1.4　計算思維

1.4.1　什么是計算

1.計算的概念

計算不僅是數學的基礎技能，而且是整個自然科學的工具。廣義的計算包括數學計算、邏輯推理、數理統計、問題求解、圖形圖像的變換、網絡安全、代數系統理論、上下文表示、感知與推理、智能空間等，甚至包括程序設計、機器人設計、建筑設計等設計問題。

隨著計算機日益廣泛而深刻的運用，計算這個原本專門的數學概念已經泛化到人類的整個知識領域，并上升為一種極為普適的科學概念和哲學概念，成為人們認識事物、研究問題的一種新視角、新觀念和新方法。

傳統的科學方法一般是指科學實驗和邏輯演繹，現在認為計算是第3種科學方法。計算作為一種相對獨立的方法出現在科學研究之中，天文學家發現海王星就是一個典型的實例，而且成為一種典型的科學方法。海王星不是直接通過觀測發現的，而是數學計算的結果。1845年，英國劍橋大學的約翰·柯西·亞當斯和法國天文學家勒威耶分別獨立在理論上計算出這顆海王星的軌道。勒威耶在得到結果后就立即聯系當時的柏林天文臺副臺長、天文學家J·C·伽勒。伽勒在收到信的當晚向預定位置觀看，就看到了這顆較暗的太陽系第8顆行星。

2.新的計算模式

（1）普適計算

隨著計算機及相關技術的發展，通信能力和計算能力的獲得正變得越來越容易，其相應的設備所占用的體積也越來越小，各種新形態的傳感器、計算/聯網設備蓬勃發展；同時由于對生產效率、生活質量的不懈追求，人們希望能隨時、隨地、無困難地享用計算能力和信息服務，由此引發了計算模式的新變革，這就是計算模式的第3個時代——普適計算時代。

普適計算的思想是由Mark Weiser在1991年提出的。他根據所從事的研究工作，預測計算模式將來會發展為普適計算模式。在這種模式中，人們能夠在任何時間（anytime）、任何地點（anywhere）、以任何方式（anyway）訪問到所需要的信息。

普適計算是信息空間與物理空間的融合。在這個融合的空間中人們可以隨時隨地、透明地獲得數字化服務。

“隨時隨地”是指人們可以在工作和生活的現場就可以獲得服務，而不需離開現場去端坐在一臺專門的計算機面前，即像空氣一樣無所不在。

“透明”是指獲得這種服務時不需要花費很多注意力，即這種服務的訪問方式是十分自然的，甚至是用戶本身注意不到的。

普適計算將計算機融入人們的生活，形成一個“無時不在、無處不在而又不可見”的計算環境。在這種環境下，所有具備計算能力的設備都可以聯網，通過標準的接口提供公開的服務，設備之間可以在沒有人的干預下自動交換信息，協同工作，為終端用戶提供一項服務。

（2）網格計算

網格計算是伴隨著互聯網技術而迅速發展起來的，是專門針對復雜科學計算的新型計算模式。這種計算模式是利用互聯網把分散在不同地理位置的計算機組織成一個“虛擬的超級計算機”，其中每一臺參與計算的計算機就是一個“結點”，而整個計算是由成千上萬個“結點”組成的“一張網格”，所以這種計算方式稱為網格計算。這樣組織起來的“虛擬的超級計算機”有兩個優勢：一是數據處理能力超強；二是能充分利用網上的閑置處理能力。簡單地講，網格是把整個網絡整合成一臺巨大的超級計算機，實現計算資源、存儲資源、數據資源、信息資源、知識資源、專家資源的全面共享。

網格計算研究如何把一個需要非常巨大的計算能力才能解決的問題分成許多小的部分，然后把這些部分分配給許多低性能的計算機來處理，最后把這些計算結果綜合起來從而攻克難題。

（3）云計算

計算模式大約每15年就會發生一次變革。至今，計算模式經歷了主機計算、個人計算、網格計算，現在云計算也被普遍認力是計算模式的一個新階段。20世紀60年代中期是大型計算機的成熟時期，這時的主機-終端模式是集中計算，一切計算資源都集中在主機上；1981年IBM推出個人計算機（PC）用于家庭、辦公室和學校，推進信息技術發展進入PC時代，此時變成了分散計算，主要計算資源分散在各個PC上；1995年隨著瀏覽器的成熟，以及互聯網時代的來臨，使分散的PC連接在一起，部分計算資源雖然還分布在PC上，但已經越來越多地集中到互聯網；直到2010年，云計算概念的興起實現了更高程度的集中，它可將分布在世界范圍內的計算資源整合為一個虛擬的統一資源，實現按需服務、按量計費，使計算資源的利用猶如電力和自來水般快捷和方便。

云計算的核心思想是將大量用網絡連接的計算資源進行統一管理和調度，從而構成一個計算資源池向用戶按需服務。提供資源的網絡被稱為“云”。“云”中的資源在使用者看來是可以無限擴展的，并且可以隨時獲取，隨時擴展，按需使用，按需付費。

繼個人計算機變革、互聯網變革之后，云計算被看作第3次IT浪潮，它意味著計算能力也可作為一種商品通過互聯網進行流通。