编辑推荐

《计算机科学导论(第5版)》按照教育部高教司主持评审的《中国计算机科学与技术学科教程2002》进行编写，并参照美国计算机学会(Association for Computing Machinery，ACM)和美国电气和电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronic Engineers，IEEE)的计算教程2015，用逻辑严密的编写方式将读者引入本学科各个富有挑战性的领域之中。《计算机科学导论(第5版)》介绍了计算机体系结构与组织、程序设计语言、程序设计基础、算法与复杂性、信息管理、软件工程、操作系统、网络计算、图形学和可视化计算、人机交互、离散结构、数值计算科学、智能系统、社会和职业问题等14个核心体，力求让读者对计算机科学与技术专业有比较深入的了解，树立专业学习的责任感和自豪感。

《计算机科学导论(第5版)》是在《计算机科学导论》(第4版)的基础上进行修订的，主要修订内容有：删减了一些复杂的理论知识，增加了云计算与物联网、大数据分析、互联网+、数字地球、智慧城市、电子商务、智能家居、智能交通、3D打印技术、微博、微信等内容。本书介绍了计算机科学与技术的核心内容，使读者理解计算机系统的信息处理本质，掌握数据表达和数据加工表达的层次方法，了解计算机系统的功能组成，认识计算机科学与技术对人类社会的重要推动作用。

《计算机科学导论(第5版)》内容由浅入深、结构严谨，力求避免内容重复、结构松散等弊病。由于本书涉及的内容繁多，各高校任课教师可根据学生的情况，在学习本书时适当调整学时，对其中的一些章节也可以根据各高校的实际情况选用。

内容简介

《计算机科学导论(第5版)》结合理论讲解和实际应用，严格按照教育部高教司主持评审的《中国计算机科学与技术学科教程2002》进行编写，并参照美国计算机学会和美国电气和电子工程师协会的计算教程(Computing Curricula，CC)，对计算机科学与技术进行系统化和科学化阐述。本书具体介绍了计算机体系结构与组织、程序设计语言、程序设计基础、算法与复杂性、信息管理、软件工程、操作系统、网络计算、图形学和可视化计算、人机交互、离散结构、数值计算科学、智能系统、社会和职业问题等14个核心体，目的是让读者了解计算机科学与技术学科的全貌。本书每章后均配有一定量的习题，以便读者巩固所学知识。

《计算机科学导论(第5版)》既可作为高等学校计算机专业学生的专业基础课程教材，也可作为网络工程、信息安全、物联网工程、通信工程、电子科学与技术、自动化等相关专业学生的计算机教材。

目录

目 录

第1章 概述 1

1.1 计算的起源 1

1.2 计算机的产生和发展阶段 3

1.3 计算机的应用领域和发展趋势 22

1.4 计算学科 26

1.5 计算机科学与技术学科的知识体系 29

1.6 计算机科学与技术学科的教育 33

1.7 信息化的挑战 36

1.8 计算机产业 36

本章小结 37

习题 37

第2章 计算机体系结构与组织 40

2.1 数值数据 40

2.2 非数值数据 50

2.3 数据的机器编码 53

2.4 数字逻辑与数字系统 54

2.5 计算机系统的组成 59

2.6 存储系统的结构 69

2.7 输入/输出系统 71

2.8 多核技术 71

2.9 高性能计算机 72

2.10 并行计算机 72

2.11 分布式系统 73

本章小结 73

习题 73

第3章 程序设计语言 76

3.1 程序设计语言概述 76

3.2 声明和类型 83

3.3 类型系统 83

3.4 编译原理 83

3.5 程序设计语言的设计 89

本章小结 89

习题 89

第4章 程序设计基础 92

4.1 程序设计 92

4.2 程序设计方法 92

4.3 基本数据结构 101

4.4 事件驱动程序设计 109

本章小结 110

习题 110

第5章 算法与复杂性 112

5.1 算法分析 112

5.2 常用算法 114

5.3 算法描述工具 116

5.4 算法的评价 118

5.5 算法设计策略 119

5.6 分布式算法 119

5.7 可计算性理论基础 120

5.8 NP问题 120

5.9 自动机理论 121

5.10 加密算法 121

5.11 几何算法 122

5.12 并行算法 123

本章小结 123

习题 123

第6章 信息管理 125

6.1 模型与信息系统 125

6.2 数据库系统 126

6.3 关系数据库 131

6.4 数据库查询语言SQL 135

6.5 关系数据库设计 136

6.6 数据库管理 137

6.7 常用数据库管理系统 139

6.8 数据库的新发展 141

本章小结 144

习题 145

第7章 软件工程 147

7.1 软件工程 147

7.2 软件开发模型 152

7.3 软件开发方法 157

7.4 软件质量评价和保证 160

7.5 软件复杂性 162

7.6 软件项目管理 163

7.7 软件可靠性 166

7.8 软件评审 167

7.9 容错软件技术 169

7.10 软件工程环境 170

本章小结 173

习题 174

第8章 操作系统 176

8.1 操作系统 176

8.2 操作系统的发展 180

8.3 操作系统的分类 183

8.4 操作系统的功能 184

8.5 操作系统的体系结构 186

8.6 并发性 187

8.7 调度与分派 187

8.8 安全与保护 187

8.9 文件系统 189

8.10 容错 189

8.11 系统性能评价 190

8.12 脚本 191

8.13 主流操作系统 191

8.14 操作系统的新发展 194

本章小结 195

习题 195

第9章 网络计算 197

9.1 通信与组网 197

9.2 计算机网络 201

9.3 Internet和TCP/IP协议 212

9.4 网络管理 218

9.5 移动通信与无线上网 220

9.6 网络安全 220

9.7 网格计算 224

9.8 云计算与物联网 225

9.9 互联网+ 227

本章小结 228

习题 229

第10章 图形学和可视化计算 231

10.1 图形学的基本概念 231

10.2 图形系统 235

10.3 计算机视觉和可视化 236

10.4 图形用户界面 237

10.5 图像通信 238

10.6 几何建模 238

10.7 计算机动画 238

10.8 虚拟现实 239

10.9 3D打印 240

本章小结 240

习题 241

第11章 人机交互 242

11.1 人机交互 242

11.2 多媒体技术 250

本章小结 252

习题 252

第12章 离散结构 254

12.1 离散结构的研究对象及主要内容 254

12.2 数理逻辑 255

12.3 集合论 261

12.4 代数结构 267

12.5 图论 270

12.6 离散概率 274

本章小结 275

习题 275

第13章 数值计算科学 278

13.1 高性能计算 278

13.2 数值分析 279

13.3 运筹学 280

13.4 数学建模与计算机模拟 281

本章小结 282

习题 282

第14章 智能系统 284

14.1 人工智能系统 284

14.2 知识表示及推理 288

14.3 搜索技术 292

14.4 自然语言处理 292

14.5 计算智能 294

14.6 机器学习 296

14.7 智能技术 297

14.8 大数据分析 298

本章小结 298

习题 299

第15章 社会和职业问题 300

15.1 计算的社会背景 300

15.2 计算机与道德 301

15.3 基于计算机系统的风险与责任 303

15.4 知识产权 304

15.5 隐私与公民自由 306

15.6 计算机犯罪 307

15.7 团队合作 308

15.8 哲学框架 310

本章小结 310

习题 311

参考文献 313

精彩书摘

第2章 计算机体系结构与组织

学习目标

了解数据的机器编码、计算机系统的组成、存储系统的组织结构、基本的输入/输出系统、计算机系统的分类、多核技术、高性能计算机、并行计算机、网络计算机、分布式系统。

掌握数值数据的表示和计算、非数值数据的编码、数字逻辑与数字系统。

学习计算机知识应从一些基本的概念入手，包括数值数据在计算机中的表示与运算、非数值数据的表示、数据的机器编码、数字逻辑与数字系统等与计算机相关的基础知识。

2.1 数 值 数 据

计算机只识别二进制编码的指令和数据，其他的如数字、字符、声音、图形、图像等信息都必须转换成二进制的形式，计算机才能进行识别和处理。二进制只有两个状态(即0和1)，这正好与物理器件的两种状态相对应，如电压信号的高与低、门电路的导通与截止等；而十进制电路则需要用10种状态来描述，这将使得电路十分复杂，处理起来也非常困难。因此，采用二进制将使得计算机在物理实现上变得简单，且具有可靠性高、处理简单、抗干扰能力强等优点。下面对计算机中的各种数据表示进行详细介绍。

2.1.1 数的表示及数制转换

十进制数是日常生活中常用的，一直伴随着人们的生活，它也是中国的一大发明。在商代时，中国已采用了十进制。从现已发现的商代陶文和甲骨文中，可以看到当时已能够用一、二、三、四、五、六、七、八、九、十、百、千、万13个数字，记十万以内的任何自然数。这些记数文字的形状，在后世虽有所变化并演变成为现在的写法，但记数方法却从没有中断，一直被沿袭的同时日趋完善。十进制的记数法是古代世界中最先进、最科学的记数法，对世界科学和文化的发展起着不可估量的作用。正如李约瑟(Joseph Terence Montgomery Needham，1900—1995)所说的：“如果没有这种十进制，就不可能出现我们现在这个统一化的世界了。”

除了十进制外，其他进制，如十二进制(时钟)等也在生活中广泛使用。而在计算机内所有的数据都是以二进制代码的形式存储、处理和传送，但是在输入/输出或书写时，为了用户的方便，也经常用到八进制和十六进制。

前言/序言

前 言

　　“计算机科学导论”是计算机专业学生进入大学学习的第一门专业基础课程，其目的在于用统一的思想，对该学科进行系统化和科学化阐述，让学生认识计算机科学与技术学科的本质。本书按照教育部高教司主持评审的《中国计算机科学与技术学科教程2002》进行编写，并参照美国计算机学会(Association for Computing Machinery，ACM)和美国电气和电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronic Engineers，IEEE)的计算教程2015，用逻辑严密的编写方式将读者引入本学科各个富有挑战性的领域之中。本书介绍了计算机体系结构与组织、程序设计语言、程序设计基础、算法与复杂性、信息管理、软件工程、操作系统、网络计算、图形学和可视化计算、人机交互、离散结构、数值计算科学、智能系统、社会和职业问题等14个核心体，力求让读者对计算机科学与技术专业有比较深入的了解，树立专业学习的责任感和自豪感。

　　本书是在《计算机科学导论》(第4版)的基础上进行修订的，主要修订内容有：删减了一些复杂的理论知识，增加了云计算与物联网、大数据分析、互联网+、数字地球、智慧城市、电子商务、智能家居、智能交通、3D打印技术、微博、微信等内容。本书介绍了计算机科学与技术的核心内容，使读者理解计算机系统的信息处理本质，掌握数据表达和数据加工表达的层次方法，了解计算机系统的功能组成，认识计算机科学与技术对人类社会的重要推动作用。

　　本书内容由浅入深、结构严谨，力求避免内容重复、结构松散等弊病。由于本书涉及的内容繁多，各高校任课教师可根据学生的情况，在学习本书时适当调整学时，对其中的一些章节也可以根据各高校的实际情况选用。本书配备有电子教案，任课教师可根据学生的实际情况进行修改。本书的电子教案、课程大纲、授课计划、习题答案可以到清华大学出版社网站下载，也可以向作者索取。

　　本书由瞿中任主编，伍建全、熊安萍、夏淑芳任副主编。硕士研究生刘帅、柴国华、鞠芳蓉、陈宇翔、徐梦茹、吴戈、耿明月、王腾锋、张玲、黄旭、危学明、陈思琪、徐芳琳、曹悦欣、刘京、吕磊、王升烨等提供了大量的资料，本科生刘妍、王子君、张真筝、夏少文、刘宝阳、朱嘉杰等人参与了文字校对工作，并对书中的实例及图表进行了校对。

　　书中介绍了部分著名学者的成果，如Alan Mathison Turing、John von Neumann、Andrew Chi-Chih Yao、华罗庚等，还采用了一些学者的照片，以丰富本书的内容，在此向这些学者表示感谢。本书的顺利出版，得到了各级领导的大力支持和帮助，以及计算机界众多学者的关心，在此一并致谢。

　　由于计算机科学与技术的发展迅速以及受作者水平所限，书中难免存在疏漏之处，恳请广大读者特别是同行批评指正。在使用本书过程中遇到任何问题，或者有好的意见和建议，请与编者联系，以便今后更好地修订本书，为广大读者服务。

编 者