《计算机科学梳理》课件

计算机科学梳理课程简介为什么学习计算机科学？计算机科学是当今最具影响力的学科之一，它正在改变着我们生活和工作的方式学习计算机科学可以为你打开通往未来科技发展的大门，提供无限可能计算机科学的核心概念计算机科学涵盖了算法、数据结构、计算机体系结构、操作系统、计算机网络、数据库、软件工程、人工智能、计算机图形学以及理论计算机科学等众多领域算法计算机科学的基石算法是计算机科学的核心概念之一，它是一组按照特定顺序执行的指令，用于解决特定的问题算法是计算机程序的本质，它指导计算机如何处理数据、完成任务算法的定义与特性算法可以被定义为解决算法应该具有效率，即算法应该保证正确性，特定问题的一系列步能够在有限的时间和空即能够得到预期的结骤，这些步骤是有限间内完成任务果的、明确的、可执行的算法的表示方法算法可以用自然语言、流程图、伪代码或编程语言来1表示自然语言表达较为直观，但不够精确；流程图可以清2晰地展示算法的步骤；伪代码介于自然语言和编程语言之间，更加简洁；编程语言则可以直接在计算机上执行算法算法的时间复杂度分析时间复杂度是指算法执行所需要的时间，它通常用大符号表O示例如，表示算法的时间复杂度与输入数据的规模成线性On n关系时间复杂度分析有助于我们比较不同算法的效率，选择最佳的算法来解决问题常见算法示例排序算法插入排序2冒泡排序1选择排序35快速排序归并排序4常见算法示例搜索算法线性搜索逐个比较数据元素二分搜索针对有序数据，每次将搜索范围缩小一半数据结构组织和存储数据的方式线性结构1树形结构2图形结构3线性数据结构数组数组是一种线性数据结构，它将数据存储在连续的内存位置，每个数据元素都有一个索引1数组的优点是访问速度快，缺点是插入和删除元素时效率较2低线性数据结构链表线性数据结构栈1先进后出类似于叠放盘子的方式2函数调用用于存储函数调用信息线性数据结构队列先进先出任务调度类似于排队买票的场景用于管理等待执行的任务树形数据结构二叉树二叉树是一种树形数据结构，每个节点最多有两个子节点，分别二叉树的优点是存储效率高，查找速度快，缺点是插入和删除元称为左子节点和右子节点素时需要调整树的结构树形数据结构二叉搜索树二叉搜索树是一种特殊的二叉树，它满足以下性质1左子节点的值小于根节点的值2右子节点的值大于根节点的值3所有子树也都是二叉搜索树4图形数据结构图的表示邻接矩阵用一个二维数组来表示图的连接关系1邻接表用链表来存储每个节点的邻居节点2图形数据结构图的遍历深度优先搜索（）从一个节点开始，沿着一条路径一直DFS向下遍历，直到遇到叶子节点或已经访问过的节点广度优先搜索（）从一个节点开始，一层一层地遍历，BFS直到遍历完所有节点计算机体系结构硬件基础计算机体系结构是研究计算机系统硬件的结构和组织方式，它定义了计算机的组成部分以及它们之间的交互关系主要组成部分包括、内存、存储设备、输入输出设备等CPU/的工作原理CPU取指令从内存中指令译码将指令执行指令执行指CPU CPUCPU读取指令转换为可以执行的操令，完成操作作写回数据将执行CPU结果写入内存内存的类型与管理内存是计算机中用于存储正在运行的程常见的内存类型包括、、操作系统负责管理内存资源，分配和回DRAM SRAM序和数据的存储器，它是一种高速、易等收内存空间，保证程序能够正常运行ROM失性的存储器存储设备硬盘与固态硬盘硬盘是一种机械存储设备，它利用磁性记录数据，价格较固态硬盘是一种电子存储设备，它利用闪存芯片存储数据，低，容量较大价格较高，容量相对较小，但读写速度更快、更耐用输入输出设备/键盘、鼠标、扫描仪、摄像头等设备用于输入数据1显示器、打印机、音箱等设备用于输出数据2操作系统计算机的管理者操作系统是一种系统软件，它管理计算机的硬件资源，为应用程序提供运行环境，方便用户使用计算机常见的操作系统包括、、、等Windows MacOS LinuxAndroid操作系统的作用与功能进程管理创建、调度、终止内存管理分配和回收内存空文件系统管理文件和目录网络管理管理网络连接和资进程间源共享安全管理保护系统安全进程管理进程是指正在运行的程序，它是一个动态的概念，包含了程序代码、数据和状态信息操作系统负责管理进程的创建、调度、终止等操作，并保证多个进程能够协同运行常用的进程调度算法包括先来先服务、最短作业优先、时间片轮转等内存管理分段管理2将内存空间划分为大小可变的段分页管理1将内存空间划分为固定大小的页面虚拟内存利用硬盘空间来扩展内存容量3文件系统文件系统是一种用来管理文件和目录的组织结构，它提供了一种访问文件和目录的接口常见的文件系统包括、、等FAT NTFSext文件系统负责管理文件的存储、访问和检索，保证数据的完整性和安全性计算机网络信息互联局域网1广域网2互联网3网络协议协议栈TCP/IP协议栈是互联网的核心协议，它定义了网络通信的规则1TCP/IP它由多个协议组成，包括、、、等2TCP IPUDP HTTP网络模型七层模型OSI常见的网络设备路由器交换机集线器负责数据包的转发负责数据包的交换负责数据包的广播网络安全保护信息网络安全是指保护计算机网络免受攻击和破坏，保证网络信常见的网络攻击方式包括病毒攻击、蠕虫攻击、木马攻击、息的完整性和可用性拒绝服务攻击等常见的网络攻击方式病毒攻击利用病毒程序来感染计算机系统，窃取信息或破坏系统1蠕虫攻击通过网络传播，自动复制自身，并攻击其他计算机2木马攻击通过伪装成正常程序，获取计算机的控制权，窃取信息或3破坏系统拒绝服务攻击通过向目标服务器发送大量请求，使其无法正常响应4合法用户防火墙的作用防火墙是一种网络安全设备，它位于网络的入口处，用于阻1止来自外部网络的攻击防火墙通过检查数据包的内容，识别恶意流量，并阻止其进2入内部网络加密技术加密技术是将信息转换为不可理解的形式，只有拥有密钥才能解密常见的加密算法包括对称加密、非对称加密、哈希加密等加密技术可以保护数据的机密性、完整性和真实性数据库数据的存储与管理数据管理2数据库系统提供各种操作数据的工具，例如查询、更新、插入、删除等数据存储1数据库系统用于存储和管理大量数据数据安全数据库系统负责保证数据的完整性、一3致性和安全性关系型数据库关系型数据库将数据组织成表格形式，每个表格称为关系关系型数据库使用语言来操作数据，具有结构化、易于管理、SQL数据一致性高等优点常见的关系型数据库包括、、等MySQL OracleSQL Server非关系型数据库非关系型数据库，也称为非关系型数据库更灵活、扩展性数据库，它不使用表格更强，适合处理海量数据、实时NoSQL结构来存储数据，而是使用其他数据等场景数据模型，例如文档、键值对、图等常见的非关系型数据库包括、、等MongoDB RedisCassandra语言SQL查询数据更新数据插入数据SELECT UPDATEINSERT删除数据DELETE软件工程构建可靠软件软件工程是一门学科，它将工程化的原则和方法应用于软件的开发、维护和管理软件工程的目标是生产出高质量、可靠、可维护的软件系统软件开发的生命周期软件开发的生命周期是指软件从规划、设计、开发、测试、1部署到维护的整个过程常见的软件开发模型包括瀑布模型、迭代模型、敏捷开发2等需求分析需求分析是软件开发的第一步，它用于明确用户对软件系统的需求，并将其转化为可实现的功能需求分析需要与用户进行充分的沟通，收集用户需求，并将其进行整理和分析设计模式工厂模式观察者模式单例模式用于创建对象用于实现对象之间的通信用于保证一个类只有一个实例测试与维护测试是软件开发的重要环节，它用于发常见的测试方法包括单元测试、集成测维护是指在软件发布后，对软件进行修现软件中的错误并进行修复试、系统测试、验收测试等改和更新，以适应新的需求或修复存在的错误人工智能让机器思考人工智能是指使计算机系统能够像人类一样思考、学习和解决问题人工智能包含多个领域，例如机器学习、深度学习、自然语言处理、计算机视觉等机器学习监督学习根据有标签无监督学习根据无标强化学习通过不断试的数据进行训练签的数据进行训练错和奖励机制进行训练深度学习深度学习是机器学习的一个分支，它使用多层神经网络来处1理数据深度学习可以处理更复杂的任务，例如图像识别、语音识2别、自然语言理解等自然语言处理自然语言处理是指让计算机理解和处理人类语言它包含许多应用，例如机器翻译、语音识别、情感分析等计算机图形学创造视觉世界计算机图形学是一门研究用计算机生成和处理图像的学科它包含图形、图形、图像处理等多个领域2D3D图形2D图形是指二维平面上的图像，例如线条、形状、文本等2D常见的图形软件包括、等2D Adobe Photoshop Illustrator图形3D建模创建三维模型渲染将三维模型转换为图像动画制作三维动画图像处理图像处理是指对图像进行分析、处理和操作，例如图像增强、图常见的图像处理软件包括、等AdobePhotoshopGIMP像压缩、图像分割、图像识别等理论计算机科学更深层次的思考理论计算机科学是研究计算机科学的理论基础，它包括计算理论、信1息论、编码理论等理论计算机科学为计算机科学的发展提供了理论框架，推动了计算机2科学的进步计算理论计算理论是研究计算机的计算能力和计算模型的学科1它研究了可计算性、算法复杂度、自动机理论等2信息论信息论是研究信息的度量、传输和处理的学科它研究了信息熵、信道容量、编码理论等编码理论编码理论是研究如何有效地编码和解码信息的学科它包括纠错码、数据压缩等计算机科学的伦理问题隐私保护如何保护用知识产权如何保护软算法偏见如何避免算户的信息安全件的版权法的歧视隐私保护隐私保护是计算机科学伦理的重要议题，它涉及到用户的个人信如何收集、存储、使用和保护用户的个人信息，是需要认真考虑息安全的问题知识产权知识产权保护是软件开发的重要问题，它涉及到软件的版权、专利1等如何保护软件的知识产权，并防止软件被盗版，是需要重视的问题2。