計算機科學概論(第13版)

第0章 緒 論 1
0.1 演算法的作用 2
0.2 計算的歷史 3
0.3 學 綱 7
0.4 電腦科學的首要主題 8
0.4.1 演算法 8
0.4.2 抽象 9
0.4.3 創新 10
0.4.4 數據 10
0.4.5 程式設計 10
0.4.6 網際網路 11
0.4.7 影響 11
社會問題 12
課外閱讀 13

第1章 數據存儲 14
1.1 位元和位元存儲 15
1.1.1 布耳運算 15
1.1.2 門和觸發器 16
1.1.3 十六進位記數法 19
1.2 主記憶體 20
1.2.1 記憶體結構 20
1.2.2 記憶體容量的度量 21
1.3 大量記憶體 22
1.3.1 磁系統 22
1.3.2 光系統 24
1.3.3 快閃記憶體驅動器 25
1.4 用位元模式表示資訊 26
1.4.1 文本的表示 26
1.4.2 數值的表示 27
1.4.3 圖像的表示 28
1.4.4 聲音的表示 29
1.5 二進位系統 31
1.5.1 二進位記數法 31
1.5.2 二進位加法 32
1.5.3 二進位中的分數 33
1.6 整數的存儲 34
1.6.1 二進位補數記數法 35
1.6.2 二進位補數記數法中的加法 36
1.6.3 溢出問題 37
1.6.4 餘碼記數法 37
1.7 分數的存儲 39
1.7.1 浮點記數法 39
1.7.2 截斷誤差 40
1.8 數據與程式設計 43
1.8.1 Python入門 43
1.8.2 你好，Python 43
1.8.3 變數 44
1.8.4 運算子和運算式 45
1.8.5 貨幣轉換 46
1.8.6 調試 47
1.9 數據壓縮 48
1.9.1 通用的數據壓縮技術 48
1.9.2 圖像壓縮 50
1.9.3 音訊和視訊壓縮 51
1.10 通信差錯 52
1.10.1 同位檢查位元 52
1.10.2 改錯碼 53
複習題 55
社會問題 58
課外閱讀 59

第2章 數據操控 60
2.1 電腦體系結構 61
2.1.1 CPU基礎知識 61
2.1.2 存儲程式概念 62
2.2 機器語言 63
2.2.1 指令系統 63
2.2.2 數據傳輸類 64
2.2.3 算術/邏輯類 64
2.2.4 控制類 64
2.2.5 Vole：一種演示用的機器語言 65
2.3 程式執行 68
2.3.1 程式執行的一個例子 69
2.3.2 程式與數據 71
2.4 算術/邏輯指令 73
2.4.1 邏輯運算 73
2.4.2 迴圈移位運算及移位運算 74
2.4.3 算數運算 75
2.5 與其他設備通信 76
2.5.1 控制器的作用 76
2.5.2 直接記憶體存取 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 數據操控程式設計 80
2.6.1 邏輯運算和移位元運算 80
2.6.2 控制結構 81
2.6.3 函數 82
2.6.4 輸入和輸出 83
2.6.5 馬拉松訓練助手 85
2.7 其他體系結構 87
2.7.1 流水線 87
2.7.2 多處理器機器 87
複習題 88
社會問題 93
課外閱讀 94

第3章 作業系統 95
3.1 作業系統的歷史 96
3.2 作業系統的體系結構 99
3.2.1 軟件概述 99
3.2.2 作業系統元件 100
3.2.3 系統啟動 102
3.3 協調機器的活動 104
3.3.1 進程的概念 104
3.3.2 進程管理 104
3.4 處理進程間的競爭 106
3.4.1 信號量 106
3.4.2 鎖死 108
3.5 安全性 110
3.5.1 來自外部的攻擊 110
3.5.2 來自內部的攻擊 111
複習題 113
社會問題 115
課外閱讀 116

第4章 組網及網際網路 117
4.1 網路基礎 118
4.1.1 網路分類 118
4.1.2 協議 119
4.1.3 組合網路 121
4.1.4 進程間通信的方法 122
4.1.5 分散式系統 124
4.2 網際網路 124
4.2.1 網際網路體系結構 125
4.2.2 網際網路編址 127
4.2.3 網際網路應用 129
4.3 萬維網 132
4.3.1 萬維網實現 133
4.3.2 HTML 134
4.3.3 XML 136
4.3.4 用戶端活動和伺服器端活動 137
4.4 網際網路協議 138
4.4.1 網際網路軟件的分層方法 138
4.4.2 TCP/IP協議簇 141
4.5 簡單的客戶機伺服器 143
4.6 網路安全 146
4.6.1 攻擊的形式 146
4.6.2 防護和對策 148
4.6.3 密碼學 149
4.6.4 網路安全的法律途徑 151
複習題 153
社會問題 155
課外閱讀 156

第5章 演算法 158
5.1 演算法的概念 159
5.1.1 非正式的回顧 159
5.1.2 演算法的正式定義 159
5.1.3 演算法的抽象本質 160
5.2 演算法的表示 161
5.2.1 原語 161
5.2.2 偽代碼 163
5.3 演算法的發現 167
5.3.1 問題求解的藝術 167
5.3.2 邁出第 一步 169
5.4 反覆運算結構 172
5.4.1 循序搜尋演算法 172
5.4.2 迴圈控制 173
5.4.3 插入排序演算法 177
5.5 遞迴結構 180
5.5.1 二分搜索演算法 181
5.5.2 遞迴控制 185
5.6 效率和正確性 187
5.6.1 演算法效率 187
5.6.2 軟件驗證 190
複習題 194
社會問題 198
課外閱讀 199

第6章 程式設計語言 200
6.1 歷史回顧 201
6.1.1 早期程式設計語言 201
6.1.2 機器無關和 機器無關 203
6.1.3 程式設計範型 204
6.2 傳統的程式設計概念 208
6.2.1 變數和數據類型 209
6.2.2 數據結構 210
6.2.3 常量和字面量 211
6.2.4 設定陳述式 212
6.2.5 控制語句 213
6.2.6 注釋 216
6.3 過程單元 218
6.3.1 函數 218
6.3.2 參數 219
6.3.3 有返回值的函數 222
6.4 語言實現 224
6.4.1 翻譯過程 224
6.4.2 軟件開發包 230
6.5 物件導向程式設計 231
6.5.1 類和對象 231
6.5.2 構造器 233
6.5.3 附加特性 234
6.6 程式設計併發活動 236
6.7 說明性程式設計 238
6.7.1 邏輯推演 238
6.7.2 Prolog 240
複習題 242
社會問題 245
課外閱讀 246

第7章 軟件工程 247
7.1　軟件工程學科 248
7.2　軟件生命週期 250
7.2.1　週期是個整體 250
7.2.2　傳統的開發階段 251
7.3　軟件工程方法學 253
7.4　模組化 254
7.4.1　模組化實現 255
7.4.2　耦合 257
7.4.3　內聚 258
7.4.4　信息隱藏 258
7.4.5　組件 259
7.5　行業工具 260
7.5.1　較老的工具 261
7.5.2　統一模組化語言 261
7.5.3　設計模式 265
7.6　品質保證 266
7.6.1　品質保證的範圍 266
7.6.2　軟件測試 267
7.7　文檔 268
7.8　人機界面 269
7.9　軟件所有權和責任 271
複習題 273
社會問題 275
課外閱讀 256

第8章 數據抽象 277
8.1 基本數據結構 278
8.1.1　數組和聚合 278
8.1.2　清單、棧和佇列 278
8.1.3　樹 280
8.2　相關概念 281
8.2.1　再談抽象 281
8.2.2　靜態結構與動態結構 282
8.2.3　指針 282
8.3　數據結構的實現 283
8.3.1 存儲數組 283
8.3.2 存儲聚合 285
8.3.3　存儲清單 286
8.3.4　存儲棧和佇列 289
8.3.5　存儲二叉樹 291
8.3.6　操控數據結構 293
8.4　一個簡短的案例研究 294
8.5　 的數據類型 298
8.5.1　用戶定義的數據類型 298
8.5.2　抽象數據類型 299
8.6　類和對象 301
8.7　機器語言中的指標 302
複習題 304
社會問題 308
課外閱讀 309

第9章 數據庫系統 310
9.1　數據庫基礎 311
9.1.1　數據庫系統的重要性 311
9.1.2　模式的作用 313
9.1.3　數據庫管理系統 313
9.1.4　數據庫模型 314
9.2　關係模型 315
9.2.1　關係設計中的問題 315
9.2.2　關係運算 318
9.2.3　SQL 321
9.3　物件導向數據庫 323
9.4　維護數據庫的完整性 325
9.4.1　提交/回滾協議 326
9.4.2　鎖定 326
9.5　傳統的檔結構 328
9.5.1　順序檔 328
9.5.2　索引檔 330
9.5.3　散列文件 331
9.6　數據挖掘 334
9.7　數據庫技術的社會影響 335
複習題 337
社會問題 340
課外閱讀 341

第10章 電腦圖形學 342
10.1　電腦圖形學的範圍 343
10.2　3D圖形學概述 344
10.3　建模 346
10.3.1　單個物體的建模 346
10.3.2　整個場景的建模 350
10.4　渲染 351
10.4.1　光－表面相互作用 351
10.4.2　裁剪、掃描轉換和隱藏面消除 353
10.4.3　著色 356
10.4.4　渲染－流水線硬體 357
10.5　處理全域光照 359
10.5.1　光線跟蹤 359
10.5.2　輻射度 360
10.6　動畫 361
10.6.1　動畫基礎 361
10.6.2　運動學和動力學 362
10.6.3　動畫製作過程 363
複習題 364
社會問題 366
課外閱讀 366

第11章 人工智慧 368
11.1 智慧與機器 368
11.1.1 智能體 368
11.1.2 研究方法 369
11.1.3 圖靈測試 370
11.2 感知 371
11.2.1 理解圖像 371
11.2.2 語言處理 373
11.3 推理 376
11.3.1 產生式系統 376
11.3.2 搜尋樹 378
11.3.3 啟發式 379
11.4 其他研究領域 384
11.4.1 知識的表達和處理 384
11.4.2 學習 386
11.4.3 遺傳演算法 387
11.5 人工神經網路 388
11.5.1 基本特性 388
11.5.2 訓練人工神經網路 390
11.6 機器人學 392
11.7 後果的思考 395
複習題 396
社會問題 399
課外閱讀 401

第12章 計算理論 402
12.1 函數及其計算 403
12.2 圖靈機 404
12.2.1 圖靈機的原理 405
12.2.2 丘奇-圖靈論題 407
12.3 通用程式設計語言 407
12.3.1 Bare Bones語言 408
12.3.2 用Bare Bones語言程式設計 409
12.3.3 Bare Bones的通用性 410
12.4 一個不可計算的函數 411
12.4.1 停機問題 411
12.4.2 停機問題的不可解性 413
12.5 問題的複雜性 415
12.5.1 問題複雜性的度量 416
12.5.2 多項式問題與非多項式問題 419
12.5.3 NP問題 420
12.6 公開金鑰密碼學 423
12.6.1 模標記法 424
12.6.2 RSA公開金鑰密碼學 424
複習題 426
社會問題 429
課外閱讀 429

附錄A ASCII碼 431
附錄B 用於處理二進位補數表示的電路 432
附錄C Vole：一種簡單的機器語言 434
附錄D 程式設計語言 436
附錄E 反覆運算結構與遞迴結構的等價性 438
索引 440