1.1 什么是軟件

1.1.1 軟件的定義和作用

什么是軟件呢？現(xiàn)在，被普遍接受的軟件的定義是：軟件（software）是在通用計(jì)算機(jī)硬件之上面向特定應(yīng)用目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的解決方案。它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中與硬件（hardware）相互依存的另一部分，包括程序（program）、相關(guān)數(shù)據(jù)（data）及說(shuō)明文檔（document）。為了更好地理解軟件的概念，將軟件和硬件等其他人工產(chǎn)品相區(qū)分是非常重要的。軟件是邏輯的而不是物理的產(chǎn)品。因此，軟件具有與硬件完全不同的特征。

（1）軟件開發(fā)不同于硬件設(shè)計(jì)

與硬件設(shè)計(jì)相比，軟件更依賴于開發(fā)人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)、智力，以及人員的組織、合作和管理。對(duì)硬件而言，設(shè)計(jì)成本往往只占整個(gè)產(chǎn)品成本的一小部分，而軟件開發(fā)占整個(gè)產(chǎn)品成本的大部分，這意味著軟件開發(fā)項(xiàng)目不能像硬件設(shè)計(jì)項(xiàng)目那樣來(lái)管理。

（2）軟件生產(chǎn)不同于硬件制造

硬件設(shè)計(jì)完成后就可投入批量制造，制造是一個(gè)復(fù)雜的過程，其間仍可能引入質(zhì)量問題；軟件成為產(chǎn)品之后，其制造只是簡(jiǎn)單的復(fù)制而已，軟件的倉(cāng)儲(chǔ)和運(yùn)輸也非常簡(jiǎn)單。因此，軟件產(chǎn)品必須要成為第一，一旦落后，市場(chǎng)就會(huì)被領(lǐng)先的產(chǎn)品以零成本的復(fù)制所占領(lǐng)。

（3）軟件維護(hù)不同于硬件維修

硬件在運(yùn)行初期有較高的故障率（主要來(lái)源于設(shè)計(jì)或制造的缺陷），在缺陷修正后的一段時(shí)間中，故障率會(huì)降到一個(gè)較低和穩(wěn)定的水平上。隨著時(shí)間的推移，故障率將再次升高，這是因?yàn)橛布?huì)受到磨損，達(dá)到一定程度后就只能報(bào)廢。軟件是邏輯的而不是物理的，雖然不會(huì)磨損和老化，但在使用過程中的維護(hù)卻比硬件復(fù)雜得多，在維護(hù)過程中還可能產(chǎn)生新的錯(cuò)誤。軟件在運(yùn)營(yíng)時(shí)需要持續(xù)的維護(hù)和版本更新，這也正是軟件產(chǎn)業(yè)隸屬于服務(wù)業(yè)而不是制造業(yè)的主要原因。

當(dāng)前，軟件作為信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心與靈魂，正發(fā)揮著巨大的使能作用和滲透輻射作用。所有新的信息技術(shù)應(yīng)用、平臺(tái)和服務(wù)模式，均離不開軟件技術(shù)作為基礎(chǔ)支撐。更為重要的是，在數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代，軟件技術(shù)已經(jīng)成為企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，不僅引領(lǐng)著信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的變革，在汽車、能源、制造、零售等眾多傳統(tǒng)領(lǐng)域中存在的比重和重要性也在不斷加大，在支持這些傳統(tǒng)領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)換代甚至顛覆式創(chuàng)新的過程中起到核心關(guān)鍵作用，并進(jìn)一步加速重構(gòu)了全球分工體系和競(jìng)爭(zhēng)格局。作為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的標(biāo)志，德國(guó)的“工業(yè)4.0”和美國(guó)的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，以及我國(guó)的“制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略”，均將信息和軟件技術(shù)作為發(fā)展重點(diǎn)。無(wú)所不在的軟件，正在走出信息世界的范疇，開始深度滲透到物理世界，在支撐人類社會(huì)運(yùn)行和人類文明進(jìn)步中發(fā)揮重要的“基礎(chǔ)設(shè)施”作用，甚至開始扮演著重新定義整個(gè)世界圖景的重要角色。

1.1.2 軟件的發(fā)展歷史

從世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)ENIAC在美國(guó)誕生到現(xiàn)在的70多年時(shí)間里，軟件作為人類智力活動(dòng)的邏輯產(chǎn)品，經(jīng)歷著與其他行業(yè)不同的快速發(fā)展。作為信息技術(shù)的核心，軟件技術(shù)呈現(xiàn)從“工具”和“平臺(tái)”到“引領(lǐng)”的轉(zhuǎn)變。與此同時(shí)，軟件的產(chǎn)品形態(tài)和商業(yè)模式也在不斷演進(jìn)，先后經(jīng)歷了大型機(jī)和小型機(jī)時(shí)代的硬件附屬階段、PC時(shí)代的獨(dú)立軟件產(chǎn)品階段、“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的“軟件即服務(wù)”階段，以及數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代的“軟件定義”階段[1]。

（1）硬件附屬階段

在計(jì)算機(jī)誕生后的相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，實(shí)際上并沒有“軟件”的概念，計(jì)算機(jī)是通過用機(jī)器語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言編寫程序直接操作硬件來(lái)運(yùn)行的。到20世紀(jì)60年代初，在高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言出現(xiàn)后，軟件才從硬件中分離出來(lái)，成為相對(duì)獨(dú)立的制品。但是，在這個(gè)大型機(jī)和小型機(jī)時(shí)代，硬件占據(jù)絕對(duì)主體的地位，軟件僅僅作為計(jì)算機(jī)硬件的附屬物而存在，沒有獨(dú)立的商業(yè)形態(tài)，軟件的代碼通常是向使用者開放的，便于用戶自己進(jìn)行修改與優(yōu)化。

（2）獨(dú)立軟件產(chǎn)品階段

進(jìn)入20世紀(jì)70年代的PC時(shí)代后，出現(xiàn)了軟件許可證（license）的概念，賣軟件的許可證成為一種新型的商業(yè)模式，軟件作為一個(gè)獨(dú)立的產(chǎn)品銷售，軟件代碼成為核心競(jìng)爭(zhēng)力而不再對(duì)使用者開放。標(biāo)志性的成功案例就是微軟的Windows操作系統(tǒng)。在這個(gè)時(shí)期，軟件逐漸顛覆了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)“硬件為王”的格局，開始成為IT產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)者。軟件開始正式成為一個(gè)獨(dú)立產(chǎn)業(yè)，在各個(gè)行業(yè)、領(lǐng)域不斷普及，催生了人類歷史上信息化的第一波浪潮，即以單機(jī)應(yīng)用為主要特征的數(shù)字化階段（信息化1.0）。

（3）“軟件即服務(wù)”階段

20世紀(jì)90年代中期開始，隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展普及，軟件從單機(jī)計(jì)算環(huán)境向網(wǎng)絡(luò)計(jì)算環(huán)境延伸，帶來(lái)了信息化的第二波浪潮，即以網(wǎng)絡(luò)在線應(yīng)用為主要特征的網(wǎng)絡(luò)化階段（信息化2.0）。軟件的形態(tài)發(fā)生了重大的變化，“軟件即服務(wù)”（software as a service）開始成為一種非常重要的網(wǎng)絡(luò)化軟件交付形態(tài)和使用方式。不同于傳統(tǒng)面向單機(jī)的拷貝形態(tài)，“軟件即服務(wù)”使得人們不必再擁有軟件產(chǎn)品，而是通過互聯(lián)網(wǎng)在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何設(shè)備上，直接與軟件提供者進(jìn)行連接并按需獲取和使用軟件的功能。

（4）“軟件定義”階段

當(dāng)前，軟件正在融入支撐整個(gè)人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)運(yùn)行的基礎(chǔ)設(shè)施中，對(duì)傳統(tǒng)物理世界基礎(chǔ)設(shè)施和社會(huì)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行重塑與重構(gòu)，通過軟件定義的方式賦予其新的能力和靈活性，成為促進(jìn)生產(chǎn)方式升級(jí)、生產(chǎn)關(guān)系變革、產(chǎn)業(yè)升級(jí)、新興產(chǎn)業(yè)和價(jià)值鏈的誕生與發(fā)展的重要引擎。

1.1.3 挑戰(zhàn)與問題

軟件與工業(yè)控制、制造、科學(xué)計(jì)算、數(shù)值計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等各領(lǐng)域不斷加強(qiáng)融合，正引領(lǐng)并促進(jìn)這些領(lǐng)域的高速發(fā)展。為了滿足各個(gè)領(lǐng)域的相關(guān)要求，軟件對(duì)應(yīng)呈現(xiàn)出許多新的特征，從而導(dǎo)致軟件開發(fā)與維護(hù)面臨新的挑戰(zhàn)：

1）軟件復(fù)雜性挑戰(zhàn)。今天的軟件常常是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，涉及多種硬件、多種操作系統(tǒng)、多種編程語(yǔ)言，邏輯復(fù)雜，同時(shí)面臨層出不窮的新技術(shù)。

2）軟件大規(guī)模挑戰(zhàn)。軟件規(guī)模不斷擴(kuò)大，一個(gè)宇宙飛船的軟件系統(tǒng)源程序代碼可多達(dá)2000萬(wàn)行，鴻蒙操作系統(tǒng)的研發(fā)人數(shù)超過2萬(wàn)。

3）軟件高質(zhì)量挑戰(zhàn)。隨著軟件應(yīng)用在越來(lái)越多的關(guān)鍵領(lǐng)域中，軟件的質(zhì)量要求也越來(lái)越高，例如高安全性、高可靠性、高性能、高易用性、可配制的功能和流程等。

4）不確定性挑戰(zhàn)。烏卡（VUCA）時(shí)代下，軟件項(xiàng)目面臨需求和技術(shù)的易變性、不確定性、復(fù)雜性和模糊性的挑戰(zhàn)，應(yīng)用環(huán)境從靜態(tài)、封閉、可控逐步變?yōu)閯?dòng)態(tài)、開放、難控。

5）進(jìn)度和敏捷開發(fā)的挑戰(zhàn)。幾乎所有軟件項(xiàng)目的進(jìn)度要求都很緊，常常需求還沒有確定，交付日期卻已經(jīng)定了，進(jìn)度預(yù)估不足是常態(tài)。這就要求敏捷開發(fā)，快速適應(yīng)需求變化。

6）遺留系統(tǒng)（legacy system）的挑戰(zhàn)。隨著軟件的不斷開發(fā)和應(yīng)用，存在著大量的遺留系統(tǒng)需要集成和復(fù)用。這些系統(tǒng)是早年采用舊的技術(shù)開發(fā)而成的，目前一部分仍能有效運(yùn)行，一部分需要升級(jí)改造，還有一部分雖然被淘汰，但仍包含大量可復(fù)用的資產(chǎn)。

7）分散團(tuán)隊(duì)的協(xié)同挑戰(zhàn)。全球軟件開發(fā)由于能充分利用各地的資源，被越來(lái)越多的組織所接受，特別是跨國(guó)組織和集團(tuán)。地理位置分散的開發(fā)團(tuán)隊(duì)，協(xié)同合作需要克服時(shí)間、文化等差異造成的溝通障礙。

我們所面臨的新挑戰(zhàn)不止上述這些。這些挑戰(zhàn)導(dǎo)致了軟件項(xiàng)目的成功率和質(zhì)量一直偏低。根據(jù)Standish Group發(fā)布的chaos報(bào)告[2]，軟件項(xiàng)目的成功率低于40%，超過60%的項(xiàng)目由于進(jìn)度延期、超出預(yù)算、不符合客戶的需求、質(zhì)量低劣等原因而在不同程度上失敗。由于軟件質(zhì)量低劣導(dǎo)致的故障，也給我們的生活和工作帶來(lái)了巨大的損失。例如，2018年印尼獅航一架波音737 MAX 8客機(jī)途中墜落，189人罹難，失事原因?yàn)檐浖O(shè)計(jì)缺陷，飛機(jī)的迎角傳感器“數(shù)據(jù)錯(cuò)誤”觸發(fā)“防失速”自動(dòng)操作，導(dǎo)致機(jī)頭不斷下壓，最終墜海。

為什么軟件開發(fā)表現(xiàn)得如此不成熟呢？分析其根源，主要有兩個(gè)方面的原因：

● 與軟件本身的特點(diǎn)有關(guān)。軟件是無(wú)形的邏輯實(shí)體，具有高度的復(fù)雜性，不僅難以理解和描述，而且難以開發(fā)、度量和控制，使得軟件開發(fā)過程中處處充滿著風(fēng)險(xiǎn)。

● 與軟件開發(fā)和維護(hù)的方法、過程、管理、規(guī)范和工具不正確有關(guān)。Parnas教授曾說(shuō)過，雖然我們已經(jīng)提出了不少好的技術(shù)和方法，例如迭代式交付（1988）、測(cè)量（1977）、風(fēng)險(xiǎn)管理計(jì)劃（1981）、變更控制委員會(huì)（1979），等等，“它們?cè)缇驮谶@里多年了，但是沒有被適當(dāng)使用”。當(dāng)前軟件實(shí)踐常常是，面對(duì)進(jìn)度壓力，軟件工程師沒有計(jì)劃他們的工作，匆匆地走過需求、設(shè)計(jì)和編碼，軟件開發(fā)直到測(cè)試前僅僅是忽略質(zhì)量的技術(shù)。這些實(shí)踐引入了大量的缺陷，即使是有經(jīng)驗(yàn)的工程師也會(huì)每7～10行代碼就引入一個(gè)缺陷，中等規(guī)模的系統(tǒng)平均存在著上千個(gè)缺陷。大多數(shù)缺陷必須靠測(cè)試發(fā)現(xiàn)，這通常要花去開發(fā)時(shí)間的一倍時(shí)間。目前大多數(shù)的工作方式還像30年前一樣。

如何才能解決這些問題，提高軟件開發(fā)和維護(hù)的效率與質(zhì)量？這正是軟件工程所研究和實(shí)踐的。