淺談?dòng)?jì)算機(jī)科學(xué)中的系統(tǒng)論與辯證法

黃建兒

（杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院，浙江 杭州 310012）

由于世界處于普遍聯(lián)系和永恒發(fā)展之中，因此辯證法和系統(tǒng)論是人們認(rèn)識(shí)世界和改造世界的一個(gè)重要的思想武器。作為人類智慧結(jié)晶的計(jì)算機(jī)科學(xué)，凝聚大量的系統(tǒng)論和辯證法的思想。無論是發(fā)明者還是后來的使用者，在使用計(jì)算機(jī)的時(shí)候，都在自覺或不自覺的體現(xiàn)這一理論。

在計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的教學(xué)活動(dòng)中，存在著重部分，輕整體等片面等違反系統(tǒng)論和辯證法的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，主要是因?yàn)闆]有宏觀的方法論來進(jìn)行指導(dǎo)。國內(nèi)已經(jīng)有一些學(xué)者將系統(tǒng)論、辯證法以及計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)結(jié)合起來，對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)中的問題進(jìn)行闡述。趙致琢等在計(jì)算科學(xué)導(dǎo)論中闡述了計(jì)算科學(xué)的意義、內(nèi)容和方法，具體包括：什么是計(jì)算科學(xué)，計(jì)算科學(xué)發(fā)展主線和學(xué)科的基本問題，并將其應(yīng)用于計(jì)算科學(xué)的教學(xué)計(jì)劃和課程體系制定。董榮勝等闡述了計(jì)算學(xué)科中各主要領(lǐng)域發(fā)展的基本規(guī)律，揭示了各領(lǐng)域之間的內(nèi)在聯(lián)系，有助于人們對(duì)計(jì)算學(xué)科的深入理解。周長林等在操作系統(tǒng)課程中從最一般意義上給出了操作系統(tǒng)的基本理論，指出了資源共享和進(jìn)程并發(fā)是操作系統(tǒng)的兩個(gè)基本特性，操作系統(tǒng)的所有內(nèi)容都是圍繞資源和進(jìn)程展開的。陳次白等應(yīng)用對(duì)立統(tǒng)一思想分析了計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)中存在的時(shí)間與空間、靜態(tài)與動(dòng)態(tài)、絕對(duì)與相對(duì)等問題。

本文將系統(tǒng)論與辯證法引入到計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)中，用辯證觀點(diǎn)解釋計(jì)算機(jī)中的相關(guān)問題。

1 唯物辯證法的主要觀點(diǎn)

1.1 唯物論

為物論認(rèn)為，世界的本質(zhì)是物質(zhì)的。物質(zhì)決定意識(shí)，意識(shí)對(duì)物質(zhì)具有能動(dòng)的反作用。物質(zhì)處于永恒的運(yùn)動(dòng)之中，運(yùn)動(dòng)是絕對(duì)的、無條件的，靜止是相對(duì)的、有條件的。時(shí)間和空間是運(yùn)動(dòng)著的物質(zhì)的存在形式。

1.2 唯物的辯證法

唯物的辯證法認(rèn)為世界處于普遍聯(lián)系和永恒發(fā)展之中。對(duì)立統(tǒng)一規(guī)律、質(zhì)量互變規(guī)律和否定之否定規(guī)律是辯證法的基本規(guī)律。包括現(xiàn)象和本質(zhì)、內(nèi)容和形式、原因和結(jié)果、可能性和現(xiàn)實(shí)性、偶然性和必然性等若干個(gè)范疇。

1.3 認(rèn)識(shí)論

唯物主義認(rèn)識(shí)論認(rèn)為理論來源于實(shí)踐，實(shí)踐是理論的基礎(chǔ)，相反理論可以指導(dǎo)實(shí)踐。認(rèn)識(shí)分為感性認(rèn)識(shí)和理性認(rèn)識(shí)，感性認(rèn)識(shí)是理性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)，理性認(rèn)識(shí)是感性認(rèn)識(shí)的升華。

2 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)中的系統(tǒng)論與辯證法

2.1 軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)

唯物辯證法認(rèn)為，物質(zhì)決定意識(shí)，意識(shí)對(duì)物質(zhì)具有能動(dòng)的反作用。而計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。計(jì)算機(jī)的硬件是看得見摸得著的，相當(dāng)于物質(zhì)，而軟件是由大量的代碼編寫出來是思維的成果，軟件必須在硬件的基礎(chǔ)之上才能夠運(yùn)行，離開了硬件，軟件變成了無源之水，無本之木。同樣，硬件也離不開軟件，沒有軟件的支持，硬件就無法發(fā)揮其應(yīng)有的性能。硬件在通常的情況下都會(huì)給軟件留出一定的升級(jí)空間，方能軟件的更新，而反過來軟件的不斷升級(jí)，對(duì)硬件的要求也在不斷的提高，促使硬件的更新?lián)Q代。這樣二者相互依存、相互制約，在總體上處于一種動(dòng)態(tài)的平衡之中。

馮諾依曼模型是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的鼻祖。它確立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由主機(jī)、輸入系統(tǒng)和輸出系統(tǒng)構(gòu)成，并且一直沿用到今天。這個(gè)設(shè)計(jì)是系統(tǒng)論思想的生動(dòng)體現(xiàn)。而確立計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的圖靈，在本質(zhì)是就是確定了1和0這兩個(gè)二進(jìn)制的代碼作為計(jì)算機(jī)的語言。1代表開，0代表關(guān)，這兩者既互相對(duì)立，有互相統(tǒng)一，最終構(gòu)成了計(jì)算機(jī)語言的最基本的單位。1和0是計(jì)算機(jī)語言的基礎(chǔ)和本質(zhì)，而我們通過顯示器所看到的各種文字、動(dòng)畫以及聽到的各種聲音都是一種現(xiàn)象。不論多么逼真的動(dòng)畫，它在本質(zhì)上就是有無數(shù)的1和0通過不同的排列而構(gòu)成的。

2.2 操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)對(duì)于計(jì)算機(jī)來說就像是一個(gè)管家，或者說是靈魂。它通過對(duì)硬件進(jìn)行協(xié)調(diào)和調(diào)用，起到連接硬件和軟件之間橋梁的作用。由于整個(gè)硬件資源在總體上是有限的，操作系統(tǒng)便充分發(fā)揮資源共享和進(jìn)程并發(fā)的兩個(gè)最基本的作用。當(dāng)運(yùn)行應(yīng)用軟件時(shí)，操作系統(tǒng)經(jīng)過計(jì)算，在保障硬件性能得到最大程度發(fā)揮的前提下對(duì)軟件發(fā)出的資源請(qǐng)求進(jìn)行協(xié)調(diào)、分配。

時(shí)間要素和空間要素是操作系統(tǒng)正確運(yùn)行的前提。在操作系統(tǒng)中，時(shí)間與空間往往是互相結(jié)合的。在計(jì)算機(jī)中，時(shí)間和空間是相互轉(zhuǎn)化的，如虛擬存儲(chǔ)技術(shù)在內(nèi)存不足的情況下將內(nèi)存中的內(nèi)容寫入硬盤，這是典型的利用時(shí)間換取空間的方法。通過虛擬儲(chǔ)存技術(shù)，內(nèi)存的邏輯容量大大的增加了，但四同樣的，這是以犧牲存儲(chǔ)時(shí)間為代價(jià)獲得的，但是這可以使超出內(nèi)存容量的應(yīng)用程序得以運(yùn)行。相反，緩沖區(qū)技術(shù)就是利用空間換取時(shí)間，通過在存儲(chǔ)區(qū)上設(shè)置一部分的存儲(chǔ)空間作為緩存區(qū)，這樣可以使設(shè)備的讀取和寫入速度大大的提升，從而節(jié)省大量的時(shí)間。

2.3 程序設(shè)計(jì)語言和算法

計(jì)算機(jī)算法是通過程序語言的來實(shí)現(xiàn)的。而程序自身的運(yùn)行是無法脫離時(shí)間和空間而獨(dú)立存在的。在程序語言中，其中一個(gè)重要的因素就是語言變量。例如在C語言中，包含自動(dòng)和靜態(tài)兩種變量，它們都有各自的生存時(shí)間和作用范圍。在編寫結(jié)構(gòu)化程序的時(shí)候，往往將復(fù)雜的程序執(zhí)行過程逐步的細(xì)化。在結(jié)構(gòu)化程序總，最基本的組成要素就是函數(shù)。函數(shù)可以被看成是一個(gè)系統(tǒng)，函數(shù)參數(shù)表是函數(shù)與外部聯(lián)系的路徑，參數(shù)本身就是一個(gè)輸入的過程。函數(shù)的返回值就是函數(shù)進(jìn)行輸出的過程。函數(shù)體自身就是控制。

類和對(duì)象是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)中的兩個(gè)最基本的觀念。類和對(duì)象是抽象和具體，一般與特殊的關(guān)系。對(duì)象是組成程序的基本要素，而對(duì)象之間本來就存在著聯(lián)系，只有對(duì)象之間的相互作用，最終才能求出最優(yōu)解。這是普遍聯(lián)系這是唯物辨證法思想的生動(dòng)體現(xiàn)。

想要獲得問題正確的結(jié)果，關(guān)鍵在于算法。正確只是算法的一個(gè)最基本的要求，除此之外，一個(gè)優(yōu)秀的算法還要有時(shí)間和空間復(fù)雜度小的優(yōu)點(diǎn)。比較小的空間復(fù)雜度一般需要比較大的時(shí)間復(fù)雜度，反之亦然?？傊谠O(shè)計(jì)算法時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮時(shí)空關(guān)系，使設(shè)計(jì)的算法達(dá)到最優(yōu)。

有些復(fù)雜的問題，在解決的時(shí)候需要遞歸程序設(shè)計(jì)。在求解問題的時(shí)候，遞歸程序利用問題自身整體與部分的某些相似的特性，反復(fù)進(jìn)行調(diào)用，可以節(jié)省大量系統(tǒng)資源與時(shí)間。面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)相互補(bǔ)充，而并非是一種對(duì)立的關(guān)系。前者是在繼承后者的基礎(chǔ)進(jìn)行的發(fā)展，同樣后者是對(duì)前者的基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的最終落腳點(diǎn)和歸宿。

3 結(jié)語

本文采用馬克思主義哲學(xué)觀點(diǎn)分析和闡述了計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)中存在的系統(tǒng)論和辯證法等規(guī)律，涵蓋了計(jì)算機(jī)硬件、操作系統(tǒng)、程序設(shè)計(jì)語言、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)發(fā)展等各方面。將上述規(guī)律應(yīng)用于計(jì)算機(jī)專業(yè)的教學(xué)和培養(yǎng)方案的制定，取得了良好的效果。計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)將繼續(xù)迅猛發(fā)展，但萬變不離其宗，采用系統(tǒng)論與辯證法分析計(jì)算機(jī)發(fā)展中出現(xiàn)的新問題、新技術(shù)仍會(huì)得到有意義的結(jié)論。

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