《北京大学计算机科学》课件

《北京大学计算机科学》欢迎来到《北京大学计算机科学》课程！本课程将带您深入了解计算机科学的各个领域，从基础知识到前沿技术，旨在培养您对计算机科学的兴趣，并为您的未来职业发展打下坚实的基础课程目标和要求课程目标课程要求本课程旨在帮助您了解计算机科学的基本概念和原理，掌握常用认真学习课程内容，积极参与课堂讨论，完成作业，参加考试的算法和数据结构，熟悉操作系统的基本功能，了解网络和软件对于感兴趣的领域，建议您进行课外阅读和实践，以更深入地理工程的基本知识，并学习使用常用的编程语言解相关知识计算机科学的发展历程从早期的机械计算器到现代的超级计算机，计算机科学经历了1漫长的发展历程从1940年代的ENIAC到1970年代的个人电脑，每一步都为计算机科学的发展做出了重要贡献互联网的出现和普及带来了巨大的变化，改变了人们的生活方2式，也为计算机科学带来了新的挑战和机遇近年来，人工智能、大数据、云计算等新兴技术不断涌现，推动着计算机科学的飞速发展未来，计算机科学将继续发展，为人类社会带来更多便利和福3祉在未来的发展中，量子计算、生物计算等新兴领域将成为新的研究方向，为计算机科学带来更加广阔的应用空间计算机的基本组成中央处理器CPU内存RAM硬盘HDD/SSDCPU是计算机的核心，负责执内存用于存储正在运行的程序硬盘用于长期存储数据，包括行程序指令，处理数据，控制和数据，是CPU可以直接访问操作系统、应用程序、用户文整个计算机系统它相当于计的存储区域它相当于计算机件等它相当于计算机的长期算机的大脑，决定了计算机的的短期记忆，速度快但容量有记忆，速度慢但容量大，可以运算速度和效率限，程序运行时需要频繁使用保存大量数据输入输出设备输入输出设备是计算机与外界沟通的桥梁，包括键盘、鼠标、显示器、打印机等它们负责接收用户输入，并将计算机处理结果输出到外部数据表示与运算二进制表示算术运算计算机内部使用二进制数来表示计算机能够执行各种算术运算，数据，二进制数只有0和1两个数包括加、减、乘、除、取模等字通过组合不同的0和1，可以这些运算都是基于二进制数进行表示各种类型的数据，如数字、的，通过特定的电路实现字符、图像等逻辑运算计算机还可以进行逻辑运算，包括与、或、非、异或等这些运算用于判断条件，控制程序流程，是计算机实现复杂功能的基础算法的基本概念算法定义算法是指解决特定问题的一系列步骤或指令它是一组明确的指令，用于完成特定的任1务，通常用于解决特定类型的计算问题算法特点2算法具有有限性、确定性、可执行性、输入输出等特点一个好的算法应该满足这些特点，并能够高效地解决问题算法设计算法设计是计算机科学的重要组成部分，其目标是设计出能够高3效地解决特定问题的算法算法设计通常需要考虑算法的效率、正确性、可读性等因素算法复杂度分析时间复杂度时间复杂度是指算法执行时间随输入规模增长的变化趋势通常使用大O符号来表示时间复杂度，例如On、On^

2、Olog n等时间复杂度越低，算法执行速度越快空间复杂度空间复杂度是指算法执行过程中所需要的存储空间随输入规模增长的变化趋势通常也使用大O符号来表示空间复杂度，例如O

1、On、Olog n等空间复杂度越低，算法占用的存储空间越少复杂度分析算法复杂度分析是衡量算法效率的重要指标，通过分析算法的时间复杂度和空间复杂度，可以评估算法的性能，选择最合适的算法来解决问题排序算法概述冒泡排序冒泡排序是一种简单的排序算法，通过相邻元素的比较和交换，将最大的元素逐步移到数组的末尾，直到整个数组有序时间复杂度为On^2插入排序插入排序是一种稳定的排序算法，通过将未排序的元素插入到已排序的子序列中，逐步构建有序序列时间复杂度为On^2选择排序选择排序是一种不稳定的排序算法，通过遍历数组，找到最小元素并将其交换到数组的开头，依次构建有序序列时间复杂度为On^2归并排序归并排序是一种稳定的排序算法，通过递归地将数组分成两半，分别排序后合并成一个有序数组时间复杂度为On logn递归算法递归优点递归算法可以简洁地表达一些复杂的算法，2例如阶乘、斐波那契数列等但递归算法递归定义可能会导致效率低下，因为每次递归调用递归算法是一种通过调用自身来解决问都会增加函数调用栈的开销1题的算法它通常包含一个基线情况和一个递归情况，通过不断调用自身来逐递归应用步简化问题，直到达到基线情况递归算法被广泛应用于各种领域，例如树遍历、图搜索、分治算法等在解决一些3具有自相似性的问题时，递归算法往往能够提供简洁高效的解决方案分治算法分治思想1分治算法是一种将问题分解为若干个规模较小的子问题，递归地解决子问题，最后合并子问题的解来得到原问题的解它是一种常用的算法设计策略，能够有效地解决许多问题分治步骤2分治算法通常包含三个步骤分解、解决、合并首先将问题分解成若干个规模较小的子问题，然后递归地解决子问题，最后将子问题的解合并成原问题的解分治应用3分治算法被广泛应用于各种领域，例如排序、搜索、矩阵运算等例如，归并排序就是一种典型的分治算法贪心算法123贪心选择贪心策略贪心应用贪心算法是一种在每一步都做出局部最优选贪心算法的核心是贪心选择性质，即在每一贪心算法被广泛应用于各种领域，例如背包择，期望最终得到全局最优解的算法它通步都做出最优的选择，期望最终得到全局最问题、最小生成树问题等它是一种简单的常用于解决优化问题，但并非所有情况下都优解贪心算法的有效性取决于问题的具体算法设计策略，但需要仔细分析问题的性质，能够得到最优解情况才能判断贪心算法是否适用动态规划图论算法图的定义图的应用图是由顶点和边组成的数学结构，用于表示事物之间的关系图论图论算法在各种领域都有广泛的应用，例如网络路由、交通规划、算法是研究图的性质和算法的一门学科，广泛应用于计算机科学和社交网络分析等例如，Dijkstra算法用于求解最短路径问题，广工程领域度优先搜索算法用于查找图中的最短路径数据结构概述数据结构定义数据结构应用数据结构是指数据存储和组织的方式选择合适的数据结构可以数据结构在计算机科学和工程领域都有广泛的应用例如，线性提高算法效率，并使程序更易于理解和维护常用的数据结构包表用于存储有序数据，栈用于实现函数调用，队列用于实现任务括线性表、栈、队列、树、图等调度，树用于表示层级结构，图用于表示网络结构等线性表数组链表12数组是一种线性数据结构，用链表是一种线性数据结构，用于存储相同类型数据的集合于存储数据元素的集合，每个数组中的元素可以通过索引访元素包含数据域和指针域，指问，索引从0开始数组的大针域指向下一个元素链表的小是固定的，一旦创建就不能大小是动态的，可以根据需要改变添加或删除元素线性表操作3线性表支持各种操作，包括插入、删除、查找、排序等不同的数据结构对这些操作的效率会有所不同，需要根据实际情况选择合适的数据结构栈和队列队列队列是一种先进先出FIFO的线性数据结构，只能在队尾进行插入，在队头进行删除操作栈和队列应用它通常用于实现任务调度、缓冲区管理等功能栈栈和队列在计算机科学和工程领域都有广泛的栈是一种后进先出LIFO的线性数据结构，只应用例如，栈用于实现函数调用、表达式求能在栈顶进行插入和删除操作它通常用于实值，队列用于实现任务调度、缓冲区管理等现函数调用、表达式求值等功能213树形数据结构树是一种非线性数据结构，它由节点和边组成，节点之间存在1父子关系树形结构可以有效地表示层次关系，例如文件系统、组织结构等2常用的树形数据结构包括二叉树、平衡树、B树等不同的树形数据结构具有不同的特点，例如平衡树能够保证树的高度平衡，B树适合用于存储大量数据树形数据结构在计算机科学和工程领域都有广泛的应用例如，3二叉树用于实现排序、查找、表达式求值等功能，B树用于实现数据库索引等功能图的基本概念图的定义图是由顶点和边组成的数学结构，用于表示事物之间的关系它是一种非线性数据结构，可以表示网络结构、社交关系等图的种类图可以分为有向图和无向图有向图中的边有方向，无向图中的边没有方向图还可以分为简单图、多重图、带权图等图的应用图论算法在各种领域都有广泛的应用，例如网络路由、交通规划、社交网络分析等例如，Dijkstra算法用于求解最短路径问题，广度优先搜索算法用于查找图中的最短路径散列表散列表定义散列表应用散列表是一种数据结构，它利用散列函数将关键字映射到一个数组散列表在计算机科学和工程领域都有广泛的应用，例如实现字典、的索引上，从而实现快速查找散列表通常用于实现字典、集合等集合、缓存等功能它能够高效地进行数据查找，提高程序性能功能操作系统概述操作系统定义操作系统功能操作系统是管理计算机硬件资源操作系统的主要功能包括进程管和软件资源的软件系统它为用理、内存管理、设备管理、文件户提供一个友好的界面，方便用管理、安全机制等这些功能共户使用计算机，并为应用程序提同保证了计算机系统的正常运行供一个运行环境和稳定性操作系统类型操作系统可以分为单用户单任务、单用户多任务、多用户多任务等类型不同的操作系统类型适合不同的应用场景，需要根据实际需求进行选择进程管理进程概念进程状态进程是指正在执行的程序，它是进程通常处于运行、就绪、阻塞一个动态的概念，包含程序代码、等状态操作系统负责调度进程，数据、系统资源等操作系统负根据不同的状态进行处理，以保责管理进程的生命周期，并为其证所有进程能够公平地获得分配资源CPU资源进程通信多个进程之间需要进行通信，以共享数据和资源操作系统提供了各种进程通信机制，例如管道、消息队列、共享内存等，方便进程之间进行通信内存管理内存分配操作系统负责管理计算机的内存资源，为进程分配所需的内存空间内存分配需要考虑1效率和公平性，保证所有进程都能获得足够的内存空间内存保护2操作系统需要保护进程的内存空间，防止一个进程访问其他进程的内存空间内存保护机制保证了系统安全性和稳定性虚拟内存虚拟内存是操作系统提供的一种机制，允许程序使用超出物理内3存容量的内存空间它通过将一部分数据存储到磁盘上，实现内存空间的扩展，提高系统效率设备管理设备驱动程序设备驱动程序是操作系统提供的软件，负责管理和控制计算机中的各种硬件设备它为应用程序提供统一的接口，隐藏了硬件设备的复杂细节设备调度操作系统需要调度多个进程对硬件设备的访问，以保证所有进程都能公平地使用设备设备调度算法通常考虑设备的优先级、服务时间等因素设备管理应用设备管理是操作系统的重要组成部分，负责管理计算机中的各种硬件设备，保证硬件设备能够正常工作，为应用程序提供可靠的服务文件管理12文件系统文件操作文件系统是操作系统提供的用于组织和管理文件系统提供各种文件操作，例如创建文件、文件的一种机制它将磁盘空间划分为不同删除文件、修改文件、打开文件、关闭文件的目录和文件，方便用户管理文件等这些操作为应用程序提供了一致的接口，方便应用程序访问文件3文件安全操作系统需要保护文件安全，防止恶意程序或用户访问和修改其他用户的文件文件安全机制包括文件权限、访问控制等安全机制防火墙杀毒软件密码保护防火墙是操作系统或网杀毒软件是操作系统或密码保护是操作系统提络设备提供的安全机制，网络设备提供的安全机供的安全机制，用于验用于阻止来自外部网络制，用于检测和清除恶证用户身份，防止非法的非法访问它通过设意软件，例如病毒、木用户访问系统资源它置安全策略，过滤网络马、蠕虫等，保护计算通过设置密码，要求用流量，保护计算机系统机系统安全户输入密码才能登录系安全统计算机网络概述网络定义网络功能计算机网络是指通过通信线路将多个计算机连接在一起，实现数计算机网络的主要功能包括数据传输、资源共享、信息交互等据共享和资源共享的系统计算机网络可以分为局域网、广域网网络为用户提供了便捷的通信方式，也为各种应用提供了基础设等类型施参考模型OSI协议簇TCP/IP1TCP/IP协议簇是互联网采用的协议体系，它定义了网络数据传输的规则和规范，保证了不同计算机之间能够进行通信TCP/IP协议簇分为多个层级，每一层负责不同的功能2TCP/IP协议簇的各个层级之间相互协作，完成数据传输的任务例如，网络层负责数据路由，传输层负责可靠数据传输，应用层负责提供各种应用服务3TCP/IP协议簇是互联网的基础，它保证了互联网的正常运行和稳定性近年来，随着互联网的不断发展，TCP/IP协议簇也一直在不断更新和完善，以满足新的需求物理层协议物理层功能物理层协议物理层负责数据在物理介质上的传输，包括信号的编码、调制、物理层协议定义了网络设备之间连接的物理接口、信号的编码解调等它定义了网络设备之间连接的物理接口，以及数据传和传输速率等常见的物理层协议包括以太网协议、光纤协议输的比特流等数据链路层协议数据链路层功能1数据链路层负责在网络设备之间建立可靠的连接，并对数据帧进行封装和解封装它还负责检测和纠正传输过程中的错误数据链路层协议2常见的数据链路层协议包括以太网协议、点对点协议PPP、帧中继协议等这些协议负责数据帧的封装、解封装、错误检测和纠正等功能网络层协议网络层功能网络层协议网络层负责数据包的路由和转发，它根据数常见的网络层协议包括IP协议、ICMP协议、12据包的目的地址，选择最佳路径将数据包发ARP协议等这些协议负责数据包的路由、送到目的地它还负责数据包的地址转换和地址转换、流量控制等功能流量控制传输层协议传输层功能传输层负责在网络设备之间建立可靠的数据传输连接，并对数据进行分段和重组它还负责流量控制和错误检测传输层协议常见的传输层协议包括TCP协议和UDP协议TCP协议提供可靠的数据传输服务，UDP协议提供不可靠的数据传输服务应用层协议应用层功能应用层负责为用户提供各种网络应用服务，例如电子邮件、文件传输、网页浏览等它定义了应用程序之间通信的规则和规范应用层协议常见的应用层协议包括HTTP协议、SMTP协议、FTP协议等这些协议负责提供特定的网络应用服务，例如网页浏览、电子邮件发送、文件传输等软件工程概述软件工程定义软件工程目标软件工程是一门研究如何用工程化的原则和方法来开发和维护软件软件工程的目标是开发出高质量、可维护、可扩展的软件系统它的学科它涉及软件开发的各个阶段，从需求分析到测试与维护强调软件开发的系统性、规范性、可重复性和可管理性需求分析需求分析定义需求分析方法需求文档123需求分析是软件开发的第一个阶段，常见的需求分析方法包括用户访谈、需求分析的结果需要以文档的形式记其目标是明确用户的需求，并将其转问卷调查、用例分析、数据建模等录下来，形成需求文档需求文档是化为软件系统的设计和实现需求需选择合适的需求分析方法可以提高需软件开发的依据，需要准确、完整地求分析是软件开发的基础，决定了软求分析的效率和质量描述软件系统的功能和性能需求件系统是否能够满足用户的需要系统设计系统设计定义系统设计是软件开发的第二个阶段，其目标是根据需求分析的结果，设计出软件系统的1架构、模块、数据结构等，为软件实现提供蓝图系统设计方法2常见的系统设计方法包括结构化设计、面向对象设计等选择合适的系统设计方法可以提高软件系统的可维护性、可扩展性和可靠性系统设计文档系统设计的结果需要以文档的形式记录下来，形成系统设计文档3系统设计文档是软件实现的依据，需要详细描述软件系统的架构、模块、数据结构等代码实现代码实现定义代码实现是软件开发的第三个阶段，其目标是根据系统设计文档，使用特定的编程语言将软件系统实现出来代码实现需要遵循编码规范，保证代码质量代码实现工具代码实现需要使用各种工具，例如文本编辑器、编译器、调试器等选择合适的代码实现工具可以提高代码开发效率和质量代码质量代码质量是软件系统的核心指标，需要保证代码的可读性、可维护性、可扩展性和可靠性代码质量可以通过代码审查、单元测试等方式进行评估测试与调试12测试定义测试方法测试是软件开发的第四个阶段，其目标是常见的测试方法包括单元测试、集成测试、验证软件系统是否能够满足用户需求，并系统测试、验收测试等不同类型的测试发现和修复软件系统中的错误方法关注不同的测试目标，需要根据实际情况进行选择3调试定义调试是发现和修复软件系统中的错误的过程它需要分析错误原因，找到错误代码，并进行修改，以保证软件系统能够正常运行项目管理项目管理定义项目管理是指将组织的资源进行有效的整合，并在一定的约束条件下，对项目进行计划、执行、监督和控制，以实现项目目标的过程项目管理方法常见的项目管理方法包括瀑布模型、敏捷开发等不同的项目管理方法适合不同的项目类型，需要根据实际情况进行选择项目管理工具项目管理需要使用各种工具，例如项目管理软件、协作工具、沟通工具等选择合适的项目管理工具可以提高项目管理效率和质量编程语言概述Python JavaC++Python是一种面向对象、解释型、高级编Java是一种面向对象、编译型、高级编程C++是一种面向对象、编译型、高级编程语程语言，以其简单易学、功能强大而著称，语言，以其平台无关性、安全性和可靠性而言，以其高效性、灵活性和可移植性而著称，广泛应用于各种领域，例如数据科学、机器著称，广泛应用于各种领域，例如企业级应广泛应用于各种领域，例如游戏开发、系统学习、Web开发等用、移动应用、大数据等编程、高性能计算等数据类型基本数据类型复合数据类型基本数据类型是编程语言提供的最基本的数据类型，例如整数、复合数据类型是由基本数据类型组合而成的，例如数组、结构体、浮点数、字符、布尔值等这些数据类型是构建其他数据类型和枚举等复合数据类型能够更有效地组织和管理数据，提高程序数据结构的基础效率控制结构顺序结构分支结构顺序结构是指程序按照代码的顺分支结构是指程序根据条件判断序依次执行它是最基本的控制的结果选择不同的执行路径它结构，所有程序都包含顺序结构能够实现不同的程序逻辑，提高程序的灵活性和适应性循环结构循环结构是指程序重复执行一段代码，直到满足特定条件为止它能够实现代码的复用，提高程序的效率和简洁性函数与过程过程定义2过程与函数类似，也是一段可以重复执行的代码块，但它不返回结果过程通常用于执行特函数定义定的操作，例如打印信息、输入数据等函数是指一段可以重复执行的代码块，它接1受输入参数，执行特定的操作，并返回结果函数能够提高代码的复用性和可读性函数与过程应用函数和过程在编程语言中被广泛应用，它们能够提高代码的可维护性、可扩展性和可读性，3是实现程序功能的重要工具面向对象编程1面向对象编程OOP是一种编程范式，它将数据和操作数据的方法封装成对象，并通过对象之间的交互来实现程序功能OOP能够提高代码的可维护性、可扩展性和可读性2OOP的核心概念包括封装、继承、多态封装是指将数据和方法隐藏在对象内部，只通过接口对外提供访问继承是指创建一个新类，它继承了另一个类的属性和方法多态是指同一个方法可以针对不同类型的对象执行不同的操作3OOP的这些核心概念能够提高代码的灵活性和可扩展性，是现代软件开发的重要技术异常处理异常定义异常处理机制异常是指程序运行过程中出现的错误，例如除数为零、文件不存在、异常处理机制是指程序捕获异常并进行处理的机制通过捕获异常，网络连接错误等异常会中断程序的正常执行，需要进行处理，以程序能够避免崩溃，并继续执行常见的异常处理机制包括try-保证程序的稳定性catch-finally语句总结与展望本课程涵盖了计算机科学的基本概念和原理，为您的学习和职业发展奠定了坚实的基础希望通过这门课程的学习，您能够对计算机科学产生浓厚的兴趣，并将其应用于实际问题中未来，随着科技的不断发展，计算机科学将继续发挥重要的作用，为人类社会带来更多便利和福祉希望您能够在计算机科学的领域中取得更大的成就！。