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出版者:Springer

作者:Akl, Selim G.; Dehne, Frank; Sack, Jvrg-R]diger

出品人:

页数:528

译者:

出版时间:1995-9-12

价格:USD 99.00

装帧:Paperback

isbn号码:9783540602200

丛书系列:

图书标签:

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计算机科学基础：深入理解现代计算的基石 书籍名称：《计算机科学基础：深入理解现代计算的基石》 作者： 经验丰富的大学教授与行业资深工程师组成的跨学科团队 出版社： 普林斯顿大学出版社/麻省理工学院出版社（模拟） 页数： 约 850 页 目标读者： 计算机科学、软件工程、信息技术等相关专业本科生、研究生，以及希望系统回顾或深入理解计算理论与系统架构的专业人士。 --- 内容简介： 《计算机科学基础：深入理解现代计算的基石》是一部旨在为读者构建坚实、全面的计算机科学理论和实践知识体系的权威性著作。本书并非专注于某一特定应用领域或编程范式，而是致力于揭示现代计算系统的底层逻辑、设计哲学以及理论极限。全书结构严谨，内容涵盖了从最抽象的数学逻辑到最贴近硬件实现的各个层面，旨在培养读者解决复杂问题的分析思维和工程能力。 本书的叙事逻辑从计算的本质出发，层层递进，确保读者能够清晰地理解“为什么”和“如何”构建高效、可靠的数字世界。我们摒视了时下流行的技术热点，而是回归到那些经过数十年检验、构成了所有现代技术栈的永恒概念。 第一部分：计算的数学与逻辑基础 (The Mathematical and Logical Foundations of Computation) 本部分为全书的理论基石，旨在巩固读者在离散数学、集合论和逻辑推理方面的能力，这些是理解任何计算模型的先决条件。 1. 离散数学与证明方法： 详细阐述了集合论、图论（包括连通性、遍历算法、平面图理论）、组合学原理（包括鸽巢原理、容斥原理）。重点讲解了数学归纳法、反证法、构造法等严格的证明技巧，这是后续所有算法分析和系统正确性验证的基础。 2. 形式逻辑与可计算性理论： 本章深入探讨了命题逻辑和一阶谓词逻辑，学习如何精确地表达复杂的计算陈述。随后，引入图灵机模型，作为对“什么是可计算的”这一根本问题的形式化回答。详尽讨论了停机问题（Halting Problem）的不可能性证明，以及不可判定性（Undecidability）的概念，为读者设定了计算能力的理论边界。此外，还介绍了哥德尔不完备性定理在计算理论中的哲学意义。 3. 形式语言与自动机理论： 本部分系统介绍了有限自动机（DFA/NFA）、下推自动机（PDA）以及它们所识别的正则语言和上下文无关文法（CFG）。这部分内容不仅是编译原理的理论支撑，也是理解正则表达式引擎和协议解析器的核心。图灵机被重新审视为接受递归可枚举语言的自动机，完成了从有限状态到无限状态计算能力的过渡。 第二部分：系统架构与硬件抽象 (System Architecture and Hardware Abstraction) 本部分将读者的视野从抽象的理论拉回到具体的物理实现，解释了软件是如何在真实硬件上高效运行的。 4. 数字逻辑与计算机组织： 追溯至晶体管级别的设计，介绍布尔代数、逻辑门、组合电路和时序电路的设计。重点讲解了核心算术逻辑单元（ALU）的构建，以及指令集架构（ISA）的设计原则。我们分析了RISC与CISC架构的权衡，并详细阐述了CPU流水线、分支预测和缓存一致性等现代处理器设计中的关键技术。 5. 存储层级与内存管理： 深入探讨了多级缓存系统（L1/L2/L3）的工作原理、缓存命中率的量化分析、局部性原理（时间与空间）在性能优化中的作用。在操作系统层面，详细剖析了虚拟内存的概念，包括分页、分段、TLB（转换后援缓冲区）的工作流程，以及内存保护和地址翻译机制的效率考量。 6. 并行计算模型与内存一致性： 讨论了多核处理器（Multicore）和众核加速器（如GPU）的基本架构差异。本章专注于并发编程的底层挑战，如内存屏障（Memory Barriers）、原子操作以及各种内存模型（如顺序一致性、释放一致性）的定义和实现，强调了正确的并发编程需要深刻理解硬件的可见性保证。 第三部分：程序设计与抽象范式 (Programming Paradigms and Abstraction) 本部分关注如何使用结构化的思维方式来构建复杂软件，重点在于不同编程范式的优势、劣势及其背后的理论支撑。 7. 编译与解释技术： 覆盖词法分析、语法分析（LL, LR 解析器家族）、语义分析（类型检查、属性文法）和代码生成的核心步骤。重点分析了中间表示（IR）的设计，例如静态单赋值形式（SSA），以及常见的优化技术，如常量折叠、死代码消除和循环展开。 8. 函数式编程核心概念： 介绍纯函数、高阶函数、闭包、惰性求值（Lazy Evaluation）等概念。通过讲解不可变性（Immutability）如何简化并发编程和状态管理，展示函数式范式在处理复杂系统中的强大潜力，而不涉及特定语言的语法细节。 9. 类型系统与程序验证： 深入探究静态类型系统与动态类型系统的理论基础。讲解了不同类型系统（如依赖类型、线性类型）在保证程序正确性方面的作用。引入了程序分析的基本方法，如数据流分析和控制流图（CFG），用以理解程序的动态行为。 第四部分：通信与分布式系统基础 (Communication and Distributed System Fundamentals) 本部分聚焦于现代计算环境中不可避免的网络通信和分布式协作问题。 10. 网络协议栈的深入剖析： 不仅仅停留在OSI七层模型上，而是详细分析了TCP/IP协议簇中关键协议的设计权衡。重点剖析了TCP的拥塞控制算法（如Reno, CUBIC）如何平衡公平性与效率，以及UDP在对延迟敏感应用中的定位。此外，深入探讨了现代网络中的延迟来源（如排队延迟、传输延迟）。 11. 分布式一致性与容错性： 探讨了构建在不可靠网络上的可靠系统的挑战。详细阐述了FLP不可能性定理的含义，以及为实现共识而设计的经典协议，如Paxos和Raft的原理与实现细节。本章还涉及拜占庭容错（BFT）的基本概念及其在安全关键系统中的应用。 12. 数据库系统的事务理论： 阐述了关系代数和SQL的理论基础，但核心在于并发控制和持久性。详尽解释了ACID特性的具体实现机制，特别是两阶段锁定（2PL）和乐观并发控制（OCC）。对比了ACID与BASE模型在现代大规模数据存储中的适用场景。 --- 本书特点： 理论与实践的平衡： 每章均包含深入的数学推导和紧密联系实际系统的工程案例分析，确保读者既能理解原理，又能应用于工程实践。 非技术栈依赖： 本书专注于跨越所有编程语言和操作系统的普适性知识，避免了对特定厂商或框架的过度依赖，保证知识的长期价值。 严格的分析方法： 强调使用大O记法以外的更精细的渐近分析方法，包括平均情况分析和概率分析，培养严谨的性能评估能力。 《计算机科学基础：深入理解现代计算的基石》 旨在为下一代计算领域的创新者提供一个全面、深刻、永不过时的知识框架，使其能够自信地面对未来任何技术挑战的本质。

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