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出版者:浦东电子出版社

作者:张钟澍 廖德清 钟凯

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2002-02-01

价格:28.0

装帧:

isbn号码:9787900346490

丛书系列:

图书标签:

• 操作系统
• 计算机科学
• 教学
• 实践
• 教程
• Linux
• Windows
• Unix
• 系统编程
• 计算机基础

书籍名称：穿越数字迷雾：现代计算的基石与未来趋势 内容提要 本书旨在为读者提供一个全面、深入且不局限于特定技术实现的计算科学视野。它不教授操作系统的具体配置与使用技巧，而是聚焦于信息技术领域最核心、最基础的原理、演化历史以及未来可能的发展方向。我们探索的是支撑一切软件运行的“幕后英雄”——计算模型的本质，以及数据、算法和硬件如何共同构建起我们所依赖的数字世界。 本书共分为五个主要部分，层层递进，从最抽象的理论基础迈向最前沿的应用实践。 --- 第一部分：计算的哲学与逻辑基石 (The Philosophy and Logic of Computation) 本部分是理解所有计算机科学的起点。我们不会讨论如何安装驱动或管理进程，而是深入探讨“什么是计算”这个根本问题。 1.1 计算的数学起源与图灵的遗产： 探讨了逻辑学、集合论如何催生了可计算性理论。重点分析了图灵机模型作为通用计算抽象的意义，并详细阐述了停机问题（Halting Problem）的不可解性，这一理论限制了我们对任何计算过程的完全预测能力。我们分析了冯·诺依曼架构（Von Neumann Architecture）的诞生背景，理解其在存储程序概念上的革命性，但同时也会讨论其内在的“存储器墙”瓶颈问题，为后续讨论并行计算和非传统架构打下理论基础。 1.2 逻辑与布尔代数：数字世界的语言： 深入解析布尔代数在电路设计和逻辑推理中的核心地位。内容涵盖了逻辑门（AND, OR, NOT, XOR）的物理实现基础，以及如何利用组合逻辑和时序逻辑构建更复杂的运算单元。不同于侧重于操作系统中的逻辑控制，这里关注的是最底层的“是”与“否”如何被编码成电流的“开”与“关”，以及如何利用最小的逻辑元件实现加减乘除等复杂算术。 1.3 形式语言与自动机理论： 介绍乔姆斯基层级（Chomsky Hierarchy），从正则语言到上下文无关语言，再到递归可枚举语言。通过有限状态自动机（Finite State Automata, FSA）和下推自动机（Pushdown Automata, PDA）的抽象模型，我们揭示了不同复杂度语言的识别能力和局限性，这直接关系到编译器设计和形式化验证的理论边界。 --- 第二部分：信息编码与高效存储 (Information Encoding and Efficient Storage) 本部分关注数据如何在物理世界中被精确、高效地表示和存取，这超越了文件系统的权限管理或磁盘碎片整理的范畴。 2.1 进阶数字表示法： 详细探讨了浮点数的IEEE 754标准，分析其在精度和范围上的取舍，以及由此带来的计算误差问题。此外，我们还深入研究了错误检测与纠正码（Error Detection and Correction Codes），如汉明码（Hamming Codes）和循环冗余校验（CRC），理解信息在传输或存储过程中如何抵抗噪声和物理损坏。 2.2 数据结构与算法的效率分析： 重点分析了高级数据结构，如B树（B-Trees）及其变体（如B+树）在外部存储系统中的应用原理，而非仅限于内存中的链表或数组。我们详细推导了查找、插入和删除操作的时间复杂度，并探讨了图算法（如Dijkstra、A）在网络路由和复杂系统优化中的数学基础。 2.3 存储系统的演化： 从磁带到磁盘，再到闪存技术（NAND/NOR）。本章着重于固态存储器的底层工作原理，如磨损均衡（Wear Leveling）的算法策略，以及存储介质的物理特性如何影响数据持久性和读写性能。我们探讨了存储层次结构（Cache, RAM, SSD, HDD）的经济性和性能平衡点。 --- 第三部分：并行性、并发性与分布式计算 (Parallelism, Concurrency, and Distributed Systems) 本部分探讨如何突破单核处理器的物理极限，构建大规模、高可靠性的计算系统。我们关注的是分布式一致性协议，而非单机多线程的同步原语。 3.1 并行计算架构： 分析了不同并行范式，包括向量处理（SIMD）、多核并行（Shared Memory Multiprocessing）以及大规模集群（Message Passing Interface, MPI）。深入探讨了缓存一致性协议（Cache Coherency Protocols），如MESI协议，解释了多处理器系统中保持数据视图统一的底层硬件机制。 3.2 分布式系统的核心挑战： 聚焦于分布式计算面临的根本难题，特别是网络延迟和部分失效（Partial Failure）。详细解析了CAP理论（Consistency, Availability, Partition Tolerance）的权衡艺术，以及FLP（Fischer, Lynch, Paterson）不可能性定理对异步系统设计的影响。 3.3 共识与一致性协议： 详尽分析了实现大规模数据同步的关键算法，如Paxos和Raft协议的数学基础和状态机复制过程。我们探讨了这些协议如何在不可靠的网络环境中确保所有节点对某一决策达成一致，这是现代数据库和区块链技术的基础。 --- 第四部分：安全、隐私与计算边界 (Security, Privacy, and the Boundaries of Computation) 本部分关注信息在流通过程中的保护机制和计算本身的内在安全漏洞。 4.1 密码学的数学原理： 侧重于公钥加密（如RSA、ECC）背后的数论基础，包括模运算、有限域和离散对数问题。我们不教授如何配置SSL/TLS，而是探究其加密强度和密钥交换的数学有效性。 4.2 形式化验证与程序正确性： 介绍如何使用数学方法证明软件的正确性。探讨模型检验（Model Checking）和定理证明（Theorem Proving）技术，它们用于分析复杂系统的行为，确保关键代码（如安全协议或硬件描述）在所有可能状态下都不会违背预设的安全属性。 4.3 隐私保护计算（PPC）： 探讨前沿技术，如同态加密（Homomorphic Encryption），允许在密文上直接进行计算而无需解密。此外，还分析了差分隐私（Differential Privacy）的数学定义，理解如何在数据集中提供统计保证的同时，保护个体身份信息。 --- 第五部分：计算的未来形态与范式革命 (Future Forms and Paradigm Revolutions) 本部分展望超越传统硅基、冯·诺依曼模型的计算未来。 5.1 量子计算的理论模型： 介绍量子比特（Qubit）、叠加态（Superposition）和量子纠缠（Entanglement）的概念。重点分析Shor算法和Grover算法的原理及其对现有公钥加密体系的颠覆性潜力。我们讨论量子电路模型，而非任何具体的硬件平台。 5.2 新型计算架构： 探讨神经形态计算（Neuromorphic Computing）的原理，试图模仿生物大脑的事件驱动和脉冲式信息处理方式，以期在能效和特定任务处理上超越传统CPU/GPU。同时，分析光子计算和DNA计算的理论可行性。 5.3 智能体与复杂性科学： 将计算扩展到系统层面。探讨复杂适应系统（Complex Adaptive Systems, CAS）中的计算行为，以及自组织现象。分析机器学习模型（如深度神经网络）作为一种新型“非符号化”计算范式，其涌现能力与传统算法的本质区别。 --- 目标读者： 计算机科学专业的本科高年级学生、研究生，以及希望深入理解信息技术底层逻辑和前沿理论的资深工程师和研究人员。本书的阅读体验需要对离散数学和线性代数有基本的了解。

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我是一位对计算机历史和原理有强烈好奇心的爱好者，这本书为我提供了一个绝佳的视角来回溯和理解现代操作系统的演进轨迹。作者并未拘泥于当前主流的Linux或Windows实现，而是巧妙地穿插了早期如Atlas、Multics等经典系统的设计哲学，这让读者明白今天的许多“标准做法”并非凭空出现，而是经过了几十年的理论沉淀和实践检验。尤其是在介绍系统调用接口时，书中追溯了从早期的函数调用到现代体系结构中如何通过陷阱（Trap）指令安全地切换执行上下文的细节，这种历史的纵深感让学习过程充满了趣味性。它像是一部浓缩的计算机科学史诗，用操作系统的发展为主线，串联起了硬件、软件和算法的伟大变革。阅读完后，我感觉自己不仅学会了如何操作一个系统，更是理解了整个信息时代的计算模型是如何一步步建立起来的，这种知识的广度和深度是其他专注于单一技术的书籍难以企及的。

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这本书最大的亮点在于其对“安全与保护”主题的深度挖掘。在当今网络环境日益复杂的背景下，理解系统如何隔离不同用户的资源、防止恶意代码的入侵，变得至关重要。作者花了相当大的篇幅讲解了访问控制列表（ACL）和能力（Capability）模型，对比了它们在不同安全级别应用中的适用性。我对环路保护（Rings of Protection）的讲解印象深刻，它清晰地勾勒出了用户态和内核态之间的权限边界，这是理解系统安全基石的关键一步。书中还探讨了内存保护机制，如何通过硬件辅助（如分页和分段）来防止一个进程篡改另一个进程的内存空间，这比我以前从安全报告中学到的描述要系统和底层得多。这本书提供的不仅仅是“如何做”的指南，更是“为什么必须这样做”的深刻洞察，让我对系统的健壮性和可靠性有了全新的认识。

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这本书简直是为我这种想深入了解计算机底层运作的“小白”量身定做的。我之前对操作系统那种抽象的概念总是摸不着头脑，什么进程调度、内存管理，听起来就让人头大。但是这本书的讲解方式非常接地气，它没有一上来就抛出一堆晦涩难懂的术语，而是用生活中的例子来类比操作系统的工作原理，比如把CPU比作繁忙的厨师，各种任务就是等候烹饪的食材，而操作系统就是那个高效的领班，决定谁先上灶，谁后等等。读完第一部分，我对“内核”这个概念有了非常清晰的认识，它不再是一个神秘的黑箱，而是系统稳定运行的基石。作者在解释中断和异常处理时，那种层层剥茧的分析方法，让我感觉自己仿佛真的能看到代码是如何与硬件进行“对话”的。特别是关于文件系统的阐述，它不再是简单的文件和文件夹的集合，而是包含了复杂的结构和冗余备份机制，保证了数据的安全。这本书的价值在于，它成功地搭建了一座从应用层到硬件层的坚实桥梁，让读者在不被技术细节淹没的同时，建立起完整的操作系统概念框架。

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说实话，我原本以为这会是一本枯燥的教科书，充满了各种官方标准和难以消化的图表，但阅读体验出乎我的意料。这本书的叙事节奏掌握得非常好，章节之间的过渡非常自然流畅，几乎没有那种为了凑字数而硬加进去的冗余内容。我很欣赏作者在探讨复杂概念时所展现出的严谨和幽默感的平衡。例如，在讲解I/O操作的阻塞与非阻塞模式时，作者用了一个生动的小故事来描述等待外部设备响应的煎熬，一下子就把那种抽象的等待状态具象化了。此外，书中对现代操作系统的发展趋势也有所涉及，提到了微内核和宏内核的优劣势权衡，这让我对未来技术走向有了一个初步的判断。这本书的排版也值得称赞，注释清晰，重点突出，即便是深夜阅读，也不会感到眼睛疲劳。它更像一位经验丰富的老教授在耐心地为你答疑解惑，而不是冷冰冰的知识堆砌。

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对于一个有一定编程经验，但缺乏系统底层知识的开发者来说，这本书简直是一剂强心针。我一直很困惑，为什么有些程序运行得飞快，而有些却卡顿得要命，直到我读到关于并发控制和同步机制的那几章，才茅塞顿开。作者对锁（Lock）、信号量（Semaphore）以及死锁预防策略的讲解，深入浅出，没有过多纠缠于特定操作系统的API细节，而是侧重于背后的数学逻辑和算法设计思想。这种通用的理论基础，比单纯记忆某个平台的实现要宝贵得多。特别是关于虚拟内存的章节，它巧妙地解释了为什么我们可以运行比物理内存大得多的程序，以及TLB（转换后援缓冲器）在性能优化中的关键作用。书中对不同调度算法（如RR、SJF、优先级调度）的性能对比分析，图文并茂，让我能直观地理解不同策略对系统吞吐量和响应时间的影响。这本书帮助我重新审视了自己写的代码，开始思考如何写出更“友好”的并发程序，而不是仅仅让它能跑起来。

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