拯救阿波罗的程序媛

taotao_2016 2019-07-17

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在阿波罗11号飞船着陆月球的前几分钟，意外出现了。由于着陆器雷达的电源出现问题，计算机出现过载现象，程序报警显示“执行溢出”，这意味着导航计算机不能实时完成所有任务。系统近乎崩溃，难道这次挑战要以船毁人亡的惨剧结束吗？

撰文 | 李唐

1969年7月16日，搭载着阿波罗11号的土星5号火箭在肯尼迪航天中心发射升空。这是人类的首次登月尝试。7月21日，阿姆斯特朗和奥尔德林成功踏上了月球的表面，在完成考察任务后顺利返回地球。

这一伟大创举的背后，是无数科学家和工作人员的辛勤努力。在他们之中，就有一位堪称传奇的程序员。如果没有她的智慧，阿波罗计划便会毁于一旦。她就是程序员们的“女神”——玛格丽特·海菲尔德·汉密尔顿（Margaret Heafield Hamilton）。

学业与家庭

玛格丽特于1936年8月17日在印第安纳州的保利出生。高中毕业后的第二年（1955年），她开始在密歇根大学学习数学。在这里，她结识了詹姆斯·汉密尔顿，并在毕业后与他结为夫妻。1958年，玛格丽特获得数学学士学位。同时，她还在厄勒姆学院（ Earlham College）完成了辅修哲学的学业。玛格丽特说，是她的父亲（哲学家、诗人）和祖父（校长、贵格会牧师）激励了她学习哲学。

大学毕业后，为支持丈夫在哈佛大学攻读本科学位，她在一所高中教了一段数学和法语。后来，她搬到了马萨诸塞州的波士顿，并打算在布兰迪斯大学（Brandeis University）读研。这次，她选择抽象数学作为主攻方向，她的理想是成为一名数学教授。当时，詹姆斯·汉密尔顿在哈佛大学修读法律。为了缓解经济压力，1959年的夏天，玛格丽特开始在麻省理工学院的气象系为爱德华·诺顿·洛伦茨（Edward Norton Lorenz）工作。在她看来，这只是暂时性的一步，过不了多久她还会继续研究生的学业。玛格丽特并未预料到，这份临时的工作竟为她打开了一个充满乐趣的全新领域。

初涉编程

在为洛伦茨工作期间，她为Marvin Minsky的MAC项目开发了预测天气的软件——这项工作对洛伦兹在混沌理论方面的成果做出了直接贡献：混沌理论关注于初始条件的细微变化所引起的结果上的巨大差别，天气预报是混沌理论研究的典型案例。

在1961年，由于能力出色，玛格丽特进入了著名的林肯实验室，成为SAGE（ Semi-Automatic Ground Environment ）项目的研发成员。SAGE项目的初衷是利用计算机系统模拟气流的运动，对天气状况进行预测，后来其被美国军方用于防空，以抵御苏联可能发动的攻击。

当时，计算机科学和软件工程还没有成为系统的学科，程序员往往在工作中通过实践经验来学习，编写程序的复杂度和现代编程也不在一个量级上。由于新兴的编程行业还缺乏完善的统一标准，每个程序员必须掌握多种汇编语言。他们首先将代码用打字机写到纸上，再依靠人力对程序进行排错（debug），这往往需要数遍检查。在确认无误后，这些程序才会被专职人员用手工编成的磁环存入电脑。尽管如此，玛格丽特依然乐此不疲，她已经沉醉在了这个崭新的世界之中。她说道：

当你作为一个初学者进入这个组织时，他们通常会给你分配一个没人能想出或者运行的程序。当我接手这个项目时，它的确很棘手，但我真的让它运作了起来，我是第一个使它工作的人。

正是她在SAGE项目上的努力，使她成为美国宇航局阿波罗飞行软件首席开发员的候选人。

（图源：MIT Museum）

在“荒野”上工作的母亲

麻省理工学院的查尔斯·斯塔克·德雷珀实验室当时正在进行阿波罗计划的研究，玛格丽特加入了这个实验室。作为编程专家，玛格丽特担任一支研发团队的领导。

就在这段日子里，她的女儿劳伦出生了。在2015年的一次采访中，玛格丽特表示，在工作的同时担当母亲的角色的确充满了挑战性。在工作繁忙的时候，她不得不将仅有几岁的女儿带到实验室里，专注的母亲和在一旁玩耍的小女儿成为实验室里一道别样的风景。

在这个关于计算的新世界中，许多地方并没有前人的脚步，路要靠自己去开拓。“那里就像是原始的西部，没有航线，没有人教你东西。”正是在这种情况下，她的团队成功开发出了飞行软件，其中包括由多位资深科学家为阿波罗指令舱、月球着陆器和随后的天空实验室（Skylab）设计的算法。

化解危机

我们知道，计算机的处理速度与作为临时存储空间的内存有很大关系，而在那个时代，计算机内存都很小，阿波罗飞船上的电脑也不例外，这意味着其运行能力的上限较低。

在这个紧要关头，玛格丽特编写的程序竟然顶住了压力。她的算法为各个进程分配优先级，确保所有任务能以正确的顺序进行。玛格丽特写道：

在这种情况下，软件的作用是清除优先级较低的任务，并重新执行更重要的任务……如果计算机没有意识到这个问题并采取恢复措施，我怀疑阿波罗11号能否成功登月。

正是玛格丽特设计的程序挽救了阿波罗飞船，使阿姆斯特朗迈出了“人类的一大步”。资深技术专家保罗·库托（Paul Curto）提名玛格丽特获得美国宇航局太空行动奖，称她的工作是“超可靠软件设计的基础”。在玛格丽特的程序拯救人类的登月计划时，她其实只有33岁。

荣誉永远属于她

后来，玛格丽特离开了NASA，并与他人一同创建了一家名为high Order Software 的公司，继续进行软件开发的工作。她提出的算法思想为后来的很多程序设计提供了不可或缺的灵感。

玛格丽特与Anthony Oettinger、Barry Boehm一道被认为是提出 “软件工程”这一学科名称的人。她想赋予编程以“合法性”，这样它（以及程序员）就会得到应有的尊重。因此，她创造了“软件工程”这个术语，以区别于其他类型的工程学科。随着时间的推移，“软件工程”获得了与其它任何技术学科相同的重视。

《连线》杂志的凯伦·特根·帕迪尔（Karen Tegan Padir）评价道，玛格丽特为更多女性进入软件等STEM领域并取得成功打开了大门。为此，我们应该送上额外的赞誉。

2003年，玛格丽特被授予NASA杰出太空行动奖；该奖项包含37200美元的奖金，是NASA历史上授予个人的最高数额。在2016年，她又得到了美国最高平民荣誉——总统自由勋章。颁奖典礼上，奥巴马总统说，汉密尔顿夫人“象征着一代帮助人类进入太空的默默无闻的女性”。