1.4　计算思维

1.4.1　什么是计算

1.计算的概念

计算不仅是数学的基础技能，而且是整个自然科学的工具。广义的计算包括数学计算、逻辑推理、数理统计、问题求解、图形图像的变换、网络安全、代数系统理论、上下文表示、感知与推理、智能空间等，甚至包括程序设计、机器人设计、建筑设计等设计问题。

随着计算机日益广泛而深刻的运用，计算这个原本专门的数学概念已经泛化到人类的整个知识领域，并上升为一种极为普适的科学概念和哲学概念，成为人们认识事物、研究问题的一种新视角、新观念和新方法。

传统的科学方法一般是指科学实验和逻辑演绎，现在认为计算是第3种科学方法。计算作为一种相对独立的方法出现在科学研究之中，天文学家发现海王星就是一个典型的实例，而且成为一种典型的科学方法。海王星不是直接通过观测发现的，而是数学计算的结果。1845年，英国剑桥大学的约翰·柯西·亚当斯和法国天文学家勒威耶分别独立在理论上计算出这颗海王星的轨道。勒威耶在得到结果后就立即联系当时的柏林天文台副台长、天文学家J·C·伽勒。伽勒在收到信的当晚向预定位置观看，就看到了这颗较暗的太阳系第8颗行星。

2.新的计算模式

（1）普适计算

随着计算机及相关技术的发展，通信能力和计算能力的获得正变得越来越容易，其相应的设备所占用的体积也越来越小，各种新形态的传感器、计算/联网设备蓬勃发展；同时由于对生产效率、生活质量的不懈追求，人们希望能随时、随地、无困难地享用计算能力和信息服务，由此引发了计算模式的新变革，这就是计算模式的第3个时代——普适计算时代。

普适计算的思想是由Mark Weiser在1991年提出的。他根据所从事的研究工作，预测计算模式将来会发展为普适计算模式。在这种模式中，人们能够在任何时间（anytime）、任何地点（anywhere）、以任何方式（anyway）访问到所需要的信息。

普适计算是信息空间与物理空间的融合。在这个融合的空间中人们可以随时随地、透明地获得数字化服务。

“随时随地”是指人们可以在工作和生活的现场就可以获得服务，而不需离开现场去端坐在一台专门的计算机面前，即像空气一样无所不在。

“透明”是指获得这种服务时不需要花费很多注意力，即这种服务的访问方式是十分自然的，甚至是用户本身注意不到的。

普适计算将计算机融入人们的生活，形成一个“无时不在、无处不在而又不可见”的计算环境。在这种环境下，所有具备计算能力的设备都可以联网，通过标准的接口提供公开的服务，设备之间可以在没有人的干预下自动交换信息，协同工作，为终端用户提供一项服务。

（2）网格计算

网格计算是伴随着互联网技术而迅速发展起来的，是专门针对复杂科学计算的新型计算模式。这种计算模式是利用互联网把分散在不同地理位置的计算机组织成一个“虚拟的超级计算机”，其中每一台参与计算的计算机就是一个“结点”，而整个计算是由成千上万个“结点”组成的“一张网格”，所以这种计算方式称为网格计算。这样组织起来的“虚拟的超级计算机”有两个优势：一是数据处理能力超强；二是能充分利用网上的闲置处理能力。简单地讲，网格是把整个网络整合成一台巨大的超级计算机，实现计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源、专家资源的全面共享。

网格计算研究如何把一个需要非常巨大的计算能力才能解决的问题分成许多小的部分，然后把这些部分分配给许多低性能的计算机来处理，最后把这些计算结果综合起来从而攻克难题。

（3）云计算

计算模式大约每15年就会发生一次变革。至今，计算模式经历了主机计算、个人计算、网格计算，现在云计算也被普遍认力是计算模式的一个新阶段。20世纪60年代中期是大型计算机的成熟时期，这时的主机-终端模式是集中计算，一切计算资源都集中在主机上；1981年IBM推出个人计算机（PC）用于家庭、办公室和学校，推进信息技术发展进入PC时代，此时变成了分散计算，主要计算资源分散在各个PC上；1995年随着浏览器的成熟，以及互联网时代的来临，使分散的PC连接在一起，部分计算资源虽然还分布在PC上，但已经越来越多地集中到互联网；直到2010年，云计算概念的兴起实现了更高程度的集中，它可将分布在世界范围内的计算资源整合为一个虚拟的统一资源，实现按需服务、按量计费，使计算资源的利用犹如电力和自来水般快捷和方便。

云计算的核心思想是将大量用网络连接的计算资源进行统一管理和调度，从而构成一个计算资源池向用户按需服务。提供资源的网络被称为“云”。“云”中的资源在使用者看来是可以无限扩展的，并且可以随时获取，随时扩展，按需使用，按需付费。

继个人计算机变革、互联网变革之后，云计算被看作第3次IT浪潮，它意味着计算能力也可作为一种商品通过互联网进行流通。