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第1章 引论1

1.1什么是计算2

1.2计算机科学与计算科学2

1.3来自计算机发展史的启示3

1.3.1来自计算工具发展的启示3

1.3.2来自元器件发展的启示5

1.3.3来自计算机硬件发展的启示7

1.3.4来自计算机软件发展的启示9

1.3.5一些重要思想/重要事件及其带来的影响11

1.4计算机应用13

1.5计算机发展趋势15

1.5.1高性能计算：无所不能的计算15

1.5.2普适计算：无所不在的计算16

1.5.3服务计算与云计算：万事皆服务的计算17

1.5.4智能计算18

1.5.5生物计算19

1.5.6未来互联网与智慧地球20

思考题22

参考文献23

第2章 计算系统的基本思维25

2.1理解0和1的思维26

2.1.1语义符号化的典型案例：0/1与《易经》26

2.1.2思维方式与逻辑运算：0/1与逻辑27

2.1.3二进制与算术运算：0/1与数值信息28

2.1.4编码与符号运算：0/1与非数值信息31

2.1.5 0和1与电子元器件34

2.1.6 0和1思维小结38

2.2图灵机与冯·诺依曼计算机39

2.2.1图灵机：关于通用机器及指令、程序及其自动执行39

2.2.2冯·诺依曼计算机41

2.2.3存储器：可按地址自动存取内容的部件42

2.2.4机器指令与机器级程序与算法45

2.2.5机器级程序的存储与执行47

2.2.6关于冯·诺依曼计算机的贯通性思维小结50

2.3现代计算机51

2.3.1现代计算机的构成51

2.3.2存储体系：不同性能资源的组合优化思维52

2.3.3为什么要有操作系统——硬件功能扩展的基本思维55

2.3.4化整为零的基本思维——磁盘与文件管理57

2.3.5任务-作业与内存管理：分工合作与协同求解复杂系统问题的基本思维59

2.3.6分时-并行控制思维：任务-作业管理与处理机管理62

2.3.7现代计算机的工作过程64

2.3.8现代计算机的发展65

2.3.9关于现代计算机的贯通性思维小结67

2.4不同抽象层级的计算机（软件）67

2.4.1人-机交互层面的计算机——计算机语言与编译器68

2.4.2机-机交互层级的计算机：协议与编码器/解码器/转换器/处理器75

2.4.3分层抽象进行复杂问题化简的示例：操作系统对设备的分层控制78

2.4.4关于不同抽象层级计算机的思维小结85

思考题85

参考文献87

第3章 问题求解框架89

3.1传统程序的基本构成要素90

3.1.1常量、变量、表达式90

3.1.2语句与程序控制92

3.1.3函数与函数调用97

3.1.4常量/变量、数据存储与数据结构98

3.1.5程序构造及其表达方法102

3.2算法类问题求解框架105

3.2.1算法的基本概念105

3.2.2数学建模：建立问题的数学模型108

3.2.3算法思想：算法策略选择109

3.2.4算法设计：算法思想的精确表达110

3.2.5算法的模拟与分析113

3.2.6算法的复杂性114

3.2.7算法类问题求解框架115

3.3现代程序的基本构成要素116

3.3.1对象与类的概念——通俗示例116

3.3.2类与对象的概念——面向对象的程序119

3.3.3面向对象程序构造的一个例子——可视化编程的思维模式121

3.3.4现代程序构造及其表达方法123

3.4系统类问题求解框架126

3.4.1什么是系统126

3.4.2建立问题域/业务模型130

3.4.3建立软件域模型135

3.4.4软件模块的构造与实现141

3.4.5软件系统的构造与实现145

3.4.6软件系统的测试、部署与运行147

3.4.7软件体系结构与软件模式问题150

3.4.8系统的可靠性和安全性问题156

3.4.9小结158

思考题159

参考文献161

第4章 算法与复杂性163

4.1排序问题及其算法164

4.1.1排序问题164

4.1.2基本排序算法167

4.1.3 PageRank排序：排序问题的不同思考方法174

4.2递归及递归算法180

4.2.1递归：用有限的语句定义对象的无限集合180

4.2.2递归算法：自身调用自身，高阶调用低阶187

4.3遗传算法：计算复杂性与仿生学算法示例194

4.3.1可求解与难求解问题194

4.3.2遗传算法：仿生学算法的简单示例196

4.3.3遗传算法暨问题求解算法的进一步探讨202

思考题210

参考文献211

第5章 数据抽象、设计与挖掘213

5.1数据与大数据214

5.2数据管理和数据库：数据聚集的核心216

5.2.1数据聚集成“库”——数据库及数据库管理216

5.2.2数据库的基本结构形式——数据表217

5.2.3数据表的操作——关系操作220

5.2.4用数学定义数据表及其操作——关系模型223

5.2.5数据库语言——用计算机语言表达数据表及其操作226

5.2.6 DBMS——数据库语言的执行或者数据表操作的自动实现231

5.3数据分析的核心——联机数据分析和数据挖掘232

5.3.1例子——超市数据库232

5.3.2超市数据分析方法——二维交叉表234

5.3.3数据仓库联机数据分析（OLAP）：由二维数据分析到多维数据分析235

5.3.4数据也是生产力——数据挖掘240

5.4抽象、理论和设计248

5.4.1抽象：理解→区分→命名→表达249

5.4.2理论：定义→性质（公理和定理）→证明254

5.4.3设计：形式→构造→自动化257

5.4.4抽象—理论—设计之间的关系259

思考题260

参考文献261

第6章 计算机网络、信息网络与网络化社会263

6.1网络与社会264

6.2计算机网络264

6.2.1网络通信的基本原理264

6.2.2计算机网络连接：不同类别的机器网络269

6.3因特网与Web——信息网络279

6.3.1由计算机网络走向文档/信息网络Web279

6.3.2超文本/超媒体的表达与解析280

6.3.3超文本/超媒体的组织与管理284

6.3.4无限资源库的发掘和利用：搜索引擎286

6.3.5互动网络与群体网络：互联网的创新更重要的是思维的创新287

6.4网络化社会与网络计算：用科学方法研究网络问题290

6.4.1形形色色的网络290

6.4.2网络问题抽象与基本网络计算问题291

6.4.3网络计算示例：社会网络的一个问题研究297

思考题302

参考文献304