基于自由开源软件的数学计算环境研究

摘要：在高校使用正版软件将是一个必然趋势，鉴于此，通过商用数学软件和自由开源数学软件的比较，本文提出一种基于自由开源软件的可适用于数学专业师生的数学计算环境建设方案。

关键词：开源；数学；计算；环境

最近国务院已要求政府机关带头使用正版软件。社会的各行各业使用正版软件已成为一个必然趋势。作为研究学问和教书育人的场所一高等学校，在教学和工作中本来就应该使用正版软件，但是由于经费等原因很多高校在教学和工作中使用盗版软件也早已是公开的秘密。既然不使用正版软件的主要原因是商用软件的昂贵的价格，那么可自由使用或价格低廉的自由开源软件可不可以成为一个替代方案呢?下面从开源软件的定义及其优点出发通过对Linux操作系统的特性的介绍和各种可替代商用数学软件的开源数学软件的介绍，提出了一种基于自由开源软件的可适用于数学专业师生的数学计算环境建设方案。

一、开源软件及其在高校中推广的优势

开源软件即开放源代码的软件是指在有关许可协议方式的规范下，任何人能够自由获得、拷贝、研究、改进以及分发其源代码的软件。因此，开源软件具备可免费使用以及公布源代码等主要特征。开源软件可以免费从网上下载，还可免费升级，可有效地节约教育投资和成本，而且因其代码公开，若有漏洞能被很快发现并迅速被排除，使得软件的可靠性和安全性往往比商业软件还要高。开源软件的使用能杜绝高校内的盗版行为，同时给了学生一个研究学习高质量原始程序代码的机会，通过这种方式能有效提高教育质量，也有利于培养创新型教育人才。开源精神也符合教育的初衷，教育初衷是传播知识，弘扬先进文化，培养社会需要的有用人才。因此，在高校中推广开源软件有比较好的优势。

二、选择Linux操作系统的理由

操作系统是所有的计算机必须要使用的系统软件，而且所有的应用软件都是基于操作系统运行的。因此，操作系统的选择尤为重要。作为可在一般PC上运行的类Unix开源操作系统Lin-ux，它的稳定性、可定制性、经济性以及安全等特性，使得很多国家和地区把Linux作为首选而应用于教育工作中。Linux采取了许多安全技术措施，比如对读、写进行权限控制、带保护的子系统、审计跟踪、核心授权等。Linux的基础架构有相互无关的层组成，每层都有特定的功能和严格的权限许可，从而保证其最大限度地稳定运行。Linux支持多个用户同时使用同一台计算机，而且没有商业软件所谓的许可证(License)的限制。在同一时间段中，Linux系统中的每个用户对自己的资源有特定的权限，不会相互影响。在Linux系统中，可以同时运行许多程序。多任务是指除了许多用户程序可以同时运行以外，Linux操作系统本身还可以在后台运行程序。Linux常用图形界面系统Xwindow是服务器(提供显示的功能支持)-客户端(实现桌面、图标、任务栏等具体目标)结构，两者通过一种标准协议相对宽松地结合，服务器端和客户端都是可以更换的，选用灵活度较高。因此，根据需要Linux可以不运行图形界面，把Windows运行图形界面的资源分配在真正的工作任务上。Linux还可以根据硬件的具体型号进行定制编译，最大程度地发挥硬件性能。很多专业的服务器软件、科学计算软件和都是为Unix定制的，很容易找到为Linux移植的版本，而Windows上的相关版本可能会滞后或缺陷更多。Windows的图形用户界面是和系统紧密相连的，如果图形用户界面出现故障，整个计算机都不能正常工作。Linux图形用户界面中的运行程序如果出现故障，一般可以正常退出，不需要重新启机。如果不运行桌面程序，只是用于科学计算、后台图形图像处理或者充当服务器，正确配置的Linux比正确配置的Windows更加稳定，资源利用效率也更高。由于以上诸多优点Linux非常适合作为科学计算的平台，因为对科学计算而言非常重要的一点就是计算机系统的可靠性、安全性和高效率性。当计算量比较大且需要计算时间比较长的时候，如果由于缺乏可靠性和安全性出现计算中断的情形就很难完成计算任务。在有限的硬件条件下最大限度地利用资源，对大容量计算来说也非常重要。相比现在大都使用的Windows系统，若使用Linux可以用有限的经费和硬件条件构筑对科学计算优化的环境。

三、可替代商用数学软件的开源数学软件

在我国大部分高校的数学专业师生经常使用的基于Windows系列操纵系统的具有代表性的数学和统计计算软件有Mathematica，Maple，Matlab，Spss，Ses，Eviews等，办公软件有微软的office，Latex，编辑软件有Winexlt，集成开发环境有微软的Visual studio。上述应用软件都是商用软件，由于价格昂贵大部分使用的是盗版软件，这样不仅缺乏很多该有的功能而且其安全性也没有保证。可替代上述商用软件的自由开源软件有可替代Mathematica和maple的maxima或yaces，可替代Mat-lab的scilab和octave，可替代Spss，Ses的Pspp或R，可替代Eviews的gretl，可替代微软office的openoffice或ko-ffice或staroffice，可替代Winedt的tex-makerX或Gummi，可替代Visualstudio的Eclipse。还有以替代Mathematica，Maple，Matlab为目标的Sage是一个可以进行代数、几何、数论、密码学、数值计算及相关领域的研究和教学的自由开源数学软件。

四、适合于数学专业师生的计算环境的具体构建和使用方案

首先，架设服务器(操作系统可选择Linux，BSD系列，opemolaris等开源系统中的一种)来提供用户信息认证、数据存储和ssh远程登录等服务，使得不管用户从哪一个客户端登录都能读取自己的个人数据和自己设置的独有的环境，而不受其他用户的干扰，也看不到其他用户的数据，在后台运行的用户的计算程序不会被其他用户所终止，除非他具有系统管理员权限。等程序运行完后可把计算结果安全地自动保存在服务器里的用户空间中。其次，从众多的Linux发布版中根据需要选择合适的一个发布版，然后在客户端安装Linux操作系统时采用最小或定制安装方式进行安装，采用定制安装方式时只选择跟数学计算、学习和工作有关的软件，而不安装游戏、聊天工具等跟学习无关的软件。这也是Linux操作系统相比windows操作系统自由灵活的一面。在基本安装结束后，确认gee编译软件有没有安装，然后依次安装tetex、pdfviewer、openoffice、maxima、yaces、scilab，octave，pspp，R、gretl，tcxmaker-x、gummi、eclipse、sage等主要数学计算软件并安装ssh客户端软件，以便安全地登录到服务器或其他客户端。为了最大限度地利用硬件资源优势根据需要可不启动Xwindow系统而让Lin-ux在纯文本模式下更加高效、稳定、安全地运行程序。还可通过相关软件的安装和设置可利用这些客户端构建Linux集群并行计算环境，从而充分利用现有资源。最后，要注意在服务器端和客户端都运行防火墙软件并在客户端本地禁止用户登录，以保证系统安全。

参考文献：

[1]尹永学，自由开源软件在高校教学中的应用[J]，成功(教育版)SUC-CESS，2009(12)

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