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詳細書籍分類

計算機科學導論——以Python為舟

( 簡體 字)
作者：沙行勉類別：1. -> 程式設計 -> Python
譯者：
出版社：清華大學出版社計算機科學導論——以Python為舟 3dWoo書號： 39745
詢問書籍請說出此書號！

【缺書】
NT售價： 195 元

出版日：9/25/2014
頁數：318
光碟數：0
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印刷：黑白印刷語系： ( 簡體 版 )
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ISBN：9787302377733
作者序　|　譯者序　|　前言　|　內容簡介　|　目錄　|　序
(簡體書上所述之下載連結耗時費功, 恕不適用在台灣, 若讀者需要請自行嘗試, 恕不保證)
作者序：

譯者序：

前言：

作 者 簡 介


沙行勉 (Edwin Sha)，博士生導師，2000年起任美國終身職正教授 (Full Professor)，中國國家千人計劃(A類)特聘專家，長江學者講座教授，海外杰出青年學者。于1986年獲得國立臺灣大學計算機科學系學士學位，在海軍陸戰隊服役兩年后赴美國普林斯頓大學(Princeton University)就讀。于1991年和1992年分別獲美國普林斯頓大學計算機科學系碩士學位和博士學位。1992年起任教于美國圣母大學(University of Notre Dame)計算機科學與工程系，并于1995年起擔任該系副系主任和研究生部主任。2000年起作為終身職正教授任教于美國得克薩斯大學達拉斯分校(UTD)計算機科學系。2001年曾擔任計算機科學部主任。任上海交通大學、山東大學、北京航空航天大學、湖南大學、華東師范大學等客座、兼任教授或博導。2008年被評為海外杰出青年學者，2010年起任教育部長江學者講座教授。2011年起任中國千人計劃特聘專家，現全職任重慶大學國家特聘教授和計算機學院院長。
已在相關國際學術會議及國際核心期刊上發表英文學術論文300余篇， 其中包括40余篇IEEE 和 ACM Transactions 期刊論文。共獲各類國家級教學、科研獎項35項以上，其中包括美國Oak Ridge 大學聯盟頒發的杰出青年教授獎，美國國家科學基金頒發的杰出學術發展獎，美國圣母大學頒發的杰出教學獎，以及世界頂級期刊ACM Transactions (ACM TODAES)頒發的2011年最佳論文獎(一年只選一篇最佳期刊論文)等。以大會主席身份主持多次國際重要學術會議。沙教授在教學方面深受中美學生們喜愛，例如，在美國從教期間，他在每學期由學生給老師打分的教學評鑒中都得到高分。沙行勉教授喜愛中國傳統文化及儒釋道哲學，以人才培養、教學育人為其終身的興趣及志向。








I N T R O D U C T I O N

出版說明




隨著國家信息化步伐的加快和高等教育規模的擴大，社會對計算機專業人才的需求不僅體現在數量的增加上，而且體現在質量要求的提高上，培養具有研究和實踐能力的高層次的計算機專業人才已成為許多重點大學計算機專業教育的主要目標。目前，我國共有16個國家重點學科、20個博士點一級學科、28個博士點二級學科集中在教育部部屬重點大學，這些高校在計算機教學和科研方面具有一定優勢，并且大多以國際著名大學計算機教育為參照系，具有系統完善的教學課程體系、教學實驗體系、教學質量保證體系和人才培養評估體系等綜合體系，形成了培養一流人才的教學和科研環境。
重點大學計算機學科的教學與科研氛圍是培養一流計算機人才的基礎，其中專業教材的使用和建設則是這種氛圍的重要組成部分，一批具有學科方向特色優勢的計算機專業教材作為各重點大學的重點建設項目成果得到肯定。為了展示和發揚各重點大學在計算機專業教育上的優勢，特別是專業教材建設上的優勢，同時配合各重點大學的計算機學科建設和專業課程教學需要，在教育部相關教學指導委員會專家的建議和各重點大學的大力支持下，清華大學出版社規劃并出版本系列教材。本系列教材的建設旨在“匯聚學科精英、引領學科建設、培育專業英才”，同時以教材示范各重點大學的優秀教學理念、教學方法、教學手段和教學內容等。
本系列教材在規劃過程中體現了如下一些基本組織原則和特點。
1. 面向學科發展的前沿，適應當前社會對計算機專業高級人才的培養需求。教材內容以基本理論為基礎，反映基本理論和原理的綜合應用，重視實踐和應用環節。
2. 反映教學需要，促進教學發展。教材要能適應多樣化的教學需要，正確把握教學內容和課程體系的改革方向。在選擇教材內容和編寫體系時注意體現素質教育、創新能力與實踐能力的培養，為學生知識、能力、素質協調發展創造條件。
3. 實施精品戰略，突出重點，保證質量。規劃教材建設的重點依然是專業基礎課和專業主干課； 特別注意選擇并安排了一部分原來基礎比較好的優秀教材或講義修訂再版，逐步形成精品教材； 提倡并鼓勵編寫體現重點大學計算機專業教學內容和課程體系改革成果的教材。
4. 主張一綱多本，合理配套。專業基礎課和專業主干課教材要配套，同一門課程可以有多本具有不同內容特點的教材。處理好教材統一性與多樣化的關系； 基本教材與輔助教材以及教學參考書的關系； 文字教材與軟件教材的關系，實現教材系列資源配套。
5. 依靠專家，擇優落實。在制訂教材規劃時要依靠各課程專家在調查研究本課程教材建設現狀的基礎上提出規劃選題。在落實主編人選時，要引入競爭機制，通過申報、評審確定主編。書稿完成后要認真實行審稿程序，確保出書質量。
繁榮教材出版事業，提高教材質量的關鍵是教師。建立一支高水平的以老帶新的教材編寫隊伍才能保證教材的編寫質量，希望有志于教材建設的教師能夠加入到我們的編寫隊伍中來。
教材編委會





P R E F A C E
序



為學習計算機科學的學子們提供一本內容豐富又形式活潑的書去閱讀； 用我多年的深思與積累為學子們揭示計算機科學的美與真意，引導大家漸入佳境——這是我多年的心愿。在計算機領域近三十年的磨煉和進步以及在美國大學里任教多年的體會，值此以國家特聘專家身份全職回國貢獻的機遇，方讓我能在今年寫成此書。相信各位讀者在讀了這本書以后，將開始對計算機科學建立正確而全面的認識，隨之深入，必將功力大增！
我寫這本書的目的就是希望這本書成為“計算機科學導論”的經典之作。它適合所有信息專業的學生們把它用作第一堂課的教材，了解計算機科學的核心知識之所在； 也適合非信息專業的讀者借助它較為完整地理解計算機科學的相關基本知識； 它適合各個年齡層次的讀者，把它當做一本有趣又有實料的書去閱讀。我相信這本書就是有這樣的趣味，并且值得玩味。
以何因緣寫這本書？
(1) 全世界學者普遍認為最好的大學教授應該教最基本的大學課程。這就是為什么諾貝爾獎獲得者會去教基礎物理或基礎化學這類課程。計算機專業亦然。計算機導論非常重要，要給學習者建立正確的概念和充足的興趣，要讓學習者在第一步就有機會對這個學科的“美”有所體會，繼而為往后的計算機學習打下扎實基礎。“計算機導論”是最基礎的計算機學科的課程，不好教。我的目的是要通過這本書規劃出： 教些什么？次序為何？而且我認為，最好的方法是從對計算機科學之美的領悟來引導學習者的興趣。這本書對計算機教學的影響很大，雖然不好寫，但值得傾注心血把它寫好。
(2) 用于講授計算機導論的書的作者要對計算機科學有廣泛的知識——了解各種程序語言、邏輯電路、體系結構、編譯器、操作系統、算法設計、復雜度分析、計算機網絡、信息安全、先進多核和分布計算系統等，進而到達“讀通”的境地。并且，最好具有多年的教學經驗，知道如何以生動活潑的方式來引導學生。我從1982年開始進入計算機科學專業讀書，1988年又進入美國普林斯頓大學計算機科學博士班學習，1992年博士畢業后就一直在美國高校擔任教學和研究工作，這么多年來的教學評鑒總是全學院的最高分之一。近年來全職回國任教，深感因緣能力積累已經具備，決定用中文寫此書以貢獻給中國的莘莘學子。
(3) Python語言的發展。計算機導論課程應該要讓學生對編程有所認識和練習。傳統的計算機語言，如C、C++、Java等，都不適合在計算機導論課程中使用。Python則不同，它是個可以快速上手的語言，雖然它功能強大(Java、C++有的功能Python都有)，但是只要學習Python的一些基本功能就可以使用，這使它成為學習計算機導論的利器。使用Python語言的好處是可以不計較程序語言在形式上的諸多細節和規則，可以專心地學習程序本身的邏輯和算法，以及探究程序執行的過程。所以，這本書的例子都是用Python語言來編寫的。我們會深入淺出地解釋一些相關的Python的知識，讓學生們不需要有任何編程的經驗就可以練習和學習編程。其附加價值是可以經由這本書來學習Python的使用。因為Python的好學易用，我的博士生們基本都在用Python編程，而很少用C++或Java了。Python語言的發展是我寫這本書的增上緣吧。
序
(4) 因緣總是不可思議，不知何時播下的種子，有一天當時機來臨時就會發芽結果。究其種子的根源實已難覓，或許這個種子是在年輕時就已經種下了吧。我和許多學子一樣，年輕時輒有大志，以中國讀書人自居，為中華文化的衰落而憂愁，以傳承圣賢之道而自勉。后攻讀計算機專業，暗自慶幸做了正確的選擇。計算機學問與各類學問之間的融通與相互的印證，廣博多彩的應用，再加上幾十年來對我人生的體驗和對哲學的些許領悟，使我感覺到計算機科學是美的(其實其他學科亦然，只要是鉆研到甚微和通達之處的，也必是如此感想吧)。總之，覺得是時候來分享一些粗淺的心得給大家了，也希望帶動各位讀者多多思考，進而分享你們各自的領悟給眾人。
這本書的特色為何？
我用“體、相、用”三方面來說明這本書的特色： “體”代表的是原理和本質;“相”代表的是其繽紛的色彩;“用”則代表了其應用。
(1) 體大。包含計算機科學的基本道理，深入淺出，直指核心。從0與1的開關、程序的執行過程、解決計算問題的思路，到各種先進計算系統的介紹，更輔以對計算機科學的多個層次與角度的“美”的探索與討論，發自基礎理論，以致廣博通達，此為“體大”。
(2) 相大。具備軟件編程、面向對象編程、計算機組成原理、計算機系統、數據結構、計算機算法、計算機網絡、信息安全等的基本知識。一本書可以作為眾多課程的導論，此為“相大”。
(3) 用大。
? 循序漸進，不知不覺中學習了方便好用的Python語言。
? 計算算法的基礎訓練，從此對計算問題的解決思路能有所依循，知道如何利用計算機解決問題。
? 對程序設計、網絡、網頁、信息安全等諸多重要知識，能有基本的掌握。
? 學習如何體會一門學問的美，結合人生哲學，深自反思，以致興趣盎然，其樂無窮。綜合這四點，此為“用大”。
書名有何含義？
書名是“計算機科學導論——以Python為舟”，是取其大意簡略而為之。假如列出全部的意思可能就會太長了： “計算機科學導論及談它的美和相關的領悟——本書以Python為工具”。
“計算機”在此泛稱一切利用程序而執行計算的系統。這個程序可以是隨意改動的軟件，也可以是已經固化而不能隨意改動的固件或硬件。這類計算系統包含了汽車、家電、機器、航空航天等各種領域的智能控制系統，包含了人人都有的手機系統，也包含了各式各樣的計算機、多核系統、分布式系統等。
而“計算機科學”是設計和應用計算機的理論、技術和工程的總括。隨著時代的進步，計算機科學的范疇也越來越寬廣，包含了軟硬件工程、計算機網絡、物聯網、信息安全、大數據等相關領域。
在此我要特別提醒學習計算機專業的同學們，“計算機”和“計算機科學”這兩個詞匯在中文里面常常混用而不分，但是用在外文時就要注意了，不要引起笑話。計算機是個儀器，而計算機科學是門學問。譬如有人問你： 你的專業是什么，你用中文回答： 我的專業是計算機(或軟件)。這在中文是通的，但是英文翻譯過去就不通了。你不能說“My major is Computer.”(或“My major is Software.”)這是不通的話，因為Computer是個儀器，而不是個專業，Computer Science或Computer Engineering才是專業。所以你應該回答： “My major is Computer Science.”或者“I study Computer Science.”又如，“軟件學院”的翻譯不是School of Software，而是School of Software Engineering。假若對詞匯的使用不注意，汽車學院變成了School of Automobile，漁業學院就變成了School of Fish(一群魚)了，那就成笑話了。因此，學科與非學科的詞匯不要混淆。
“導論”是指用較為簡潔的語言來論述這一學科的基本和整體的思想，從而使讀者對該學科有較為正確和系統的把握。英文是Introduction。在這個詞匯上，中文的“導論”遠勝于英文中Introduction的內涵。“導論”這個詞匯有引導的含義，而英文的Introduction則欠缺這個含義。這本書的目的是，除了給讀者做一個概括性的、深入淺出的介紹外，也要激發讀者的興趣，引導讀者做更深入的學習。
“以Python為舟”是“以Python為工具”的意思。Python這個語言是個很好上手的語言，例如要計算一些數組(存在X數組中)的總和與它們的平均值，可以在幾分鐘內寫出如下的Python的程序：


X=〔10,4,6,9,12,92,138,26,98,21,8,98〕

sum=0

for i in X:

sum = sum + i

print ("總和是:",sum,"平均值是:",sum/len(X))

#注： len(X)代表X數組的元素個數


這個程序簡單易懂。用循環重復(用for語句)執行加法的方式把X數組里的元素一一累加到sum里。最后用print來輸出結果。至于這個for循環需要循環執行幾次，寫程序的人不需要在程序里特別寫明，而是交由Python語言的解釋器去理解。這使得程序員的負擔減輕了很多。
試想在其他常用計算機語言里，這段程序就沒有這么簡潔了。例如，在C語言里，這段for循環程序會是這樣的：


for (int i=0; ilen(X); i++)

sum = sum + X〔i〕;


C++、Java的寫法也和C語言類似，要定義索引變量i，并用i的數學式i本書用Python做工具來介紹計算機科學，介紹如何用計算機來解問題，計算思維是什么，介紹程序是如何在計算機里執行的……我們提供了很多的例子，幾乎所有的例子都是用Python語言來完成的。學生能從這本書中學到如何寫基本的Python程序。
然而我要在此強調的是： Python是學習計算機導論的工具，不是目的！Python語言的功能非常強大，它是功能齊全的面向對象語言(Object Oriented Programming Language),它甚至也包含了一些函數語言(Functional Programming Language)的功能，有許多復雜有趣的功能。在編寫本書時，作者忍住誘惑，不去講述一些復雜的Python語言的功能和細節。例如，下面這兩種定義5x3的全0二維數組(或列表)的方式是有差別的，差別在哪里？這些細節對計算機導論這門課的學習是沒有必要的。


a=〔〔0 for j in range(3)〕 for i in range(5)〕

b= 〔〔0〕 * 3〕 * 5


再舉個例子： 學生不需要懂這種例子的。


from functools import reduce

items=〔(1,1),(2,3),(9,4)〕

total = reduce(lambda a, b: (1+b〔0〕, a〔1〕 + b〔1〕), items,(1,1))


這類Python的句法太復雜了，對于學習計算機導論的人而言也沒什么用。其實，再復雜的語句結構都可以用簡單語句復合而成，沒有必要的，我認為這只是無謂的顯擺罷了。這門課不需要學習這些復雜又不必要的語句。
本書會介紹面向對象編程的基本特性，因為面向對象的概念已經成為計算機編程的常識。但是，我們不會多講Python的一些面向對象語言的復雜功能，這反而會模糊焦點。“以Python為舟”是套用佛學的用語。利用舟船來渡過大海，目標是渡過大海，而不是研究舟船的顆顆螺釘和片片甲板，不要讓舟船變成達到學習目標的障礙。在計算機導論的學習中，若以舟船渡海為例，只要能掌握舟船航行的技巧就可以了。另一方面，對初學者而言，掌握Python的基本技巧也是個重要的學問。所謂一通百通，學習好Python，對大家學習其他計算機語言有極大的助益。
我和許多用過Python的人一樣，一開始用就馬上喜歡上了Python。學習Python有其特殊的好處。第一，它容易上手，可以馬上用來自己編程解問題。有在工業界多年使用Java和C++語言編程的資深程序設計師和我說，用了Python后，突然有了一種“解脫感”。我想他的話還是有些道理的吧。第二，用Python寫程序可以讓人更多地關注在創新性地解決問題的思想本質上。我鼓勵同學們提出新的想法，以較少的代價(比起其他語言)來實現想法。第三，可以建立良好的基礎來學習其他的語言。大家肯定要學習很多種的計算機語言，例如C、C++、Java、C#、VHDL等。學了Python以后，再學習其他語言就會簡單得多了。
“領悟”就是感想。原來想用的標題是“談計算機科學的美”，因為太長而不用。然而“領悟”的本意就是要說說計算機科學的美。這門學問的美有各個方面，有它應用的廣泛，有它對科學與工程的結合，有它解決問題方法的理論之美，種種方面，難以列舉。我就舉一例在此描述。計算機科學是一門獨特的學問，它不僅要設計出給定問題的解決方法(稱為“算法”)，也要研究這個問題本身的難度(復雜度)有多大。這在其他學科是很少見的，也就是它研究“問題”的本身，而不只是設計出解決問題的方案就罷了。計算機科學的“科學”之名，大體來自于對問題本身的分析吧。
我用下面幾個不同的問題為例。看看這些問題的難度(復雜度)的差異。例如有n個數，存在于x〔1〕,x〔2〕,…x〔n〕中，n是個較大數，如100000。
問題一： 求和，Sum = x〔1〕+x〔2〕+…+x〔n〕;
問題二： 排序，對x〔i〕的值由小到大排序；
問題三： 劃分，是否存在x〔i〕加起來會剛好等于總和的一半。舉個小例子，例如x=〔100900230021,58710120012,7,42190100005,10011〕，輸出的答案是YES，因為100900230021+7是數組x中所有數總和的一半。
在現今的計算機科學知識中，我們了解到問題一和問題二都是可以快速解決的，問題二比問題一稍微復雜一點，但是都屬于所謂“多項式時間”內可以快速解決的問題，這類問題通常是以“秒”為單位可以用計算機馬上解答的問題。但是問題三就不一樣了，計算機科學從理論上證明這是個非常復雜的計算問題。所以到現在為止我們人類尚未找到一個快速的“多項式時間”的解決方法。當x和n的值較大時，用現在的技術找出解答所需要的時間可能要以“世紀”長的時間單位來計算了。一個是秒，一個是世紀，其差別是巨大的。而像問題三這類的復雜計算問題實際上還有很多。問題三的最直接解法是試驗所有的子集合(其實只需試驗其一半個數的子集合)，看子集合內的數加起來是否剛好等于總和的一半。大家知道，n個元素所組成集合的子集合數量高達2n(2的n次方)這么多。當n是100000時，這個數是比天文數字還大的數字！然而，當x〔i〕的最大值不太大時，用“動態規劃”的技術來解這個問題是較快且實際可行的解決方案。“動態規劃”技術會在本書的第5章討論。但是對于x〔i〕的最大值很大時，動態規劃的解也要花很長的時間了。
有趣的是，這些復雜問題的存在對于人類來說并不一定是壞事。我們的信息安全的加密技術常把這類復雜計算問題用作防御信息泄密的利器。請看以下的問題。
問題四： 因數分解，給定Z，這個Z是兩個200位長的不同質數X和Y相乘而來的，找出X和Y的值。舉個很小的例子，例如輸入是12233883694360273618474283231，輸出是241364017659577和50686443708503。
這個問題是我們天天在網上交易時所用加密算法RSA的武器，因為我們至今沒有找到能快速解這個問題的算法(已知的算法都要花幾百年的時間才能算出X和Y來)。正因如此，黑客就沒有辦法快速分解Z，而找出我們的密碼X和Y的秘密。也可以說，現在我們全球的網上金融交易、購物之類，人類社會的重要經濟命脈竟然就是建筑在這個看似非常簡單的問題四(因數分解)的復雜度上。怎不令人驚嘆啊！假如某位讀者有一天能找出快速求解的算法來，其影響力會是驚天動地的。假如這個人秘而不宣其快速求解的方法，因為對全球金融影響太大了，我想此人的安全也會受到威脅吧。
從對問題四的因數分解問題的理解中延伸出來，我們的人生不也是有許多的相似之處嗎？第一，一旦相乘難分解。這兩個質數是“因”，乘積后是“果”。種因得果，看似簡單，但是一旦得果，想要返回就困難了。所以一般人總是患得患失，生怕結果不盡人意。這就是苦惱的來源之一。然而大智慧的人是注重“因”，而不注重“果”，所謂“菩薩畏因，眾生畏果”。因為果從因來，只要盡力去做“因”就是了，至于結果是什么就不必在乎了。如我們考試，重點在準備，只要盡力去準備，就無愧于心了，而不是抱著僥幸心理來得到結果。歸根結底的問題是我們問自己是不是有盡力準備了呢？
第二，復雜的問題不是壞事。同樣，煩惱也不是壞事，而是可以把煩惱轉化成為智慧。煩惱是智慧的種子，此話一點不假。從火中生出的蓮花，才是最美的蓮花。不要懼怕煩惱，而是要轉化煩惱，讓煩惱成為獲得智慧的正面動力。聰明的你，請多想想。
各章及其功用為何？
第1章： 計算機學什么？描述計算機的廣大的應用，以激興趣。討論“計算機”是什么，以正其名。談過去、現在、未來，以知往來。接著簡述計算機系統、硬件、軟件，以知其廓，輔以用Python實現的求解平方根的幾種不同的程序，以表算法之美。本書最大的特點就是沒有什么虛話，第1章就直接利用實際的例子，指出計算機科學的核心。寫出平方根解的程序并不簡單，本章利用Python寫出三個程序，第一個程序簡單但是性能不高，第二個程序利用二分法技術，效率提高不少又學習了基本算法技術，第三種方法最迅速，利用函數微分求切線的基本數學，可以幾步就算出精確的平方根。一步步的優化，盡顯計算機科學的美。本章也將簡述現在前沿的應用之一，那就是大數據的應用,用許多例子來講述數據分析對我們社會的益處。我們也會談論用大量數據的方式來計算圓周率的做法，和對數據分析與邏輯推理的正確態度。最后討論計算機科學的美，我們從應用和知識面的廣闊這兩方面來討論。
第2章： 神奇的0與1。本章介紹二進制和其他進制的轉換及其原理。組成計算機的計算能力的基本元素是二進制0與1的開關。這些開關可以由0或1的控制信號來決定開或關的輸出狀態，開與關的輸出狀態又分別成為0或1。所以，輸入的控制信號與開關的輸出狀態都可以用0或1表示。例如，輸入控制信號是1的時候，開關狀態是0； 輸入信號是0時，開關狀態是1。開關的輸出又可以變成其他開關的輸入控制信號，而這些許許多多簡單的二進制開關就能構建出任何的邏輯運算。本章會向讀者顯示邏輯的威力。邏輯可以實現加法運算，加法竟然是邏輯做出來的，這讓一般同學較難理解，大家可以想想自己小時候是怎樣學會加法的，可能大部分人是用數數法吧。但是計算機的加法器是用許多開關構建而成的，加法這個最基本的運算對于計算機而言是一系列邏輯運算的集合，這確實有趣！而在有了加法和負數的二進制表達方式后，就可以做減法了。然后，乘法也可以實現了。其實整個計算處理和控制單元都是用這些開關組成，用邏輯運算實現的，令人嘆為觀止。用二進制單元還可以構建出存儲單元和圖像單元，把存儲、計算處理，以及輸入/輸出單元綜合起來可以構建出無比復雜的計算系統。本章最后談0與1的美。這一章是將來學數字電路、計算機組成原理、體系結構等課程的基礎。
笑話一則： 沙老師問小明，有一個東西，它開了(Open)就暗了，它關了(Close)就亮了。請問是什么東西？
答案是： 電燈。因為電路Open是斷開，是斷路。電路Close是閉合，是通路。開燈的正確講法要說turn on the light或switch on the light，而不是open the light。自然語言是很有趣的，有時候是模棱兩可的，有點惱人。
第3章： 程序是如何執行的？任何的計算機都包含了中央處理單元(CPU)和主存(Main Memory)。中央處理單元是負責計算或讀取數據的，而主存是負責儲存程序和數據的。這一章講述CPU是如何從主存中讀取一行行的程序指令(機器語言)，所讀的程序指令會指使CPU做計算或者去讀寫主存上的數據。本章將會清楚地描述計算機程序的執行過程，CPU和主存的關系和互動，使讀者對計算機程序的工作方式有正確的知識。另外，函數調用是程序執行中最重要的知識之一，本章描述Python是如何調用函數的，接著描述執行函數調用時對于變量和返回地址的管理。本章也會描述幾種最常用的程序語言，例如C、C++和Java。本章最后談計算機程序的美。這一章是將來學習計算機編程語言、計算機組成原理、編譯原理和操作系統的基礎。
第4章： 學習Python語言。本章列出Python語言的最重要的知識。同學們只要知道這些基本的Python知識就可以編寫程序了。當學習一個新的程序語言時，最先要了解的是一些常用的內置數據結構。例如，Python的列表(List)和字典(Dictionary)是很強大的。要用Python寫程序的同學一定要熟悉列表和字典的使用。Python字典是符合數據庫數據表格的概念。接著講述Python的自定義數據結構——類(Class)和面向對象編程的基本概念，我們會用數據庫應用的一個例子來闡釋面向對象編程和數據庫的基本概念。在此例中，學生們組成一類數據，課程們也組成一類數據，學生和課程間彼此建立了關系： 每一個學生具備所修習的課程名稱，每一個課程具備了所修習學生們的學號信息。這個例子講述如何基于面向對象來建立數據類組，如何建立關系，如何利用關系來完成學生選課、考試和計算平均分數等功能。最后，我們講述如何用Python自帶的有趣的小烏龜(Turtle)來畫圖，可以畫出很多復雜的圖形來。我們會畫出一個迷宮來，讀者在下一章“老鼠走迷宮”時可以用到。
這一章是很獨特的，坊間還沒有任何一本Python書能達到我們精簡求實的目標，在短短的一章中全面講述Python語言的各種性能，最有用的是我們的“經驗談”，讀者請多體會和學習。學習任何語言(包括計算機語言)的訣竅是“多看多寫多玩”，要多“玩弄”Python就是了。我相信Python比任何游戲都好玩。這一章是學習任何其他程序語言的基礎。關于數據庫方面，本章也利用Python語言獨特的字典數據結構來介紹數據庫的基本知識，另外，本章以面向對象的編程方式來實現課程和學生的數據庫基本功能。
Python也有煩人的地方，Python語言第三版(v.3.0)以上和第二版的有些用法不兼容。例如，在第三版及以后的版本中，print后面一定要有括號，而raw_input()不能用了。請注意，本書使用的是Python第三版以上的版本。所以大家在看Python教程時，要選擇第三版以上的教程。另外，Python語言和所有語言一樣，總有些不統一的規則，大家需要小心，這些確實是比較煩人的。而我們這本書是注重計算的基礎知識，所以不會太著重于這些特例的學習。
例如，下例顯示出一個語言的實現細節會導致程序輸出結果與數學結果不一致。

x1=123456789

x2=2097657821235948841

y=19

z1=x1*y

z2=x2*y

int(z1/y) #int(x)代表是取x為整數的值

123456789#正確,等于x1

int(z2/y)


2097657821235948800 #竟然不等于x2,請問要如何寫使得z2/y == x2? (答案見第4章)
再強調一次，本書是用的Python第三版以上的版本。
第5章： 計算思維的核心——算法。這一章非常重要，也是本書的亮點之一。計算機科學的美盡在此顯現。一個大問題的解決方案是由分立的小問題的解構建而成的。具體而言，就是對遞歸概念的扎實學習。希望各位同學從現在開始都盡量用遞歸的方式思維。而這種思維方式是大部分同學在接觸計算機算法之前很少學習的方式。例如在一個平面上，一條線可以分出兩個子平面來，二條線可以分出4個子平面來，那么n條線最多可以分出多少個子平面來？假如F(n)是n條線最多分出的子平面個數，只要我們找出F(n)和F(n-1)的關系，這個問題就馬上能解出來了，大家試試看。解答會在第5章。
在遞歸的概念下，我們學習分治法和動態規劃。這兩個方法是解問題最常用的方法。而我們在日常生活中所最常用的貪心算法是有其局限性的： 貪心算法很少能得出最優解來，不可不知啊。例如，從A地開車到B地，要經過多條道路，要如何選擇最快速的路徑？貪心算法是在A處選擇最通暢的那條路。然而，這條道路之后可能就是堵塞的道路。貪心算法只顧眼前，而不看全局，通常沒有能力找到最優的全局解。本章用“老鼠走迷宮”為例，看我們如何用計算思維來輕松地解決問題。學習了計算思維后，對我們的人生做人處事也會有所影響吧。這一章是同學將來學習數據結構、算法分析與設計的基礎。
第6章： 操作系統簡介。操作系統是計算機教育中最重要的知識之一(另外還有算法和體系結構)，學生一定要牢固地掌握操作系統的知識。不管是手機(安卓、IOS)還是電腦(Linux、各類Windows)都是以操作系統為硬件接口和軟件平臺。本章首先會解釋開機時系統內部經過了哪些步驟，接著講述操作系統最重要的概念——那就是操作系統是世界上最懶惰的東西。它的正常狀態是睡覺，它只有被“中斷”吵醒后才會做事，做完事后再睡覺。對“中斷”的深刻理解是至關重要的。
一個計算機系統內會有多個程序(可能幾十個程序)在同時執行，然而在硬件上，只有相對較少的CPU核可以使用，這就需要操作系統來管理程序和所有硬件資源。操作系統的作用有：
? 管理各種外圍硬件設備，例如U盤、網卡、鍵盤等，并管理文件系統；
? 管理程序共享的資源，例如CPU、主存等(一個計算系統會有許多程序同時在執行或等待執行)；
? 管理和調度多個程序的執行；
? 提供程序和硬件的銜接，即提供各種系統的服務和接口。同學們一定要理解操作系統的內部機制，這樣將來才有能力實現出一個“計算機系統”。本章也會講述“文件系統”，以及Python是如何讀寫文件的。這一章是將來學習嵌入式系統、網絡、信息安全的基礎。
第7章： 計算機網絡與物聯網。計算機網絡是個非常復雜的系統，當我們在QQ上發送一個笑臉給對方，這個笑臉的傳遞是經過層層的轉換和編碼，經過環環的連接和控制，其復雜的程度可以說是人類科技文明的高度展現。這一章簡潔地介紹各個網絡的層面，學完這一章將會對計算機網絡有一個正確而全面的認識。另外，這一章介紹網頁的原理，網頁訪問的流程，靜態和動態網頁的差別，舉出網頁制作的實例。這一章將是學習計算機網絡課程和網頁制作課程的基礎。
互聯網的觸角將不斷延伸，逐漸滲透到我們的日常生活中，從而催生出一種新型的網絡——物聯網(Internet of Things)。物聯網被認為是以物品為載體，通過射頻識別技術等傳感設備與互聯網建立連接，從而實現物與物之間的互連。在物聯網的時代，每一個物體都可以尋址，每一個物體都能實現通信，每一個物體都能控制。這樣的物聯網時代將讓我們充滿期待。這一章所介紹的物聯網將是物聯網相關專業課程的基礎。
近年來計算機網絡的發展給人類文明與商業模式帶來巨大的改變。通常我們身處在這個改變中而不自知。我們理所當然地習慣了這些改變，信息在網上得知，購物在網上交易，娛樂在網上享受，朋友在網上結交……是方便了，但是當我們把情感的交流訴諸于網絡，人與人之間的形式交流好像是快了，但是深層的感覺又好像遠了。交流中多了即時反應的只字片語，而少了靜下心來的沉淀積累。我想好多人沒有在深夜花幾個小時寫封沉甸甸的信給遠方的親人了吧？
第8章： 信息安全。信息安全這門課是我最喜歡教授的課程之一。它的內容有趣，一方在進攻，另一方在防守。要全面地了解各種黑客進攻的手段，才能較完整地學習各類防御的技術。首先談計算機的常見威脅，包含了客戶端的威脅、服務器端的威脅和網絡上的威脅。接著討論各類安全技術。對信息安全而言最重要的是密碼學，因為密碼學是很多防御方法的基本技術。例如A要送一個信息M(例如信用卡密碼)給B。我們怎么知道信息M在中途有沒有被人改動過？這就需要密碼學的技術。B收到M后怎么知道這個M是從A來的？這就需要密碼學的技術。我們怎么能保證M的原文在途中沒有人能偷看？這也需要密碼學的技術。
入侵檢測、防火墻、網絡安全、殺毒軟件、系統安全都會在這一章討論。新型的手機系統安全也會涉獵。最后談談對信息安全的領悟。這一章和前面各章的集合都是信息安全專業的基礎。
這本書要如何作為教材？
這本書是以計算機導論課程的教材為目標而寫的。適用于32~48學時的課程，寧慢勿快。不要只是單方面傳授，不要填鴨，要制造活潑的課堂氣氛，引導學生學習，多在課堂上討論，多問學生問題。相信老師們在教這門課時會對計算機科學產生更多的心得和體會吧。
本人自1992年在美國高校任教以來，以教學為樂。常年來在美國高校課堂上被學生們評價為教學最好的老師之一。我在課堂上與學生的互動很多，會準備很多有趣又重要的問題來問學生，效果很好。也給學生較多的作業和有趣的需要動手的課程設計項目，不怕他們開夜車，花時間完成作業。老師在關懷學生的同時需要嚴格要求。學生們是聰明的，他們知道這個老師是花時間和精力來教導他們，他們會感激這樣的老師的。中國的莘莘學子們常年來受應試教育的摧殘，尤其是一些大一的學生們，可能還是以應試為目的，老師不劃重點就不知道重點，沒有大考小考就沒有學習的動力，所以我的建議如下：
(1) 要讓學生們知道這門課是他們學習計算機的最重要的一門課！只有多花功夫才行。
(2) 多些隨堂小考試。這些隨堂考試可以達到點名的目的，也可以督促他們的課后閱讀與學習。
(3) 所有書里的程序都要求學生們去試驗，要求學生們去改進，要求學生們去“玩”編程。
(4) 上課要有趣味。不要“教死書”。要旁征博引，多互動。上起課來收放自如，先提核心，引起疑情，不講答案； 如偵探小說一般，埋設疑點，再鋪陳開來，以激發尋求解答的好奇心； 條理分明，例子多些； 活潑氣氛，互動多些。到了講臺上就要瀟灑點，這瀟灑是來自于自己的學識、素養和充分的準備。
(5) 及早和定期給學生布置作業。學期剛開始要多布置點作業，讓學生養成好習慣，知道這門課的壓力大，他們才會預留多點時間給這門課。作業分兩種，一種是較理論型的作業； 另一種是要動手做的作業。可以分別布置。建議要早點給學生布置作業，第一個星期就布置作業也不嫌早。學期一開始就要給學生正確的學習方法和要求。所謂一鼓作氣，再而衰，三而竭。
計算機科學導論課程是計算機課程體系的第一門課，至為重要。最好有實驗課配合教學。作者所在大學的計算機導論實驗課有32學時，包含了16學時的Python編程和16學時的機器人編程(也是用Python語言)。學院購置了足夠的機器人讓學生們編程，以激發他們的興趣，收效不錯。
這本書的前6章最為基礎，需要花較多的時間。假如沒有時間，后兩章可以簡略教授。可能的課程計劃如下： 第1章： 2~
4學時，第2章： 6~8學時，第3章： 4~6學時，第4章： 6~8學時(若有實驗課，可在實驗課教學，總之有機會就讓學生多動手)，第5章： 8~10學時，第6章： 4~6學時，第7章： 6~8學時，第8章： 6~8學時。讓學生清楚掌握前六章的內容，這門課的教學就算是成功了！
這本書里還有三位代表性人物： “小明”是位活潑好問的學生，“阿珍”是位負責認真的研究生助教，而“沙老師”代表作者和授課老師。他們在本書中的問答，還是有些深意的。
為了讓老師能較為方便地講授，我們準備了所有章節的PPT課件供老師們使用，也提供了書中所有實例的源代碼和習題答案供讀者們執行和修改。這些配套資料請從清華大學出版社網站www.tup.com.cn下載，下載與使用中的相關問題請聯系fuhy@tup.tsinghua.edu.cn。
與本書相關的輔助教材請見我的網頁以得到最新信息：
http://blog.sina.com.cn/edwinsha
http://www.cs.cqu.edu.cn/public/tindex/B0226
致謝
要感謝的人很多。首先感謝我的家人——我的妻子諸葛晴鳳教授和我的女兒沙奕蘭，是她們的支持和鼓勵，使我可以花時間和精力來完成這本書。為了這本書，我時常工作到深夜，謝謝家人的體諒和我妻子對撰寫這本書的實質性幫助。除了家人外，還有就是重慶大學我的研究團隊，他們在汲汲于科研之時，還要幫助我來撰寫這本書，我很是感激，主要領頭人有谷守珍、姜煒文、陳咸彰等，還有很多都是做了特殊貢獻而在此沒有列出名字的，因為一定會有疏漏，還是不列為好，然而點點滴滴，記在心頭，我一并感謝。我們心中抱持的信念是一致的，那就是寫出一本最好的計算機導論的書，對中國計算機的教育做實質的貢獻！
整本書的內容和例子都是基于我的想法組織而成的，沒有參考或拷貝世界上任何一本計算機科學導論的書。大部分的Python程序都是我自己編程和試驗的。這本書是我們花心血寫成的。然而，疏漏之處，在所難免，我們要持續改進，所謂任重而道遠，此之謂矣。我們已經在計劃將來的新版和輔助內容了，肯定會越來越好的。
最后祝福大家天天快樂。
作者2014年8月

內容簡介：

《計算機科學導論——以Python為舟》是一本內容豐實、形式活潑，同時與計算機的最新發展密切結合的計算機入門教材。計算機包含了一切可以執行程序的計算設備。本書用深入淺出的語言講解了計算機科學的基礎知識。主要內容包括計算機學什么、神奇的0與1、程序是如何執行的、學習Python語言與數據庫知識、計算思維的核心——算法、操作系統、計算機網絡與物聯網、信息安全等。本書不僅讓讀者能夠清楚完整地了解如何用計算機解決問題，而且通過Python程序的巧妙演繹與動手實踐，讓讀者切實體會到計算機科學的廣博與趣味，帶領讀者體會計算機科學的美。
《計算機科學導論——以Python為舟》可作為計算機科學入門課程的教科書，也可作為廣大讀者理解計算機科學基本知識的科普讀物。

目錄：

第1章計算機學什么

1.1探索黑匣子——從一個程序談起

1.1.1探索黑匣子之計算機硬件

1.1.2探索黑匣子之計算機軟件

1.1.3探索黑匣子之操作系統

1.1.4計算機系統的層次

1.2計算機編程的基本概念

1.2.1初窺高級語言

1.2.2乘Python之舟進入計算機語言的世界

小結

1.3計算機核心知識——算法

1.3.1算法的重要性

1.3.2解平方根算法一

1.3.3解平方根算法二

1.3.4解平方根算法三

小結

1.4什么是計算機

1.4.1歷史上的計算機

1.4.2嵌入式系統

1.4.3未來的計算機

小結

1.5計算機前沿知識——大數據

1.5.1數據

1.5.2大數據

1.5.3大數據的應用

小結

1.5.4對數據和邏輯的正確態度——沙老師的話

1.6計算機科學之美

1.6.1無處不在的計算機

1.6.2計算機學科本身包含的知識面之廣

本章總結

習題1

第2章神奇的0與1

2.1進位制的概念

小結

2.2不同進制間的轉換

2.2.1二進制數轉換為十進制數

2.2.2十進制數轉換為二進制數

2.2.3二、八、十六進制的巧妙轉換

小結

2.3計算中的二進制四則運算

2.3.1無符號整數與加法

2.3.2乘法與除法

2.3.3帶符號整數的減法

2.3.4小數—浮點數

小結

2.4一切都是邏輯

2.4.1什么是邏輯運算

2.4.2電路實現邏輯(課時不足時，可不講本節)

2.4.3用邏輯做加法

2.4.4加法與控制語句

小結

2.5計算機中的存儲

2.5.1數據的存儲形式

2.5.2存儲設備

小結

2.6談0與1的美

2.6.1簡單開關的無限大用

2.6.2二進制邏輯的神奇妙用

2.6.3“亢龍有悔”和“否極泰來”

2.6.4“若見諸相非相，即見如來”

習題2

第3章程序是如何執行的

3.1引例

3.2a=a+1的執行過程

3.2.1分解a=a+1的執行步驟

3.2.2CPU中的核心部件

3.2.3匯編指令的概念

3.2.4a=a+1的完整執行過程

小結

3.3控制結構的執行

3.3.1if拟else選擇語句

3.3.2分支跳轉指令

3.3.3if拟else選擇語句的執行

3.3.4while循環語句的執行

3.3.5for循環語句的執行

小結

3.4關于Python的函數調用

3.4.1函數的基本概念

3.4.2Python函數入門

3.4.3局部變量與全局變量

小結

3.5函數調用過程的分析

3.5.1返回地址的存儲

3.5.2函數調用時棧的管理

小結

3.6幾種通用的編程語言

小結

3.7對計算機程序的領悟

3.7.1清晰的語義

3.7.2嚴謹的邏輯

3.7.3巧妙的結構

3.7.4智能是程序計算出來的

小結

習題3

第4章學習Python語言

4.1簡潔的Python

4.2Python內置數據結構

4.2.1Python基本數據類型

4.2.2列表

4.2.3再談字符串

4.2.4字典——類似數據庫的結構

4.3Python賦值語句

4.3.1基本賦值語句

4.3.2序列賦值

4.3.3擴展序列賦值

4.3.4多目標賦值

4.3.5增強賦值語句

4.4Python控制結構

4.4.1if語句

4.4.2while循環語句

4.4.3for循環語句

4.5Python函數調用

4.6Python自定義數據結構

4.6.1面向過程與面向對象

4.6.2面向對象基本概念——類與對象

4.7基于Python面向對象編程實現數據庫功能

4.7.1Python面向對象方式實現數據庫的學生類

4.7.2Python面向對象方式實現數據庫的課程類

4.7.3Python創建數據庫的學生與課程類組

4.7.4Python實例功能模擬

4.8有趣的小烏龜——Python之繪圖

4.8.1初識小烏龜

4.8.2小烏龜繪制基礎圖形

4.8.3小烏龜繪制迷宮

習題4

第5章計算思維的核心——算法

5.1計算思維是什么

小結

5.2遞歸的基本概念

小結

5.3分治法

小結

5.4貪心算法

小結

5.5動態規劃

小結

5.6以老鼠走迷宮為例

小結

5.7談計算思維的美

5.7.1遞歸思想的美

5.7.2計算思維求解問題的基本方式的美

5.7.3問題復雜度的研究之美

習題5

第6章操作系統簡介

6.1計算機的啟動

6.1.1啟動自檢階段

6.1.2初始化啟動階段

6.1.3啟動加載階段

6.1.4內核裝載階段

6.1.5登錄階段

6.2認識操作系統


6.3操作系統對硬件資源管理——硬件中斷與異常

6.3.1操作系統對I/O設備管理——硬件中斷

6.3.2操作系統對CPU的管理——硬件中斷

6.3.3操作系統對內存的管理——“異常”中斷

6.4操作系統對應用程序提供較安全可靠的服務——軟件中斷

6.4.1內核態與用戶態

6.4.2系統調用——軟件中斷

6.4.3常用系統調用

6.4.4系統調用實例： read系統調用

6.5操作系統對多運行環境的管理

6.5.1進程

6.5.2進程狀態

6.5.3進程調度

6.6文件系統

6.6.1文件基本概念

6.6.2目錄樹結構

6.6.3Python中的文件操作

6.6.4學生實例的擴展

習題6

第7章計算機網絡與物聯網

7.1無遠弗屆的網絡

小結

7.1.1物理層(Physical Layer)

小結

7.1.2數據鏈路層(Data Link Layer)

小結

7.1.3網絡層(Network Layer)

小結

7.1.4傳輸層(Transport Layer)

小結

7.1.5應用層(Application Layer)

小結

7.2Web=?

7.2.1一個簡單的網頁代碼

小結

7.2.2網頁訪問流程

小結

7.2.3網頁的動靜之分

7.2.4網站用什么說話

小結

7.2.5關于本地計算機上的一個小網頁

7.3對計算機網絡的領悟

7.4初窺物聯網

7.4.1未來生活中的物聯網

7.4.2智能家居

7.4.3智能交通

7.4.4醫療物聯網

7.4.5物聯網相關技術

小結

習題7

第8章信息安全

8.1引言

8.2常見威脅

8.2.1網絡的威脅

8.2.2惡意軟件

小結

8.2.3拒絕服務

8.3措施和技術

8.3.1密碼學

小結

8.3.2防火墻

8.3.3入侵檢測

8.3.4網絡安全

8.3.5系統安全

8.3.6殺毒軟件

8.4手機病毒

8.5硬件安全： 木馬電路與旁道攻擊

8.5.1硬件木馬

8.5.2旁道攻擊

8.6談信息安全之美

習題8

參考文獻
序：