1、计算机文化基础系列常识-图灵奖获奖者介绍连载（十四）罗伯特弗洛伊德 前后断言法的创始人历届图灵奖得主基本上都有高学历、高学位，绝大多数有博士头衔。这是可以理解的，因为创新型人才需要有很好的文化素养，丰富的知识底蕴，因而必须接受良好的教育。但事情总有例外，1978 年图灵奖获得者、斯坦福大学计算机科学系教授罗伯特弗洛伊德(Robert WFloyd)就是一位“自学成才的计算机科学家”(a Self-Taught Computer Scientist)。弗洛伊德 1936 年 6 月 8 日生于纽约。说他“自学成才”并不是说他没有接受过高等教育，他是芝加哥大学的毕业生，但学的不是数学或电气工程等与
2、计算机密切相关的专业，而是文学，1953 年获得文学士学位。20 世纪 50 年代初期美国经济不太景气，找工作比较困难，因学习文学而没有任何专门技能的弗洛伊德在就业上遇到很大麻烦，无奈之中到西屋电气公司当了二名计算机操作员，在 IBM650 机房值夜班。我们知道，早期的计算机都是以批处理方式工作的，计算机操作员的任务就是把程序员编写好的程序在卡片穿孔机(这是脱机的辅助外部设备)上穿成卡片，然后把卡片叠放在读卡机上输入计算机，以便运行程序。因此，操作员的工作比较简单，同打字员类似，不需要懂计算机，也不需要懂程序设计。但弗洛伊德毕竟是一个受过高等教育的人，又是一个有心人，干了一段操作员，很快对计算
3、机产生了兴趣，决心弄懂它，掌握它，于是他借了有关书籍资料在值班空闲时间刻苦学习钻研，有问题就虚心向程序员请教。白天不值班，他又回母校去听讲有关课程。这样，他不但在 1958 年又获得了理科学士学位，而且逐渐从计算机的门外汉变成计算机的行家里手。1956 年他离开西屋电气公司，到芝加哥的装甲研究基金会(Armour Research Foundation)，开始还是当操作员，后来就当了程序员。1962 年他被马萨诸塞州的 Computer Associates 公司聘为分析员。1965 年他应聘成为卡内基梅隆大学的副教授，3 年后转至斯坦福大学，1970 年被聘任为教授。之所以能这样快地步步高升
4、，关键就在于弗洛伊德通过勤奋学习和深入研究，在计算机科学的诸多领域：算法，程序设计语言的逻辑和语义，自动程序综合，自动程序验证，编译器的理论和实现等方面都作出创造性的贡献。其中包括：1962 年，弗洛伊德完成了 Algol 60 编译器的开发，成功投入使用，这是世界上最早的 Algol 60 编译器之一，而且弗洛伊德在这个编译器的开发中率先融入了优化的思想，使编译所生成的目标代码占用空间少，运行时间短。弗洛伊德优化编译的思想对编译器技术的发展产生了深刻的影响。随后，他又对语法分析进行了系统研究，大家现在熟知的优先文法(precedence grammar)，限界上下文文法(bounded co
5、ntext grammar)等都是弗洛伊德在这个时期首先提出来的。优先文法解决了自底向上的语法分析中的首要任务：如何找到“句柄”，也就是当前需要进行归约的符号串。弗洛伊德通过对不同的符号定义不同的优先级，解决了这个问题。限界上下文文法则通过对上下文无关文法 G 中的两个推导：*SAr+S进行比较以确定 是否是 的句柄，以及产生方式 A 是否是唯一可进行归约的产生式。弗洛伊德经过研究，给出其充分必要条件为： 和 的最后 m 个符号相同，丁和 o的最初 n 个终结符相同。这样一个上下文无关文法 G 就称为(m，n)限界上下文文法。在算法方面，弗洛伊德和威廉姆斯(JWilliams)在 1964 年
6、共同发明了著名的堆排序算法HEAPSORT，这是与英国学者霍尔(C.A.R.Hoare，1980 年图灵奖获得者)发明的 QUICKSORT 齐名的高效排序算法之一。此外还有直接以弗洛伊德命名的求最短路的算法，这是弗洛伊德利用动态规划(dynamic programming)的原理设计的一个高效算法。在程序设计方面，计算机科学家非常关心的一个重要问题是如何表达和描述程序的逻辑，如何验证程序的正确性。1967 年，在美国数学会 AMS 举行的应用数学讨论会上，弗洛伊德发表了那篇引起轰动并产生了深远影响的论文，即“如何确定程序的意义”(Assigning Meanings to Programs)
7、。这篇论文在程序逻辑研究的历史上，是继麦卡锡(JMcCarthy，1971 年图灵奖获得者)在 1963 年提出用递归函数作为程序的模型这一方法以后最重大的一个进展。麦卡锡倡导的方法对于一般程序，包括大型软件确实是行之有效的，但它有一个不足，即对于许多以命令方式编写的软件，其中包括赋值语句，条件语句，用 While 实现循环的语句对这样的程序用递归定义的函数去证明其正确性就很不方便了。正是为了解决这个问题，弗洛伊德在上述论文中提出了一种基于流程图的表达程序逻辑的方法。这个方法的主要特点就是在流程图的每一弧线上放置一个“标记”(tag)，也就是一个逻辑断言，并且保证只要当控制经过这个弧线时该断言
8、一定成立。弗洛伊德的主要贡献在于解决了基于这种标记的形式系统的细节，证明了这种系统的完备性，解决了如何证明程序终结的问题。弗洛伊德还引入了验证条件的概念，包括流程图的一个组成部分(方框、圆框等)及其人口和出口处的标记。为了证明带标记的流程图的正确性，只要证明其中每一组成部分的验证条件成立就行了。弗洛伊德提出的方法被叫做“归纳断言法”(inductive assertion method)，或前后断言法(preand post-assertion method)。在框图每个断点 i 上所加的逻辑断言即标记就叫 i 点的归纳断言，说明程序执行经过此点时在各输入变量 x 和各程序变量丁之间应存在的关
9、系，以谓词 Pi(x,y)的形式表示。若程序从断点i 经过路段。到下一断点 j 的验证条件以 Ra(x，y)表示，丁的值在。上的变化以 ha(x，y)表示，则只要能证明下式恒真：（x）（y）p i(x,y)R a(x,y) Pj(x,ha(x,y)程序从 i 到 j 的部分正确性也就证明了。虽然用归纳断言法不能证明程序的完全正确性，因为它必须以程序能够终结为前提，但由于弗洛伊德在论文中同时也考虑了如何证明程序终结的问题，因此弗洛伊德的归纳断言法也就有了普遍的意义。弗洛伊德在同年发表于ACM 学报(Journal of ACM)10 月号上的另一篇论文中，还第一次把“不确定性”概念引入程序。所谓
10、“不确定性程序”(non deterministic program)就是根据操作规则有多种操作可供选择，而只选其中之一搜索下去的程序。这对人工智能问题的研究具有十分重要的意义。此外，弗洛伊德还和伊万斯(R0Evans，因设计世界上第一个类比推理程序 Analogy 而闻名于世的学者。Analogy 是可以判定几何图形是否类似的人工智能程序)一起设计了一种称为产生式语言的特殊的程序设计语言 FPL(Floyd-Evans Production Language)，用来编写计算机语言的语法分析程序。之所以称它为产生式语言，是因为用它编写的程序由一系列产生式(或称归约式)组成。实际上，用 FPL
11、编好语法分析程序以后，如果再插入语义子程序，就可以构成一个完整的编译器。用 FPL 语言编写的程序简称 PP 程序，由以下 5 个部分按自左至右顺序组成：1标号(可有可无)；2栈顶符号串；3前看符号串(或称窗口符号串)；4归约符号；5语义动作。执行一个 PP 程序的方法是：依次检视各 PP 的第三部分。若某 PP 的第三部分和输入的前看符号串一致，则进一步检视此 PP 的第四部分，若非空，表示要进行归约，此时把它的第二部分和当前实际的栈顶符号串相比。如果能匹配上，则实行归约，即删去实际的栈顶符号串，用第四部分代替之，然后执行第五部分的动作。若此 PP 的第四部分为空，表示当前无归约可做，直接执
12、行第五部分的动作即可。弗洛伊德是 1978 年 12 月 4 日在华盛顿举行的 ACM 年会上接受图灵奖的。他发表了题为“程序设计的风范”(The Paradigms of Programming)的演说。演说全文刊于 Communications of ACM，1979 年 8 月，455-460 页，也可见前 20 年的 ACM 图灵奖演说集(ACM Turing Award LecturesThe First 20Years：19661985，ACM Pr)，131142 页。弗洛伊德在演说中对结构化程序设计，递归协同例程(recursive coroutine)，动态程序设计，基于规则的系统，状态变换机制(state-transition mechanism)等各种不同程序设计风范进行了比较，并介绍了自己在研究工作中如何根据具体情况应用不同风范的例子，很给人以启示。时间虽然已过去 20 多年，他的例子也许有些过时，但他的观点至今仍然是有效的。
