计算机历史——软件的发展
软件从未变得如此重要。当年赴摩尔学院听计算机讲座的先驱们万万没有想到，他们所学的知识竟然催生了一个新的行业，一个由计算机指令支撑起来的虚拟行业。软件分为多个层次，涉及到微代码、机器代码、汇编语言、高级语言的转换。数据库、软件开发过程，乃至整个企业结构都与之息息相关。计算机无所不在，它们的思想统领着整个世界。软件的重要性已变得无以复加，无怪乎世界上财力最雄厚的富豪当中，有好几个人是靠经营软件公司而积累了大笔的财富。
“优化软件就相当于优化一切。”
数据库
随着编程语言的功能日渐强大，计算机的速度日益加快，容量日益扩大，可靠性日益增强。很快，计算机科学家就意识到，除了计算方程式的结果，计算机还可以在更广阔的领域大有可为。它们可以快速存储和处理大量的数据。
如果只是单纯存储一系列数字，那倒不是什么难事，但是，如果存储的是病历记录或者财会记录，那么情况就会复杂许多。这就要求计算机必须能在短时间内迅速找到特定的信息条目——比如某一份病例中记述的病因，或者某一天产生的支付记录。怎样编排数据才能帮助我们轻松地找到所需信息呢？
这些都不是什么新的问题——自从第一部词典问世以来，人们就面临着快速查找词条的问题。其解决办法，就是按照字母表的顺序编排词语。以某个单词为参照，词典中的其他词语中要么在它之前，要么在它之后。因此，我们在查找单词时，可以翻开词典的任何一页，然后根据上面的词语决定应该往前翻还是往后翻，直到将我们想查的单词查找出来。
第一代
第一代数据库都是按照非常类似的原则编排的，它们于20世纪60年代问世，被称为导航式数据库管理系统（navigational database management system）。数据库第一次打开时，就会自动出现一个指针，指向第一条存储记录（好比翻开词典正文的第一页，就会看到第一个词条是以a开头的单词）。这些存储记录按照链表或网状结构编排，每一条记录当中都存有一个指针，指向相邻的记录。为了检索信息，计算机需要访问每一条记录，并通过其中的链接跳转到下一个记录，以此类推，直到找到用户所需的信息。如果用户想从一个庞大的数据库中检索出所有心脏病患者的病例，那么计算机就需要把每一条记录都访问一遍，才能将心脏病患者的病例筛选出来。这显然是一个非常缓慢而低效的信息检索方式，而且在那个年代，计算机和存储设备的运转速度都慢得可怜，要执行这样的检索是难以想象的。或许这种事情在今天的人看来有些匪夷所思，不过第一代数据库的确是不能用来查找信息。
随着计算机和存储器的性能日渐提升，导航式数据库的局限性也愈发凸显。20世纪70年代，IBM的一名英国研究人员埃德加·弗兰克·科德（Edgar Frank “Ted” Codd）认为，数据库的模型亟待改进。科德与开发硬盘存储系统的IBM员工一道，设计了一个新的数据库模型，科德称之为关系模型。这种数据库结构比较智能化。数据的编排方式并不是像词典那样列出一长串条目，而是采用一系列数据库表，不同的数据库表通过关系键联系起来。
为了便于大家理解关系数据库，我们用词典来打个比方。关系数据库就好比一系列分类词典，比如动词词典、名词词典、副词词典等等。如果你想查找某个单词——比如动词“bow”，那就只需要翻阅动词词典。如果你想找“bow”的名词词义，那就只需要翻阅名词词典。这比从头到尾地翻阅一本超厚的大词典要高效多了。
关系数据库也是同样的道理，它采用关系键，将不同的记录联系起来。比方说，一个员工信息数据库可能会以员工编号作为关系键。知道了工号，你就可以在各个数据库表（好比各个分类词典）中分别查询员工的工资信息、家庭住址、计算机登录情况等等。每个数据库表中的值都可以作为关系键，用于在其他数据库表中查找相应的信息。也就是说，员工的职位描述也可作为关系键，用来查询员工是否具备参与机密工作的资格。
SEQUEL的出现
20世纪70年代末出现了一种特殊的编程语言，用户可以通过它查询数据库中的复杂信息。这种语言脱胎于关系代数和微积分，全称为结构化英语查询语言（SEQUEL，即Structured English Query Language），后来又很快简称为结构化查询语言（SQL）。SQL支持查询、表达式、从句等多种编程元素。有了它，用户就可以在数据库中查询高度复杂的信息。
数据库管理系统负责接收和翻译SQL表达式，并尽快返回结果（如果情况理想的话）。SQL中包含好几种语言，其中数据操纵语言（data manipulation language，简称DML）和数据定义语言（data definition language，简称DDL）能让用户运用简单易用的表达式在数据库中修改或添加数据。
此后，数据库在原有的基础上继续改进，开始向面向对象的趋势发展，并进一步得到优化。索引的概念得到引进，经常查询的信息存储在高速的临时数据库中，临时数据库则与主数据库相连。正如图书目录一样，索引可以使用户查找所需信息的速度大幅加快。如今，数据库的设计特点表现为高度模块化，可访问性强。可扩展标记语言（Extensible Markup Language，简称XML）、超级文本预处理语言（Hypertext Preprocessor，简称PHP）等基于网页的语言可以使用SQL，连接在线数据库。（有了网页服务器，当你浏览的网页中包含这些高级语言写成的命令时，网页浏览器就会对它们进行翻译。）可以想见，未来数据库的分布将日趋广泛，可访问性日益增强，访问速度日益加快。
我们已经对数据库领域的巨大飞跃感同身受。就在几年前，家家户户的抽屉里还塞满了老照片，书架上堆满了书本、文件、录像带和CD，但是如今，我们查找、创建、购买的所有信息都是以数字形式保存下来的。大多数照片都已实现数字化，电子书正日渐占据图书市场的主流。大多数公司都喜欢给客户邮寄电子账单，而非纸质账单。视频和音乐已大多实现数字化。多年来，我们的财富不过是存储在银行计算机中的数字。政府以数字化的形式发布信息；医院在计算机上保存病例。越来越多的商店开始实行网上交易。我们只需要轻轻点击几次鼠标，就可以购买食品、汽车乃至任何种类的商品。
所有这些海量的数据都存储在数据库中。它们的界面可以是一个赏心悦目的网页，供人随意浏览各种美观的照片；可以是一家网上商店，供人随心挑选品类丰富的商品；可以是一款功能强大的音乐播放程序，能让人徜徉于音乐的海洋；甚至可以是一款会计应用程序，能让人随时监测开支情况。但是，在多姿多彩的界面背后，让这一切成为可能的，便是精巧的数据库技术。
软件危机
如今，软件业可谓风生水起，蔚为大观，仿佛这个行业的发展向来一帆风顺，毫无波澜。但是，正如电子业历经了“数字暴政”的阵痛，才有了集成电路的诞生，新生的软件业也经历了危机的考验，这场危机还推动了一门全新学科的诞生。
编写大型程序的巨大困难
程序员遇到的问题从一开始就很明晰。虽然有了新的高级编程语言的帮助，开发人员在编写代码的过程中可谓得心应手，但是，前所未有的重大问题依然在不断涌现。20世纪60年代，随着集成电路的发明和摩尔定律的问世，计算机的性能每年都在突飞猛进。与此同时，软件应用也在以类似的速度不断飞跃。然而，就在这个过程中，程序员日益强烈地意识到，他们的程序正变得越来越难以掌控。程序当中的错误太多，软件并没有发挥应有的效果，而且开发系统的过程似乎正变得意料之外地漫长。
这些问题在1968年达到了顶点。在有史以来的第一次软件工程大会上，世界各地的计算机科学家齐聚一堂，共同讨论他们关切的问题。他们忧心忡忡，这一点从会上的讨论中就可以看出来：
麻省理工学院的罗伯特·格雷厄姆（Robert Graham）表示：“我们投入了长年累月的研究，耗费了巨大的投资，到头来却发现，我们从一开始就没有把系统研究透彻，软件根本没有取得预期的效果。我们就像莱特兄弟制造飞机一样，辛辛苦苦地把飞机造好，将它推下悬崖，任凭它轻而易举地坠毁，然后再从头开始。”
密歇根大学计算中心（University of Michigan Computing Center）的伯纳德·加勒（Bernard Galler）表示：“我想举几个在IBM碰到的不好的例子。有一次，用户提出，希望能够增强PL/1语言可扩展性。对此，IBM经过一周的内部讨论，最终下结论称，这种事情不可能做到。因为语言设计师不打算告诉用户怎样实现所需的扩展。还有一个例子：OS/360操作系统的作业控制语言（job control language，简称JCL）开发出来以后，用户在设计阶段根本无法事先看到任何选项。为什么会出现这种情况呢？”
丹麦第一家计算机公司A/S Regnecentralen的员工彼得·诺尔（Peter Naur）表示：“……软件设计师的角色类似于建筑师和土木工程师，尤其是规划城市、工厂等复杂建筑的设计师。因此我们应该学会从这些领域吸取灵感，攻克我们遇到的设计问题。”
此次大会落幕后，另一场大会很快召开，其宗旨是讨论技术和管理思想。从这一刻开始，软件工程学作为一门新的学科登上了历史的舞台。伊恩·萨默维尔是现代软件工程师、英国圣安德鲁斯大学（St. Andrews University）教授，他撰写了很多业内的权威教科书。他表示，新学科的命名颇有内涵，意在表明，人们从此将采取系统的、有组织的方式来编写软件。不过，大会的主办方给出了不同的说法，“他们声称之所以发明这个术语，只是出于调侃的心态，没想到这种叫法就传播开了”。当然，这样命名是为了“故意制造煽动的效果”，以激发研究人员行动起来。
还别说，这样做真的起到了效果。没过多久，许多关键性的技术革新开始涌现，它们专门针对的是软件工程学领域，旨在辅助程序开发人员提高编程能力，写出高效的软件。在这一理念的指导下，新的编程语言得到开发。戴维·帕纳斯（David Parnas）等研究人员提出了信息隐藏的概念，这一概念在模块化编程和面向对象的编程领域举足轻重，它可以确保数据及相关函数封装在对象内，与其他的数据和函数分隔开来。这就好比采用标准化模块制造汽车——车载收音机等部件的更换不会影响到其他部件。同理，如果你设计好程序之后，突然想对某个地方进行改写（比方说将某个函数或数据结构更换），那么程序中的其他函数和数据完全不会受到影响。
集成开发环境（Integrated development environment，简称IDE）的发明，就是为了让编程变得更加轻松。它们的作用就好比文字处理器——程序开发人员可以在不同的窗口编写代码，并对其进行编译和调试。正如文字处理器可以检查拼写和语法错误，集成开发环境也可以帮助编程人员找出程序中的错误，并提供大量实用的工具进行除错。现代的集成开发环境通常包括一系列工具，比如：手持设备模拟器；用于设计图形用户界面（Graphical User Interface，简称GUI）的工具；全方位的帮助系统，用于辅助编程人员从已有的库——即程序编程接口（application programming interface，简称API）中寻找合适的函数。
如何面向用户
除了发明实用的编程工具，研究人员很快意识到，还有更好的软件设计方法亟待开发。这就好比汽车制造商不能把仅仅把目光放在硬件上，还应着眼于汽车的用途、目标客户的定位、成本开销的大小，从而将生产问题化整为零，分解成一个个具体的问题，比如：应该采用什么样的发动机、传动部件、转向系统、制动系统、车轮系统和座椅系统？车内需要容纳多少人？生产一台汽车需要多少时间？编写软件也是同样的道理。一个大型软件项目可能会比制造汽车复杂得多，怎样设计才能确保项目的高效运转？
研究人员很快意识到，要做到这一点，必须确立一个明确的软件生命周期。首先，你必须合理定位产品和项目需求。接下来要做的，就是设计、运行和测试软件，并将其运行情况清晰地记录下来。最后要做的，就是发布软件，或许在这个阶段，你还需要指导用户如何高效地使用软件、如何进行必要的维护工作。
这些事情说起来容易，做起来难。产品或项目的需求并不好确定，因为顾客往往并不知道自己真正的需求到底是什么，因此可能会举棋不定、自相矛盾，甚至改变主意。他们往往不具备编程人员的思维方式，因此不知道如何从软件开发的角度表达自己的需求。换句话说，对于哪些事情在技术上可行，而哪些不可行，他们基本上没什么概念。有的时候，编程人员连目标用户是哪些人都无法确定，因此，真正应该提要求的人反而没有这个机会。
如何规划大型项目
除此之外，不同的设计阶段应该如何开展，这也是摆在编程人员面前的一大难题。项目的开发架构是应该采用“瀑布模型”（waterfall model）——像流水下坡一样顺次开展每个阶段，还是应该采用“螺旋模型”（spiral model）——反复开展每个阶段，开发一系列原型软件，以最大限度地降低风险？软件的开发是应该遵循迭代式和增量式的过程，还是应该采用“灵活性强”的方式，以迅速适应可能发生的变化？就算你知道了开发软件的最佳顺序，怎样才能把每一个阶段的工作都做到最好？应该采用哪些设计方法和工具？怎样测试软件，才能确保万无一失？怎样维护软件，才能使之适应未来的变化？
正因为软件工程学专家孜孜不倦地攻克上述难题，软件项目的发展才得以适应硬件的发展需求和用户复杂的使用需求。软件工程学着眼于软件开发的方方面面，比如对软件体系结构进行建模，采用可视化程序设计，使用形式化方法测试软件、提高其性能的可靠性。
伊恩·萨默维尔认为，软件工程学领域已经取得了许多重大的进步，这些进步给软件开发带来了实实在在的影响。“开发不同类型的软件，需要采用不同类型的软件技术和方法，”他表示，“配置管理（Configuration Management，简称CM）就是一个非常重要的项目管理方法，它支持并行开发。信息隐藏的概念是由帕纳斯在1972年提出的，它在抽象数据类型（Abstruct Data Type，简称ADT）领域得到了进一步发展，并影响了大多数现代编程语言。在关键任务系统领域，我们不仅可以采用安全分析和可靠性分析的方法，还可以运用容错技术，为航空器、化工厂等重要设施建立安全可靠的系统。统一建模语言（Unified Modelling Language，简称UML）将多种建模概念融合在一起，如今已成为软件系统建模的标准方式。编程环境的思想于20世纪70年代问世，在20世纪80年代得到进一步发展，如今已在软件工程学界得到广泛采纳。”
安东尼·芬克尔斯坦是软件工程学教授，在伦敦大学学院担任工程学系系主任。他认为，正因为有了软件工程学的帮助，程序员才得以高效利用时间。“如果没有软件工程学，我认为硬件与软件之间的性能差距会进一步扩大。制约软件开发的主要因素就是缺少训练有素的人才，现在也是如此。如果当初没有足够的人才投身于软件工程行业，我们就无法取得今天的成就了。”
软件膨胀
不过，尽管为数众多的软件工程师竭尽全力地投身于技术攻坚，但是依然无法解决所有的问题。我们每次使用计算机时，都会对软件工程领域的一大问题感同身受：由于某种原因，软件每次升完级以后，其运转速度似乎都会变慢。计算机科学家（及众多编程语言的发明者）尼古拉斯·维尔特（Niklaus Wirth）观察到了这一现象，人们将其称为维尔特定律（Wirth’s Law）。维尔特定律的内容是：软件变慢的速度永远快过硬件变快的速度。其他科学家也发表过类似的观点。曾在英特尔担任研究人员的兰德尔·肯尼迪（Randall Kennedy）就是其中一人。他曾写道：“虽然与几年前的Office 2000相比，Vista系统上的微软的Office 2007 虽然处理能力提高了将近两倍，但是占用空间却多出了11倍以上。”造成这一现象的罪魁祸首是软件膨胀（software bloat）——新版本的软件往往只是在原版本的基础上叠加了新的代码，而并没有经过重新编写。 维尔特定律表明，纵使计算机的运行速度快得惊人，新一代的软件的运 行速度也比不上十年前的老版本。
目前，计算机科学家正在费尽心思解决这个问题。不过萨默维尔深知，这并不是软件工程学领域的唯一挑战。“软件项目面临的主要挑战在于，开发环境正变得越来越复杂。这是因为，我们在建立新系统的过程中，将不同的供应商提供的各种系统和服务整合了起来。原本，在软件工程学领域，很多理论之所以能够成立，往往是基于这样的前提，那就是，系统完全处在软件开发人员的掌控之下，软件开发人员可以做出明智的决定来开发和改变系统。当这样的前提不再成立时，软件测试等方法必须做出相应的调整，以适应新的情况。”
这一观点引起了一些计算机科学家的高度重视。伦敦大学学院教授马克·哈曼围绕搜索问题对软件工程学进行了研究。他按照遗传算法——也就是由“优胜劣汰”的生物进化规律演化而来的随机化搜索方法，利用计算机来寻找特定软件的最优测试方法。
“软件测试是衡量软件质量、寻找优化方法的关键手段之一。测试的内容之一，就是寻找特定的输入，使程序执行特定的代码片段，”哈曼表示，“人工完成这样的工作需要花费很大的心血。这就好比你得从厚厚的地址簿里大海捞针，将一个人的电话和住址找出来。但是，如果计算机能够对测试用例进行评定，我们可以轻而易举地将这个过程自动化。”
其他危机
不过，仅仅有个聪明的测试方法是不够的。我们所说的危机与20世纪60年代末的软件危机已经无法同日而语，但是从某种程度上讲，软件业依然面临着定位问题。大型软件开发项目依然经常失败，尽管软件工程师尽了最大的努力。有时候，问题只是出现在成本和时间上——我们并不擅长估算软件开发产生的耗费。“我们的软件估算水平很差，”芬克尔斯坦表示，“如果你让我‘开发一个售卖二手教科书的网页前端，’我可能一时半会儿没法告诉你需要多少时间。运气好的话，我可能之前就做过一次这样的项目，但是我在这方面的经验也就仅限于此了。’”
不过，重大的失败也有可能是由更微妙的原因造成的（而且这样的事情不在少数，造成的损失也极为惨重）。芬克尔斯坦认为，问题的症结并不在于分析师和开发者经验不足。“个人认为，这些系统之所以失败，都是一些人们很熟悉的问题造成的：比如在项目设计和开展阶段犯了低级错误，”他表示，“你必须问自己，既然人们对这些问题都很熟悉，为什么还要一次又一次地犯同样的错误？他们是傻子吗？他们没看过萨默维尔的书吗？这些问题前十页就讲了，哪怕稍微翻翻也好啊，又不一定要全读完！我觉得，问题的症结是，企业结构、管理决策结构与开发软件的技术过程存在不协调。因此，这些系统之所以会失败，问题出在管理上，而不是工程上。”
软件工程领域的挑战还表现在，怎样满足客户的信息安全需求，怎样设计软件才能使之适应互联网时代的潮流。此外，一些所谓的“非功能性需求”也越来越值得重视，比如电源或电池寿命。在这个问题上，哈曼的想法比较现实：“如果我在乘坐越洋航班时，笔记本的电量在半路上就耗光了，那么就算里面的软件再好，对我来说一点用也没有。我宁愿软件耗电量低点，让续航时间久点，就算软件里头到处都是漏洞也没有关系。”芬克尔斯坦也这么认为：“在软件工程领域，我们一直致力于开发新特性，从来没有想过省电的问题——一般都不会有人往这方面想，除非你要设计航天器。但是现在，这个问题已经变得很关键。有很多之前没有考虑过的新特性一下子变得非常重要。”
还记得以前我们讲到的编写并行软件吗？那是帕特森给整个行业的科学家提出的挑战。芬克尔斯坦确信，它会给软件工程领域带来重大的变革。“软件工程领域面临的另一大挑战就是多核技术。如果软件无法充分发挥多核技术的优势，那么一台计算机就算内核再多也于事无补。要是采用一个内核就足以运行所有软件，那么剩下15个内核留着干嘛呢？总不可能都用来运行杀毒软件吧。我们所需要的，不仅仅是编程技术的一个突破，而是整个软件工程领域的革新。这肯定会改变我们当前的游戏规则。”