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出版者:

作者:Hoganson, Kenneth E.

出品人:

页数:265

译者:

出版时间:2007-12

价格:$ 136.67

装帧:

isbn号码:9780763742959

丛书系列:

图书标签:

• 计算机科学
• 计算概念
• 编程基础
• 数据结构
• 算法
• 计算机理论
• 信息技术
• 计算机系统
• 软件工程
• 离散数学

计算机科学：探索数字世界的基石 书籍名称：《计算机科学：探索数字世界的基石》 书籍简介： 本书旨在为初学者和有志于深入理解现代计算原理的读者提供一个全面、系统且富有洞察力的导论。我们生活在一个由算法和数据驱动的时代，理解计算机科学的基本概念不再是专业人士的专利，而是现代公民必备的素养。《计算机科学：探索数字世界的基石》不仅仅是一本关于编程语言或特定软件的教科书，它更侧重于揭示支撑所有数字技术的核心思想、理论框架和工程实践。 第一部分：计算的哲学与历史回响 本书伊始，我们将追溯计算思想的源头。从古代的算盘到 20 世纪初数学家对“可计算性”的哲学探讨，我们将深入剖析图灵（Alan Turing）的通用图灵机概念如何从一个纯粹的数学抽象转变为现代计算机的蓝图。我们探讨了冯·诺依曼架构的奠基性意义，理解存储程序（Stored-Program）概念如何彻底改变了机器的灵活性和通用性。 本部分将细致阐述计算的本质：什么是信息？信息是如何被量化和编码的？我们将超越简单的二进制世界，探讨信息论（Shannon Entropy）如何为数据压缩和可靠通信设定了理论极限。我们不会回避那些更深层次的问题：是否存在不可解的问题？计算能力的边界在哪里？通过历史的视角，读者可以更清晰地认识到我们今天所拥有的计算能力是建立在多少代人智慧的积累之上。 第二部分：硬件的架构与运作原理 要理解软件如何工作，首先必须理解“机器”本身。《计算机科学：探索数字世界的基石》用大量的篇幅详细解读了现代计算机的物理实现。我们从晶体管——这个数字世界的基本开关——开始，逐步构建起逻辑门（AND, OR, NOT, XOR），再到更复杂的组合逻辑电路，如加法器和多路复用器。 核心章节将聚焦于CPU的内部结构。我们将剖析指令集架构（ISA）如何定义了处理器与软件之间的契约。读者将跟随一个指令（例如 ADD 或 JUMP）的生命周期，观察它如何从内存中被取出、解码，然后在算术逻辑单元（ALU）中被执行，并最终更新程序计数器。我们还将深入讨论性能优化策略，如流水线（Pipelining）技术如何通过并行化指令阶段来提升吞吐量，以及缓存层级（L1, L2, L3 Cache）在弥合CPU速度与主存速度巨大鸿沟中的关键作用。内存管理单元（MMU）的工作机制，包括虚拟内存和分页的概念，也将被清晰地阐述，以揭示操作系统如何安全、高效地管理有限的物理资源。 第三部分：软件的构造与抽象层次 在硬件之上，软件构建了我们与机器交互的桥梁。本部分将系统地介绍程序设计范式。我们将对比过程式编程、面向对象编程（OOP）的核心原则——封装、继承和多态——以及函数式编程范式的优雅之处。重点在于理解每种范式如何解决特定类别的复杂性问题。 数据结构是组织信息的骨架。本书将详尽介绍线性结构（数组、链表）、非线性结构（树、图）以及散列表（Hash Table）的内部实现机制及其时间/空间复杂度分析。理解不同数据结构的优劣权衡，是设计高效算法的前提。 算法是解决问题的步骤。我们将深入探讨经典算法的设计技巧，包括分治法（如快速排序和归并排序）、贪心算法和动态规划。对于每一类算法，我们不仅会展示其实现细节，更会强调大O表示法在评估其效率和可扩展性方面的关键作用。网络协议栈（TCP/IP模型）的原理也将被纳入讨论，解释数据如何在全球范围内可靠地传输，为分布式计算打下基础。 第四部分：操作系统：资源的仲裁者 操作系统（OS）是管理硬件资源和提供用户接口的复杂软件系统。本部分将剖析操作系统的核心功能。我们将详细分析进程与线程的概念，理解并发执行的挑战，特别是竞态条件（Race Conditions）和死锁（Deadlock）的成因及避免策略，例如使用信号量和互斥锁进行同步。 调度算法是操作系统的“心脏”，决定了哪个进程在何时获得CPU时间。我们将对比先来先服务（FCFS）、最短剩余时间优先（SRTF）和轮转（Round Robin）等算法的性能表现。此外，文件系统设计——如何将逻辑上的文件映射到物理磁盘扇区，以及如何保证数据持久性和一致性——也将被详尽探讨。 第五部分：走向未来：计算的前沿领域 在本书的最后部分，我们将目光投向当前计算领域的热点与未来方向。我们将介绍数据库系统的核心概念，包括关系代数、SQL 查询优化，以及事务的 ACID 特性。 分布式计算和云计算的基础理论也将被引入。读者将了解到一致性哈希、一致性模型（如 CAP 定理）以及 MapReduce 等思想如何使大规模数据处理成为可能。最后，我们将展望人工智能和机器学习的计算基础，探讨优化算法（如梯度下降）在处理高维数据时的计算需求，以及量子计算的理论潜力与当前面临的工程挑战。 通过对这些基础领域的深入探索，《计算机科学：探索数字世界的基石》旨在培养读者严谨的逻辑思维能力，使他们不仅能“使用”计算机，更能“理解”计算的深层机制，从而有能力参与到未来的技术创新之中。

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