计算机科学概论（第13版）

本书是计算机科学概论课程教材，全书对计算机科学做了百科全书式的精彩阐述，充分展现了计算机科学的历史背景、发展历程和新的技术趋势。本书首先介绍的是信息编码及计算机体系结构的基本原理，进而介绍操作系统和组网及因特网的相关内容，接着探讨算法、程序设计语言及软件工程，然后讨论数据抽象和数据库方面的问题，讲述图形学的主要应用以及人工智能，后以计算理论的介绍结束全书。本书在内容编排上由具体到抽象逐步推进，很适合教学安排，每一个主题自然而然地引导出下一个主题。此外，书中还包含大量的图、表和示例，有助于读者对知识的了解与把握。

第13版的全彩色打印策略允许我们制作许多更具描述性的图和图表，使用语法着色对阐明本书中的代码和伪代码段有更好的效果。

本书非常适合作为高等院校计算机以及相关专业本科生教材，也可以供有意在计算机方面发展的非计算机专业读者作为入门参考。

本书是计算机科学概论课程教材，全书对计算机科学做了百科全书式的精彩阐述，充分展现了计算机科学的历史背景、发展历程和新的技术趋势。本书首先介绍的是信息编码及计算机体系结构的基本原理，进而介绍操作系统和组网及因特网的相关内容，接着探讨算法、程序设计语言及软件工程，然后讨论数据抽象和数据库方面的问题，讲述图形学的主要应用以及人工智能，最后以计算理论的介绍结束全书。本书在内容编排上由具体到抽象逐步推进，很适合教学安排，每一个主题自然而然地引导出下一个主题。此外，书中还包含大量的图、表和示例，有助于读者对知识的了解与把握。

第13版的全彩色打印策略允许我们制作许多更具描述性的图和图表，使用语法着色对阐明本书中的代码和伪代码段有更好的效果。

本书非常适合作为高等院校计算机以及相关专业本科生教材，也可以供有意在计算机方面发展的非计算机专业读者作为入门参考。

J. Glenn Brookshear 世界闻名的计算机科学教育家。他在1975年获得新墨西哥州立大学博士后，创办了Marquette大学的计算机科学学位项目，并在该校任教至今。他的主要研究方向是计算理论。除了本书之外，他还著有《Theory of Computationr: Formal Languages, Automata, and Complexity》。

第0章 绪 论 1

0.1 算法的作用 2

0.2 计算的历史 3

0.3 学习大纲 7

0.4 计算机科学的首要主题 8

0.4.1 算法 8

0.4.2 抽象 9

0.4.3 创新 10

0.4.4 数据 10

0.4.5 程序设计 10

0.4.6 因特网 11

0.4.7 影响 11

社会问题 12

课外阅读 13

第 1章 数据存储 14

1.1 位和位存储 15

1.1.1 布尔运算 15

1.1.2 门和触发器 16

1.1.3 十六进制记数法 19

1.2 主存储器 20

1.2.1 存储器结构 20

1.2.2 存储器容量的度量 21

1.3 海量存储器 22

1.3.1 磁系统 22

1.3.2 光系统 24

1.3.3 闪存驱动器 25

1.4 用位模式表示信息 26

1.4.1 文本的表示 26

1.4.2 数值的表示 27

1.4.3 图像的表示 28

1.4.4 声音的表示 29

*1.5 二进制系统 31

1.5.1 二进制记数法 31

1.5.2 二进制加法 32

1.5.3 二进制中的分数 33

*1.6 整数的存储 34

1.6.1 二进制补码记数法 35

1.6.2 二进制补码记数法中的加法 36

1.6.3 溢出问题 37

1.6.4 余码记数法 37

*1.7 分数的存储 39

1.7.1 浮点记数法 39

1.7.2 截断误差 40

*1.8 数据与程序设计 43

1.8.1 Python入门 43

1.8.2 你好，Python 43

1.8.3 变量 44

1.8.4 运算符和表达式 45

1.8.5 货币转换 46

1.8.6 调试 47

*1.9 数据压缩 48

1.9.1 通用的数据压缩技术 48

1.9.2 图像压缩 50

1.9.3 音频和视频压缩 51

*1.10 通信差错 52

1.10.1 奇偶校验位 52

1.10.2 纠错码 53

复习题 55

社会问题 58

课外阅读 59

第 2章 数据操控 60

2.1 计算机体系结构 61

2.1.1 CPU基础知识 61

2.1.2 存储程序概念 62

2.2 机器语言 63

2.2.1 指令系统 63

2.2.2 数据传输类 64

2.2.3 算术/逻辑类 64

2.2.4 控制类 64

2.2.5 Vole：一种演示用的机器语言 65

2.3 程序执行 68

2.3.1 程序执行的一个例子 69

2.3.2 程序与数据 71

*2.4 算术/逻辑指令 73

2.4.1 逻辑运算 73

2.4.2 循环移位运算及移位运算 74

2.4.3 算术运算 75

*2.5 与其他设备通信 76

2.5.1 控制器的作用 76

2.5.2 直接存储器存取 77

2.5.3 握手 78

2.5.4 流行的通信媒介 78

2.5.5 通信速率 79

*2.6 数据操控编程 80

2.6.1 逻辑运算和移位运算 80

2.6.2 控制结构 81

2.6.3 函数 82

2.6.4 输入和输出 83

2.6.5 马拉松训练助手 85

*2.7 其他体系结构 87

2.7.1 流水线 87

2.7.2 多处理器机器 87

复习题 88

社会问题 93

课外阅读 94

第3章 操作系统 95

3.1 操作系统的历史 96

3.2 操作系统的体系结构 99

3.2.1 软件概述 99

3.2.2 操作系统组件 100

3.2.3 系统启动 102

3.3 协调机器的活动 104

3.3.1 进程的概念 104

3.3.2 进程管理 104

*3.4 处理进程间的竞争 106

3.4.1 信号量 106

3.4.2 死锁 108

3.5 安全性 110

3.5.1 来自外部的攻击 110

3.5.2 来自内部的攻击 111

复习题 113

社会问题 115

课外阅读 116

第4章 组网及因特网 117

4.1 网络基础 118

4.1.1 网络分类 118

4.1.2 协议 119

4.1.3 组合网络 121

4.1.4 进程间通信的方法 122

4.1.5 分布式系统 124

4.2 因特网 124

4.2.1 因特网体系结构 125

4.2.2 因特网编址 127

4.2.3 因特网应用 129

4.3 万维网 132

4.3.1 万维网实现 133

4.3.2 HTML 134

4.3.3 XML 136

4.3.4 客户端活动和服务器端活动 137

*4.4 因特网协议 138

4.4.1 因特网软件的分层方法 138

4.4.2 TCP/IP协议簇 141

*4.5 简单的客户机服务器 143

4.6 网络安全 146

4.6.1 攻击的形式 146

4.6.2 防护和对策 148

4.6.3 密码学 149

4.6.4 网络安全的法律途径 151

复习题 153

社会问题 155

课外阅读 156

第5章 算法 158

5.1 算法的概念 159

5.1.1 非正式的回顾 159

5.1.2 算法的正式定义 159

5.1.3 算法的抽象本质 160

5.2 算法的表示 161

5.2.1 原语 161

5.2.2 伪代码 163

5.3 算法的发现 167

5.3.1 问题求解的艺术 167

5.3.2 迈出第 一步 169

5.4 迭代结构 172

5.4.1 顺序搜索算法 172

5.4.2 循环控制 173

5.4.3 插入排序算法 177

5.5 递归结构 180

5.5.1 二分搜索算法 181

5.5.2 递归控制 185

5.6 效率和正确性 187

5.6.1 算法效率 187

5.6.2 软件验证 190

复习题 194

社会问题 198

课外阅读 199

第6章 程序设计语言 200

6.1 历史回顾 201

6.1.1 早期程序设计语言 201

6.1.2 机器无关和超越机器无关 203

6.1.3 程序设计范型 204

6.2 传统的程序设计概念 208

6.2.1 变量和数据类型 209

6.2.2 数据结构 210

6.2.3 常量和字面量 211

6.2.4 赋值语句 212

6.2.5 控制语句 213

6.2.6 注释 216

6.3 过程单元 218

6.3.1 函数 218

6.3.2 参数 219

6.3.3 有返回值的函数 222

6.4 语言实现 224

6.4.1 翻译过程 224

6.4.2 软件开发包 230

6.5 面向对象程序设计 231

6.5.1 类和对象 231

6.5.2 构造器 233

6.5.3 附加特性 234

*6.6 程序设计并发活动 236

*6.7 说明性程序设计 238

6.7.1 逻辑推演 238

6.7.2 Prolog 240

复习题 242

社会问题 245

课外阅读 246

第7章 软件工程 247

7.1　软件工程学科 248

7.2　软件生命周期 250

7.2.1　周期是个整体 250

7.2.2　传统的开发阶段 251

7.3　软件工程方法学 253

7.4　模块化 254

7.4.1　模块化实现 255

7.4.2　耦合 257

7.4.3　内聚 258

7.4.4　信息隐藏 258

7.4.5　组件 259

7.5　行业工具 260

7.5.1　较老的工具 261

7.5.2　统一建模语言 261

7.5.3　设计模式 265

7.6　质量保证 266

7.6.1　质量保证的范围 266

7.6.2　软件测试 267

7.7　文档 268

7.8　人机界面 269

7.9　软件所有权和责任 271

复习题 273

社会问题 275

课外阅读 256

第8章 数据抽象 277

8.1 基本数据结构 278

8.1.1　数组和聚合 278

8.1.2　列表、栈和队列 278

8.1.3　树 280

8.2　相关概念 281

8.2.1　再谈抽象 281

8.2.2　静态结构与动态结构 282

8.2.3　指针 282

8.3　数据结构的实现 283

8.3.1 存储数组 283

8.3.2 存储聚合 285

8.3.3　存储列表 286

8.3.4　存储栈和队列 289

8.3.5　存储二叉树 291

8.3.6　操控数据结构 293

8.4　一个简短的案例研究 294

8.5　定制的数据类型 298

8.5.1　用户定义的数据类型 298

8.5.2　抽象数据类型 299

8.6　类和对象 301

*8.7　机器语言中的指针 302

复习题 304

社会问题 308

课外阅读 309

第9章 数据库系统 310

9.1　数据库基础 311

9.1.1　数据库系统的重要性 311

9.1.2　模式的作用 313

9.1.3　数据库管理系统 313

9.1.4　数据库模型 314

9.2　关系模型 315

9.2.1　关系设计中的问题 315

9.2.2　关系运算 318

9.2.3　SQL 321

*9.3　面向对象数据库 323

*9.4　维护数据库的完整性 325

9.4.1　提交/回滚协议 326

9.4.2　锁定 326

*9.5　传统的文件结构 328

9.5.1　顺序文件 328

9.5.2　索引文件 330

9.5.3　散列文件 331

9.6　数据挖掘 334

9.7　数据库技术的社会影响 335

复习题 337

社会问题 340

课外阅读 341

第 10章 计算机图形学 342

10.1　计算机图形学的范围 343

10.2　3D图形学概述 344

10.3　建模 346

10.3.1　单个物体的建模 346

10.3.2　整个场景的建模 350

10.4　渲染 351

10.4.1　光－表面相互作用 351

10.4.2　裁剪、扫描转换和隐藏面消除 353

10.4.3　着色 356

10.4.4　渲染－流水线硬件 357

*10.5　处理全局光照 359

10.5.1　光线跟踪 359

10.5.2　辐射度 360

10.6　动画 361

10.6.1　动画基础 361

10.6.2　运动学和动力学 362

10.6.3　动画制作过程 363

复习题 364

社会问题 366

课外阅读 366

第 11章 人工智能 368

11.1 智能与机器 368

11.1.1 智能体 368

11.1.2 研究方法 369

11.1.3 图灵测试 370

11.2 感知 371

11.2.1 理解图像 371

11.2.2 语言处理 373

11.3 推理 376

11.3.1 产生式系统 376

11.3.2 搜索树 378

11.3.3 启发式 379

11.4 其他研究领域 384

11.4.1 知识的表达和处理 384

11.4.2 学习 386

11.4.3 遗传算法 387

11.5 人工神经网络 388

11.5.1 基本特性 388

11.5.2 训练人工神经网络 390

11.6 机器人学 392

11.7 后果的思考 395

复习题 396

社会问题 399

课外阅读 401

第 12章 计算理论 402

12.1 函数及其计算 403

12.2 图灵机 404

12.2.1 图灵机的原理 405

12.2.2 丘奇-图灵论题 407

12.3 通用程序设计语言 407

12.3.1 Bare Bones语言 408

12.3.2 用Bare Bones语言编程 409

12.3.3 Bare Bones的通用性 410

12.4 一个不可计算的函数 411

12.4.1 停机问题 411

12.4.2 停机问题的不可解性 413

12.5 问题的复杂性 415

12.5.1 问题复杂性的度量 416

12.5.2 多项式问题与非多项式问题 419

12.5.3 NP问题 420

*12.6 公钥密码学 423

12.6.1 模表示法 424

12.6.2 RSA公钥密码学 424

复习题 426

社会问题 429

课外阅读 429

附录A ASCII码 431

附录B 用于处理二进制补码表示的电路 432

附录C Vole：一种简单的机器语言 434

附录D 高级程序设计语言 436

附录E 迭代结构与递归结构的等价性 438

索引 440

本书是计算机科学概论课程教材，全书对计算机科学做了百科全书式的精