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AI停机问题

计算机科学中最有趣的非编程问题之一是研究什么问题能(以及不能)被计算。例如这个问题,“这个程序能不能完整执行?”,也就是说,判断它(程序)会不会进入死循环。对于任意一段代码,你将如何做出回答呢?你可以尝试去运行这个程序。不过假如它会运行很长时间呢?你要等待多长时间呢?

我们可以思考一下,这个问题是否存在一个通用的解决方案——一种适用于任意一段C代码的方法,它可以判断这段代码最终是否可以停止运行。

让我们假设你发现了这样一个解决程序(为明确起见以下简称为S程序,译者注)。这是一个有两个参数的程序:要判断的程序代码(为明确起见以下简称为P程序,译者注),以及它的输入。如果P程序在给定输入下执行并最终结束,则S程序返回Ture(真),如果P程序陷入无限循环,则S程序返回False(假)。我们可以把S程序命名为DOES-HALT,这个程序可以使用如下语法:
DOES-HALT(program, input)

现在,给定DOES-HALT,让我们看看它所作的事情有多酷。好的,现在任何程序不管它运行多长时间,我们都可以让它通行无阻,并且为它运行提供保护。它可以被用来证明极其复杂的,含有大量递归以及循环结构的程序是否有效。

我们也可以用DOES-HALT快速的计算一个程序是否可以通过所有的测试用例。这是一个小技巧。对于一个特定的输入来说,我们如何用DOES-HALT判断程序是否产生了一个恰当的输出呢?要知道DOES-HALT仅仅是用来判断程序是否停机的。那又怎么样,我们完全可以编写第二个程序,可以把它叫做COMPARE-OUTPUT(比较输出),它将会有三个参数:要检测的程序,程序的输入以及期待的输出,并且它不会陷入死循环。现在,我们所要做的全部事情就是运行DOES-HALT(COMPARE-OUTPUT, [program, input, expected output]) ,这样一来我们就会知道程序是否通过了测试用例,输入,和输出预期的输出。如果它停机了,好的,它通过了;否则它就没有通过。

想想看这个程序会在我们测试复杂的算法时给我们提供多大的帮助!

让我们看看接下来的情况。特别是,如果把一个程序自身当作它的输入是会发生什么,我们需要编写一个怎忙的程序来测试它呢?例如*nix(*nix,即Unix,Linux等Unix核心的操作系统,译者注)下的程序cat(cat是Linux中一个察看文件内容的命令,译者注),当运行它自己时,将会输出可执行文件的二进制内容。有些程序在把它们自己当作输入运行时,可能永远不会停下来,既然这样——那么让我们用DOES-HALT编写一端伪代码,用它来测试当一个程序把它自己作为输入参数时会发生什么好了。我们称它为SELF-HALT(意为自停机,译者注),这个程序(SELF-HALT)将会在输入程序自运行(在这里用自运行作为程序把自己作为参数运行的简单说法,译者)非停机状态时停机。

SELF-HALT(program)
{
 if(DOES-HALT(program, program))
 infinite loop
 else
 halt
}

这段代码非常清晰:如果程序在自运行时停机,则SELF-HALT进入死循环,否则SELF-HALT停机。

太漂亮了,因为我们可以用它来分辨一个用来分析其他程序的程序(例如DOES-HALT),当该程序用自己作为输入时是否会停机。

现在,如果我们用SELF-HALT来分析它自己会怎么样呢?好的,让我们来看看。如果DOES-HALT(SELF-HALT, SELF-HALT),则SELF-HALT(SELF-HALT) 将会永远循环。因此假如SELF-HALT在运行它自己时停机了,那么它会永远循环(死循环)。

这没有道理,因此DOES-HALT(SELF-HALT, SELF-HALT)必须为False(假)。SELF-HALT(SELF-HALT)必须不停机。但是如果DOES-HALT(SELF-HALT, SELF-HALT)为假(False),SELF-HALT(SELF-HALT) 必须停机!一个悖论。

那么我们在哪儿出问题了呢?我们的SELF-HALT结构非常完美,没有任何问题。我们的依据也都完美无缺,没有任何错误。实际上,所有问题的根源都在于我们使用了DOES-HALT 这个程序。

事实是,上面的所有论证都是建立在停机问题成立的基础上的,然而停机问题仅仅是一个名词,在一般情况下我们根本无法实现它。DOES-HALT永远不会存在,假如它存在的话就会产生上述悖论——当一个程序无限循环时才会停机,并且当它停机时才会无限循环。