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出版者:清华大学出版社

作者:卜艳萍

出品人:

页数:268

译者:

出版时间:2004-9-1

价格:22.00元

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787302092827

丛书系列:

图书标签:

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好的，这是一本关于计算机科学基础理论与实践的综合性著作的图书简介，旨在为读者构建坚实的学科认知体系。 --- 《计算科学的基石：从理论到实现的深度探索》 图书简介 在信息技术日新月异的今天，理解计算科学的内在规律和底层逻辑，比以往任何时候都更为关键。本书《计算科学的基石：从理论到实现的深度探索》，并非聚焦于某一特定软件或编程语言的快速入门，而是致力于为所有致力于深入理解计算机领域，无论是学生、研究人员还是资深工程师，提供一套系统、严谨且富有洞察力的知识框架。 本书的核心目标是构建一个横跨理论基础、核心算法、系统结构与前沿交叉领域的全景图。我们相信，真正的创新源于对基本原理的深刻掌握。 第一部分：计算的哲学与数学基础 本部分将读者带回计算的源头，探讨计算机科学背后的哲学思辨与严谨的数学支撑。 1.1 图灵机与可计算性理论： 我们将详细剖析阿兰·图灵的工作，从形式化地定义“计算”开始，深入理解图灵机模型（确定性与非确定性）。重点探讨停机问题（Halting Problem）的不可解性，以及其对所有计算实践的根本性约束。此外，本书会引入哥德尔不完备定理与计算复杂性理论（如P、NP、NP-完全性）的初步关联，为后续算法分析打下理论基石。 1.2 离散数学的重构： 计算机科学是一门应用离散数学的学科。本章将重温集合论、逻辑（命题逻辑与一阶谓词逻辑）、关系与函数，并特别强调在图论中的应用。我们将深入探讨图的连通性、遍历算法（DFS/BFS的底层逻辑）、树结构（如生成树的最小代价计算），以及它们在网络拓扑、数据结构和数据库查询优化中的实际意义。 1.3 数理逻辑与形式化验证： 探索如何使用精确的数学语言来描述和验证程序的正确性。我们将介绍自动定理证明的基本思想，以及如何利用逻辑框架（如模态逻辑或霍尔逻辑）来形式化地表达程序的先验条件和后验保证，为高可靠性软件的开发提供思维工具。 第二部分：算法的艺术与效率分析 算法是计算的核心。本部分不满足于罗列算法的实现，而是着重于算法设计范式、性能评估的科学方法，以及处理大规模数据的策略。 2.1 算法设计范式： 系统梳理和对比主要的算法设计范式，包括分治法（如快速排序和归并排序的对比分析）、贪心算法（及其适用场景的边界判断）、动态规划（状态转移方程的构建与优化）、回溯法与分支定界法。对于每种范式，都提供至少一个经典的、非平凡的案例进行深入剖析。 2.2 渐进分析与性能界限： 详细讲解大O、$Omega$ 和 $Theta$ 符号的严格定义及其在不同场景下的应用。本书将探讨摊还分析（Amortized Analysis）在分析动态数组、斐波那契堆等数据结构时的重要性，并对比最好、最坏和平均情况下的性能差异，强调在实际工程中如何进行性能预估。 2.3 高级数据结构与存储优化： 超越基础的链表和数组，深入探究平衡搜索树（如AVL树和红黑树的旋转机制与平衡保证）、B树及其在磁盘存储系统中的优化原理、散列表的冲突解决策略（如Cuckoo Hashing的优势），以及堆结构在优先队列中的高效实现。 第三部分：计算机系统底层架构 要写出高效的代码，必须理解代码是如何被执行的。本部分揭示了从高级语言指令到物理硬件操作的转化过程。 3.1 机器组织与指令集架构（ISA）： 探讨冯·诺依曼结构与哈佛结构的差异，重点分析现代处理器的流水线设计、超标量执行、分支预测等性能提升技术。我们将基于一个简化的RISC架构（如MIPS或类RISC-V），详细解释指令的编码、寻址模式以及指令周期。 3.2 存储器层级结构与内存管理： 深入剖析缓存（Cache）的工作原理——包括写策略、替换算法（LRU、FIFO的硬件实现）和多级缓存的一致性问题。随后，详细解析虚拟内存的概念，页表（Page Table）的结构、TLB（转换后援缓冲器）的作用，以及缺页中断（Page Fault）的处理流程，阐明程序如何实现地址空间隔离。 3.3 编译、链接与运行环境： 从源代码到可执行文件的完整生命周期。我们将介绍编译器的主要阶段：词法分析（基于有限自动机）、语法分析（LL/LR分析器的构造原理）、语义分析和代码生成。同时，深入解释链接器的工作：重定位、符号解析，以及动态链接库（DLL/SO）加载机制，这对于理解程序间的依赖至关重要。 第四部分：操作系统与并发控制 操作系统是连接硬件与应用程序的桥梁。本部分关注资源管理、进程调度与现代多核环境下的并发挑战。 4.1 进程与线程模型： 严格区分进程和线程的概念，探讨用户级线程与内核级线程的区别。深入分析经典进程调度算法（如FCFS、SJF、优先级调度和轮转法）的理论性能指标，并阐述多级反馈队列（MLFQ）在实现交互式系统响应性方面的优势。 4.2 同步与互斥机制： 重点解决并发编程中的三大难题：死锁、饥饿和竞态条件。详细分析使用信号量（Semaphore）、管程（Monitor）以及经典的互斥锁（Mutex）和条件变量（Condition Variable）来构建无竞争的临界区。本书会特别探讨无锁数据结构（Lock-Free Data Structures）的设计思想及其对高并发性能的潜在提升。 4.3 文件系统与I/O管理： 考察磁盘调度算法（如SSTF、SCAN）如何优化寻道时间。文件系统的结构，包括索引节点（Inode）、目录结构的设计，以及日志型文件系统（如Ext4/NTFS）如何保证数据的一致性和原子性。 第五部分：网络通信与分布式基础 现代计算离不开网络。本部分聚焦于数据如何在异构系统间可靠传输，以及构建分布式系统的基本难题。 5.1 TCP/IP协议栈的深度解析： 从物理层开始，系统地剖析数据链路层（ARP）、网络层（IP寻址、路由算法的层次化设计）和传输层（TCP的可靠性机制，包括三次握手、慢启动、拥塞控制算法如Reno/CUBIC）。我们将强调UDP在特定场景下的价值。 5.2 分布式计算的挑战： 探讨CAP理论的含义及其在实际系统设计中的权衡。介绍共识算法的基础，如Paxos或Raft的核心思想，用于解决分布式环境下的状态同步和领导者选举问题。 --- 本书特色： 理论深度与实践广度并重： 每项理论概念后都紧跟其在主流编程语言或操作系统内核中的具体体现。 强调“为什么”而非“怎么做”： 关注设计决策背后的数学和逻辑依据，培养读者解决未知问题的能力。 面向底层思维的训练： 旨在让读者能够“看到”CPU、内存和网络正在执行的底层操作。 《计算科学的基石》是一本需要耐心研读的工具书，它将为读者构建起一座坚实的知识堡垒，使他们能够更自信、更深刻地驾驭计算机科学的每一个前沿领域。

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