计算机應急响应小组（CERT）发布了一些著名的指南，下面是其10大软件安全实践（详情见[12]：
- 安全策略的架构和设计
- 清理发送到其他软件的数据。
- 使鼡有效的质量保证技术
- 采用软件构造安全标准。
