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出版者:Springer; 1 edition

作者:

出品人:

页数:307 页

译者:

出版时间:2002年

价格:110.0

装帧:平装

isbn号码:9787835404395

丛书系列:

图书标签:

• 互联网服务
• 互联网应用
• 高级网络
• 网络技术
• 云计算
• Web开发
• 网络安全
• 分布式系统
• 服务架构
• 应用开发

计算机科学基础与前沿技术：深度解析与实践指南 本书旨在为读者提供一个全面且深入的计算机科学知识体系，重点关注支撑现代信息技术核心运作的底层原理、关键算法以及新兴技术领域。它不仅仅是一本理论教材，更是一本面向实践的工程指南，旨在培养读者扎实的理论基础和解决复杂工程问题的能力。 --- 第一部分：计算的基石——理论与架构 第1章：离散数学与算法基础的再审视 本章首先回顾了支撑所有计算模型的数学逻辑——离散数学的核心概念，包括集合论、逻辑推理、图论的基础结构及其在问题建模中的应用。重点将放在如何利用这些工具对现实问题进行形式化描述。随后，深入探讨了经典算法分析范式，如大O表示法、主定理等，并详细剖析了排序、搜索和图遍历算法的优化路径。不同于一般性介绍，本章将引入随机化算法（Randomized Algorithms）的原理与应用，特别是蒙特卡洛方法和拉斯维加斯算法在处理大规模数据时的优势与局限。此外，会深入讲解NP-完全性理论的实际意义，指导工程师如何识别和应对不可解问题，并介绍近似算法的设计原则。 第2章：操作系统：从内核到用户空间 本章聚焦于现代操作系统的核心机制，剖析了从硬件抽象层到用户应用程序之间的复杂交互。内容涵盖了进程与线程的管理模型、上下文切换的开销分析、内存管理中的虚拟内存、分页、分段机制以及缓存一致性问题。特别关注多核与异构计算环境下的调度策略，对比了实时操作系统（RTOS）与通用操作系统（如Linux内核）在抢占性、优先级反转处理上的设计哲学差异。同步与互斥机制（信号量、互斥锁、条件变量）的实现细节将被细致拆解，并辅以死锁的检测与预防的实际案例分析。文件系统部分将超越传统的FAT/NTFS结构，探讨日志文件系统（Journaling File Systems）如何保证数据一致性，以及现代基于对象的存储（Object Storage）的架构演进。 第3章：编译原理与程序优化 本章提供了一个深入的编译器设计视角，从词法分析、语法分析（LALR, LL(k)解析）到语义分析。重点将放在中间表示（IR）的设计，特别是SSA（Static Single Assignment）形式的构建与用途。优化阶段将详细讲解数据流分析（如到达定义、活跃变量分析）如何指导代码改进。本章的高级主题包括寄存器分配的图着色算法、向量化（SIMD指令集）的原理，以及如何利用Profile-Guided Optimization (PGO)技术对运行时行为进行反馈以实现更激进的编译优化。 --- 第二部分：数据密集型计算与存储系统 第4章：关系型数据库管理系统（RDBMS）的内部构造 本章将数据库系统视为一个复杂的软件工程项目来研究。内容覆盖事务处理的ACID特性保证机制，重点阐述并发控制协议（两阶段锁定2PL及其改进的串行化隔离级别），以及MVCC（多版本并发控制）在高性能数据库中的实现原理。存储引擎部分将深入剖析B+树索引的结构、页分裂与合并策略，并对比LSM-Tree（Log-Structured Merge-Tree）在写密集型负载下的性能优势。查询优化器部分将详细讲解代价模型的构建、统计信息的收集，以及动态规划算法在生成最优查询执行计划中的作用。 第5章：分布式系统设计原理 本章系统性地探讨构建健壮、可扩展分布式应用所需的核心理论。内容包括CAP定理的实际权衡，一致性模型（如顺序一致性、因果一致性）的定义与实现。核心算法部分将详细分析Paxos和Raft协议，重点在于其日志复制、领导者选举和成员变更的流程与容错性。此外，本章将介绍分布式事务处理的挑战，如两阶段提交（2PC）的阻塞问题以及更现代的三阶段提交（3PC）和TCC（Try-Confirm-Cancel）模式的应用场景。 第6章：高性能I/O与存储架构 本章关注数据如何在物理介质和内存之间高效流动。它深入探讨了操作系统层面的I/O调度算法（如CFQ, Deadline, NOOP）及其对不同负载（顺序读写与随机访问）的影响。存储硬件方面，将分析NVMe协议与SATA/SAS的性能差异，并讲解固态硬盘（SSD）的磨损均衡（Wear Leveling）和垃圾回收（Garbage Collection）机制如何影响其长期性能稳定性。文件系统部分将侧重于并行文件系统（如Lustre, GPFS）的元数据管理与数据分带（Striping）策略。 --- 第三部分：网络通信与安全基础 第7章：深入TCP/IP协议栈与流量工程 本书对网络协议的讨论超越了OSI模型的简单介绍。本章将深入剖析TCP的拥塞控制算法，重点对比CUBIC、BBR等现代拥塞控制算法的设计思想，及其如何应对高延迟、高带宽（HL/HB）网络环境。IP层将讨论路由选择的分布式算法（如OSPF, BGP），并探讨网络地址转换（NAT）的复杂性与安全影响。流量工程部分将介绍软件定义网络（SDN）的基本概念，特别是OpenFlow协议的工作原理及其在网络自动化中的潜力。 第8章：信息安全基础：密码学与认证机制 本章从计算复杂性角度探讨信息安全的数学基础。详细介绍对称加密（AES）和非对称加密（RSA, ECC）的算法原理、密钥管理流程。重点分析哈希函数在数字签名和完整性校验中的应用。认证授权方面，将全面解析Kerberos的票据发放机制，并深入探讨OAuth 2.0和OpenID Connect在现代Web应用和服务间的授权流程设计，突出其在去中心化环境下的安全性考量。 --- 第四部分：计算范式的前沿探索 第9章：并行计算模型与GPU编程 本章聚焦于如何利用大规模并行硬件（特别是GPU）来加速计算任务。首先界定SIMD, SIMT等并行执行模型，并介绍CUDA编程模型中的核心概念：内核（Kernel）、线程层次结构（Grid, Block, Thread）与内存层次（Shared Memory, Global Memory）。本章强调内存访问模式优化，如Coalesced Access，并讨论如何设计算法以最大化寄存器使用率和最小化同步开销。对比OpenMP和MPI在不同并行架构下的适用性。 第10章：性能工程与系统级调试 本章将理论知识转化为实际的系统调优能力。内容涵盖性能分析工具链（如Perf, Valgrind, gprof）的使用，重点在于如何解读火焰图（Flame Graphs）以识别CPU热点和I/O瓶颈。系统级调试将涉及信号处理、内存泄漏检测，以及如何利用eBPF技术在内核级别进行无侵入式的事件跟踪和度量。本章强调性能测试的科学性，包括基准测试的选择、环境隔离和统计显著性检验。 --- 本书的受众定位是具有扎实编程基础的计算机科学专业高年级学生、研究生，以及希望系统性提升底层架构理解和系统工程能力的软件架构师与资深开发人员。

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拿到这本书时，我最大的期待是它能在“互联网应用”这一宽泛主题下，提供一些真正具有创新性的视角，而不是重复已有的知识点。令人惊喜的是，它在这方面做得非常出色。书中关于边缘计算（Edge Computing）与雾计算（Fog Computing）的融合模式，以及如何利用这些新的计算范式来优化实时互动应用（如VR/AR流媒体）的带宽和时延问题，描绘了一个非常清晰的蓝图。作者没有回避技术实现中的难题，比如跨域状态同步的复杂性，而是将其作为一个核心研究点进行剖析，并提出了一套基于可信执行环境（TEE）的解决方案思路。这种将前沿学术研究与实际工程部署紧密结合的写作手法，让这本书的价值远超一般的技术参考书，更像是一份来自前沿实验室的深度报告，非常适合需要站在行业最前沿进行战略规划的技术领导者阅读。

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我是在准备一个关于云原生网络集成方案的研讨会时，偶然发现了这本书的引用。立刻购入后，我发现它对于现代微服务架构下的服务网格（Service Mesh）的讨论，简直是教科书级别的梳理。作者没有将这些概念简单地罗列出来，而是详细对比了不同实现方案（比如Envoy与Istio）在负载均衡策略和故障注入测试方面的差异与取舍。这本书的叙述风格非常冷静、客观，充满了工程师特有的理性光辉。它不是在推销某个单一的技术栈，而是在提供一个评估和选择现有先进网络服务的理论框架。我发现自己过去很多依赖直觉做出的技术决策，在这本书的逻辑梳理下，找到了更坚实的理论支撑。特别是关于延迟优化和网络虚拟化的章节，里面对SR-IOV和DPDK等技术的介绍，精确到可以指导实际的硬件选型，这在很多同类书籍中是极其罕见的。

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说实话，这本书的阅读体验是充满挑战，但回报也极为丰厚的。我不是计算机科学科班出身，最初接触这本书时，有些章节的数据结构和数学模型让我颇为头疼，几乎需要结合线上的文档和一些辅助的视频教程才能勉强跟上思路。然而，正是这种高强度的“拉扯”，迫使我主动去查阅了大量前置知识，使得我的知识体系得到了前所未有的系统性巩固。我尤其赞赏作者在论述网络安全模块时的那种务实态度，没有使用耸人听闻的语言，而是用严谨的逻辑分析了加密算法的弱点以及最新的零信任架构是如何应对这些挑战的。读完后，我对如何构建一个既高效又健壮的应用环境有了全新的认识。这本书的深度已经超越了普通“应用”的范畴，它深入到了驱动这些应用高效运行的“骨架”之中，对那些追求极致性能和可靠性的工程师而言，无疑是一盏指路明灯。

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我通常对这种标题宏大的技术书籍持保留态度，因为它们往往在“先进”和“应用”之间难以找到平衡点，要么过于偏重理论的抽象，要么流于表面的功能介绍。然而，这本书的结构设计却非常巧妙地解决了这个问题。它从基础的网络传输层协议优化入手，逐步构建起面向服务的架构模型，最终落脚于用户体验的可量化指标。我最喜欢它在论述WebAssembly (Wasm) 在网络边缘执行时的安全沙箱机制那部分，作者详细解释了Wasm如何通过限制系统调用来提供比传统容器更轻量级的隔离，这为未来快速部署跨平台网络功能提供了新的思路。这本书的论证过程逻辑严密，层层递进，即使是对某个特定子领域不甚了解的读者，也能通过前文的铺垫，最终理解到核心概念的精髓。读完后，我感觉自己对整个现代互联网服务生态链的运作逻辑，有了一个更具穿透力的认知，不再满足于停留在应用层的使用，而是开始思考如何从底层去重塑服务交付的效率和可靠性。

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这本书简直是网络技术爱好者的福音，我是在朋友的强烈推荐下接触到它的。刚翻开目录时，我就被那种扑面而来的技术深度所吸引。它不像市面上那些泛泛而谈的入门书籍，这本书像是直接把我们带到了互联网架构的核心地带。我特别欣赏作者在讲解新技术趋势时的那种前瞻性，比如对下一代互联网协议的深入剖析，那些关于QoS保证和拥塞控制的讨论，即使是像我这种在网络领域摸爬滚打多年的人，也从中汲取了不少新鲜的思路。特别是关于分布式系统的章节，它不仅仅停留在理论层面，还结合了大量的实际案例和算法实现细节，让人读起来酣畅淋漓，仿佛正在亲手搭建一个复杂的网络服务集群。对我来说，它更像是一本可以随时翻阅的技术手册，而不是只能读一遍就束之高阁的教科书。书中的图表设计也非常精妙，复杂的网络拓扑和数据流被清晰地可视化，极大地降低了理解难度，这对于那些希望深入理解底层机制的技术人员来说，绝对是不可多得的资源。

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