《计算机科学与技术》课件

计算机科学与技术课程导论欢来计术课课为计领迎到算机科学与技程本程旨在您提供算机科学域的全面识坚论础知体系，帮助您建立实的理基并掌握实用技能们将础论应内数结计我探索从基理到前沿用的广泛容，包括据构、算法、算机络领过习将计系统、网通信、人工智能等核心域通系统学，您了解算机科学历现状来趋势的发展程、与未什么是计算机科学学科定义核心关注点计计应计关组算机科学是研究算机及其算机科学注如何有效地储检用的系统性学科，涉及信息处理织、存、索和处理信息，研论础数结计编语的理基、运算方法、工程技究据构、算法设、程术应领对计软内时和用域它既包含算言和件工程等容，同探索质论计计论本的理研究，也包括设、算理的边界和可能性开应计践发和用算机系统的实活动学科特点计算机技术发展简史第一代计算机1945-1956为积庞产以电子管核心元件，体大，功耗高，运算速度慢代表性品有ENIAC，被称为数积计当电子值分算机，重达30吨，耗电量相于50个家庭的用电量第二代计算机1956-1963积缩采用晶体管替代电子管，体大幅小，功耗降低，运算速度提高IBM1401成为当时计为计开径最成功的商用算机之一，商业算辟了新途第三代计算机1964-1971进缩积计使用集成电路，一步小了体并提高了性能IBM System/360系列算机实现计为计了向上兼容的系列化设，成商业算的重要里程碑第四代至今1971-现在计算机科学的应用领域人工智能大数据习习专从机器学到深度学，从家系统到数组数语术大据分析帮助织从海量据中提取自然言处理，人工智能技正深刻改现们驾驶价值，实精确决策从金融风控到精变我的生活和工作方式自动、营销数疗诊断应开进准，从智慧城市到科学研究，大智能客服、医等用已经始术为竞阶据技已成各行业的核心争力入实用段自动化与物联网互联网与云计算产连计工业自动化提高了生效率，物联网技互联网接了全球信息，云算提供了术将数连来计资十亿设备接起智能家居、按需的算源电子商务、社交媒应传线领开这智慧工厂、智能农业等用正在改变体、在教育等域的发展都离不产态术统业形些技的支持本课程主要内容结构应用方向数络开计区链应术人工智能、大据、网发、云算、块等实际用技系统组成计结络数库识算机体系构、操作系统、网通信、据等系统知基础理论数结编语数逻辑础识据构、算法、程言、理等基知课础应层结坚论础计数数组计本程采用由基到用的次化教学构，首先确立实的理基，包括算机科学的学原理、据织和算法设然后学习计组软层应领将论识结算机系统的成原理，从硬件到件的各个次最后探索前沿用域，理知与实际需求相合计算机科学的发展趋势量子计算计传计难杂问题量子算利用量子力学原理，有望解决统算机以处理的复谷歌、现权来将码领带来IBM等科技巨头已实量子霸，未在密学、材料科学等域革命性突破区块链技术区链数储货币应链块提供了分布式、不可篡改的据存方式，除加密外，在供管数约领现理、字身份、智能合等域也展出巨大潜力人工智能进化认术层现标从感知智能到知智能，AI技正向更高次发展大模型的出志着通用人时将工智能代的曙光，重塑人机交互方式技术融合计领计算机科学正与生物学、医学、能源等域深度融合，形成新的交叉学科算疗绿计将为来热生物学、智能医、色算等新兴方向成未研究点学习方法与课程考核方式推荐学习资源考核评价标准•专数结计组计课论践结业教材《据构》、《算机成原理》、《算机本程采用多元化的考核方式，注重理与实相合络网》等经典教材•试绩础论•线质课期末考占总成的40%，考察基理掌握程度在平台MOOC、Coursera、Edx等优程平台•时绩巩课识•践资开项编训练平作业占总成的20%，固堂所学知实源GitHub源目、LeetCode程•课项绩评综应•术论数图书馆程目占总成的30%，估合用能力学文IEEE/ACM字、中国知网等•课现绩励积讨论•术区堂表占总成的10%，鼓极参与技社Stack Overflow、知乎、CSDN等交流平台二进制与数制转换数称数数应场制名基字表示用景进计内二制20,1算机部运算进权八制80-7Unix文件限进计数十制100-9日常进内颜十六制160-9,A-F存地址、色表示进计础计内识别状态们数转换别进进进二制是算机科学的基，由于电子元件的特性，算机部只能和处理0和1两种我需要掌握各种制之间的方法，特是二制与十制、十六制转换之间的进转进进转进则权开进进转换进对应进关十制二制采用除2取余，逆序排列的方法；二制十制使用按展求和；而二制与十六制之间的，可以利用4位二制1位十六制的系这转换计编计应快速完成些方法在算机程和硬件设中有着广泛用信息的表示与编码字符编码数值编码多媒体编码编码进数码码图ASCII使用7位二整可用原、反或像通常用RGB模型表码现计颜制表示128个基本字补表示，代算机示色，JPEG、PNG数码压缩符，包括英文字母、普遍采用补形式；浮等格式采用不同算数则标频则将连续字和符号而Unicode点按照IEEE754法；音的声语问题为数数解决了多言，能准，分符号位、指波采样成离散字信数过压表示世界上几乎所有文和尾三部分，能表示号，通MP3等格式围数缩储频图字，常见的UTF-8是一范更大的实存；视是像序编码组种变长形式，兼容列的合，常用H.264编码标ASCII等准算法与程序设计基础算法定义问题骤算法是解决的明确步序列，具有有限性、确定性、可行性、输入应当满壮读和输出五个基本特性好的算法足正确性、健性、可性、效计率等要求，是程序设的核心基本结构计结顺结骤执选择结程序设中的三种基本构序构（按步依次行）、执径环结执这构（根据条件行不同路）和循构（重复行某些操作）结组杂三种构可以合构建任何复的算法结构化程序设计结计调层过杂问题计构化程序设强模块化和次化，通分解复、设组简单来杂这模块接口、合功能构建复系统种思想有助于提高维程序的可理解性、可护性和可靠性经典算法示例冒泡排序快速排序简单过较选择将数组为冒泡排序是最的排序算法之一，通重复比相邻元素并交快速排序采用分治策略，一个基准元素，分小于和换顺虽现简归对进时不符合序的元素，使最大元素冒泡到末尾然实大于基准的两部分，然后递地两部分行排序平均间复单时杂为数时较杂为应，但间复度On²，在大据量效率低度On logn，是实际用中常用的高效排序算法for i=0to n-1function quickSortarr,low,highfor j=0to n-i-1if lowhighif a[j]a[j+1]pivot=partitionarr,low,highswapa[j],a[j+1]quickSortarr,low,pivot-1quickSortarr,pivot+1,high数据结构概述线性结构数组链栈队对线关包括、表、、列等，元素之间存在一一的性系树形结构树树对层关包括二叉、B、堆等，元素之间存在一多的次系图形结构图图络对状关包括有向、无向、网等，元素之间存在多多的网系散列结构过数将键储现通哈希函映射到存位置，实快速查找数结计内数逻辑关储选择数结对关应场据构是算机科学的核心容，它研究据的系、存方式和操作方法合适的据构程序效率至重要，不同的用景需数结数库树络赖图结缓则要不同的据构以优化性能例如，据索引常用B+，网路由算法依构，高速存采用哈希表线性表与链表顺序表数组链表特点特点•访问时杂•访问历时杂随机O1间复度随机需要遍，On间复度•时杂•仅针时杂插入删除需要移动元素，On间复度插入删除修改指，O1间复度•连续储内预•连续储态内预存存空间利用率高，但需先分配非存动分配存，无需先分配•场频访问较场•场频较访问场适用景繁随机，少插入删除的合适用景繁插入删除，少随机的合应顺现静态数结数组阵链则现态数结进在实际用中，序表常用于实据构，如、矩等；而表常用于实动据构，如操作系统中的程管理、内们还计单链链环链满应存管理等我可以根据需要设表、双表、循表等变体，以足不同的用需求栈与队列栈队列Stack Queue栈进线数结许栈顶队进线数结许队是一种后先出LIFO的性据构，只允在一端列是一种先先出FIFO的性据构，允在一端尾进队行插入和删除操作基本操作包括插入，在另一端首删除基本操作包括•将压栈顶•将队push元素入enqueue元素加入尾•弹栈顶•队pop出元素dequeue移除首元素•栈顶•队peek/top查看元素front查看首元素•断栈为•断队为isEmpty判是否空isEmpty判列是否空应场数调栈归现浏应场调缓队用景函用、表达式求值、括号匹配、递实、用景任务度、消息冲、广度优先搜索、打印机打印览进器的前后退等列等树与二叉树二叉树基本概念树节节树结节树二叉是每个点最多有两个子点的形构，包括根点、左子和右子树树满树树树特殊的二叉包括二叉、完全二叉、平衡二叉等二叉搜索树树满树节节树节二叉搜索足左子上所有点的值都小于根点，右子上所有点的节时内值都大于根点它能在Olog n间完成查找、插入和删除操作树的遍历历历历层历前序遍根-左-右；中序遍左-根-右；后序遍左-右-根；序遍层历应场按从左到右不同的遍方式适用于不同的用景应用实例树应编码组树领二叉广泛用于表达式解析、哈夫曼、文件系统织、决策算法等计数结域，是算机科学中极其重要的据构图与图算法图的存储方式图的遍历阵维数组顶邻接矩使用二表示点间的尽连关图深度优先搜索DFS可能深地探索接系，适合稠密；邻接表每个图层顶维链记录顶的分支；广度优先搜索BFS逐点护一个表，其相邻点，寻径图探索，适合找最短路适合稀疏最短路径算法其他经典算法单径问环图顶Dijkstra算法解决源最短路拓扑排序解决有向无的点排题对树；Floyd算法解决所有点最短路序；最小生成Prim和Kruskal算径问题络；Bellman-Ford算法可处理法；网流Ford-Fulkerson算法负权边的情况递归与分治思想1递归的基本概念归数调问题归终归问题递是一种函用自身的解决的方法，包含基本情况递止条件和递情况归质将杂问题为简单问题结问题分解递的本是复分解同类的子，适合处理具有自相似构的2经典递归示例数诺问题将盘斐波那契列Fn=Fn-1+Fn-2，初始条件F0=0,F1=1；汉塔n个子标为辅盘盘从起始柱移动到目柱，可以利用中间柱作助，每次只能移动一个子且大不能放在小盘上3分治法思想将问题为规较问题问题将结分治法分解若干个模小的子，解决子后果合并典型分治算法包括归数过归现并排序、快速排序、二分搜索、大整乘法等分治法通常通递实4递归优化归导栈计问题过态规记忆归术递可能致溢出和重复算等，可通动划、化搜索、尾递优化等技改进态规计数将数级时杂为线杂例如，用动划算斐波那契列可以指间复度优化性复度查找与排序方法详解二分查找哈希查找快速排序数组数将键数较二分查找是一种在有序中查找特定元哈希查找利用哈希函查找映射到快速排序是一种高效的比排序算法，平将围缩组时内时杂为素的高效算法，每次查找范小一索引，理想情况下能在O1间完成均间复度On logn它的核心思时杂为该关键问题选择过半，间复度Olog n算法要求查找哈希冲突是其，常用解决想是一个基准元素，通一次划分操数须访问应链开将数组为归据必有序且支持随机在实际方法有地址法和放地址法哈希表被作分两部分，然后递地排序子当数较频时应数库缓数组用中，据量大且查找繁，二分广泛用于据索引、存系统和符号快速排序的优化方向包括基准元素势别显现场选择规问题查找的优特明表实等景的策略和小模子的处理方法算法效率与复杂度程序开发流程需求分析标约项围这阶图数图辅确定系统目、功能需求、性能需求和束条件，明确目范和用户期望一段通常需要与客户或用户密切沟通，使用用例、据流等工具助分析系统设计计组详细计数结计计阶产图图时图包括架构设（确定系统件和交互）、设（定义据构、算法和接口）和UI设设段的出包括系统架构、类、序、界面原型等编码实现计档编写码现编码过应编规码质结编码读维根据设文代，实系统功能程遵循程范，注重代量，采用模块化、构化的程方法，确保代的可性和可护性测试与调试进单测试测试测试验测试现测试应测试驱开测行元、集成、系统和收，发并修复缺陷良好的具有全面性、可重复性和自动化，动发（TDD）是一种流行的试方法部署与维护将产环进维续续简这过系统部署到生境，并行长期护，包括修复缺陷、添加新功能和性能优化持集成和持部署（CI/CD）可以化一程主流编程语言介绍C/C++•级特点高效、低、接近硬件•应开戏用系统发、嵌入式系统、游引擎•势执内优行效率高，存控制精确•势习线内杂劣学曲陡峭，存管理复Java•对特点跨平台、面向象、强类型•应应开用企业用、Android发、Web后端•势编写态优一次，到处运行，生丰富•势对较内劣相慢，存占用大Python•简读释特点洁、易、解型•应数开用据分析、人工智能、Web发、自动化•势开库优发效率高，第三方丰富•势执劣行速度慢，GIL限制并发JavaScript•态驱特点动、弱类型、事件动•应应用Web前端、Node.js后端、移动用•势浏览栈开优器原生支持，全发•势语计编杂劣言设不一致，异步程复计算机系统基本组成应用软件办软戏浏览用户直接使用的程序，如公件、游、器等系统软件驱编译数库操作系统、动程序、器、据管理系统等硬件系统内储CPU、存、存器、输入输出设备、通信设备等计软结础软现冯诺结现计础储算机系统是硬件和件的有机合，硬件提供物理基，件提供功能实·依曼体系构是代算机的基，其核心思想是存数储内冯诺储程序，即程序和据存在同一存中·依曼体系包括五个基本部分运算器、控制器、存器、输入设备和输出设备这计执过储译码执计数这结简单在一体系下，算机行程序的程是从存器取出指令，指令，行指令，修改程序器指向下一条指令种构而通执计用，能够行各种不同的程序，是算机科学的重要里程碑处理器（）原理CPU取指令指令译码计数内CPU从程序器PC指示的存地址单将为控制元解析指令，确定指令类型和操取出指令，并PC更新下一条指令的数现线术这过缓作代CPU通常采用流水技，地址一程可能受到存机制的优阶执使多条指令的不同段能够并行行化执行指令写回结果术逻辑单执计将执结写内现算元ALU行算操作，或行果回到寄存器或存中访问内进数传执乱执术存行据输指令行可能代CPU可能使用序行等技提高效缓数时证结涉及寄存器、高速存或主存的据交率，同保果的正确性换计组负责执数现独执处理器是算机的核心件，行指令和处理据代CPU通常采用多核架构，每个核心都能立行指令流，大大提高了并计现还缓预测乱执进执行处理能力除了基本的算功能外，代CPU集成了高速存、分支、序行等先特性，以提高行效率内存与存储系统寄存器内储单访问CPU部的高速存元，速度极快，容量极小高速缓存Cache缓储为级位于CPU与主存之间的冲存器，通常分多L1/L2/L3主存储器RAM访问储区较较CPU能直接的工作存，容量大但速度慢辅助存储器盘态盘盘储硬、固硬、光等，容量大但速度慢，用于长期存计储层结辅储这层结执过算机的存系统采用次化构，从高速但容量小的寄存器到低速但容量大的助存器种次构基于程序局部性原理，即程序在行程中常常反访问数过缓复相同的据和指令通建立高速存，可以大大提高系统性能内内虚内虚内术内过内存管理是操作系统的核心功能之一，包括物理存管理和拟存管理拟存技使程序可以使用比物理存更大的地址空间，通存分页和页面置换内辅进数换算法，在物理存和存之间行据交输入输出设备输入设备输出设备输入输出控制方式•键盘过键•显觉•断状态通按输入文本和命令示器视输出的主要设备程序控制I/O CPU不轮询设备•标选择•将数为•断驱绪时鼠提供指点和功能打印机字信息输出硬拷贝中动I/O设备就通知CPU•进•扬乐•内访问触摸屏直接在屏幕上行操作声器播放声音和音DMA（直接存）设备直接与内换数预•摄图频•将图存交据，无需CPU干像头采集像和视信息投影仪像投射到大屏幕上•专•录语•绘图图I/O处理器用处理器管理I/O操作麦克风制声音和音仪输出高精度形•扫将图转换为数图•创维描仪实物像字像3D打印机建三物体操作系统基本概念进程管理内存管理创调终进现内现虚内建、度和止程，实多任务处分配和回收存空间，实拟存和现进执转换过术理代操作系统支持多程并发地址通分页或分段技，提供资行，有效利用CPU源更大的地址空间设备管理文件管理计驱创访问录控制算机外设的工作设备动程序建、和管理文件与目文件系当数逻辑组储充操作系统和硬件之间的接口，处理统提供了据的织和存方式，级权数低的设备通信支持限控制和据共享计软应软为资访问计资操作系统是算机系统的核心件，位于硬件和用件之间，用户程序提供统一的源接口它的主要功能是管理算机内储稳源（处理器、存、存和I/O设备），提供用户界面，以及确保系统安全和定运行进程与线程管理进程线程•执独•进内执单进定义程序的一次行实例，拥有立的地址空间定义程的行元，共享程的地址空间•资单独•调单轻级特点源分配的基本位，相互立特点CPU度的基本位，量•状态绪终•状态创绪终新建、就、运行、阻塞、止建、就、运行、阻塞、止•进队内•访问锁通信程间通信IPC机制，如管道、消息列、共享存通信可直接共享变量，同步机制包括互斥、信号等量、条件变量等•开销创换开销较•开销创换开销建和切大建和切小进调调来级调时转程度是操作系统的核心功能，常见的度算法包括先先服务FCFS、短作业优先SJF、优先度、间片轮RR等并编问题锁锁饥饿计来发程中，需要处理好互斥和同步，避免死、活和等并发缺陷随着多核处理器的普及，并行算变得越越重要，各编应种并行程模型如OpenMP、MPI和CUDA等得到广泛用文件系统与资源管理文件组织数逻辑单内访问权组层文件是据的位，由文件名、容、属性和限等成文件系统提供了次化的录结创读写目构，支持文件的建、、删除等操作常见的文件系统有Windows的NTFS、Linux的ext4和Apple的APFS等存储管理盘储连续链现文件在磁上的存方式包括分配、接分配和索引分配等代文件系统采用块分配，过图闲链闲缓访问现数通位或空表跟踪空空间，使用存机制提高效率，并实日志功能保障据一致性设备管理过驱驱为操作系统通设备动程序与各种硬件交互，提供统一的设备接口设备动分字符设备键盘标盘负责读写释（如、鼠）和块设备（如硬）两类，设备管理系统设备分配、初始化、和放等操作资源分配时内带宽资时锁资操作系统需要高效公平地分配CPU间、存空间、I/O等源，同避免死源分权应时标针对时配策略需要衡吞吐量、响间、公平性等多个指，不同类型的系统（如实系统、批处理系统）采用不同的策略计算机网络基础网络定义与分类计络连计围为结为算机网是互的算机系统的集合，可按覆盖范分局域网LAN、城域网MAN和广域网WAN；按拓扑构分线环状传术为对络总型、星型、型和网等；按输技分广播网和点点网网络模型层络论础层数链层络层传层话层OSI七模型是网通信的理基，包括物理、据路、网、输、会、表示层应层应简络层层传层应层和用TCP/IP模型是实际用的化版，包括网接口、互联网、输和用协议与标准络协议规则数传顺错误3网是通信的集合，定义了据格式、输序、处理标组们等重要的准化织包括ISO、ITU、IEEE和IETF等，它制定了各络标协议规种网准和范计络为现础资计应络术历带算机网已成代社会的基设施，支持着信息共享、源共享和分布式算等用从最初的ARPANET到今天的互联网，网技经了从窄宽带线线闭开过缘计术络围应场将进扩到、从有到无、从封到放的演变程随着物联网、5G和边算等新技的发展，网的覆盖范和用景一步展网络传输原理数据封装数络传时应层过层层据在网中输，从用向下经各，每都会添加自己的头部信息，形成层层结这过称为当数层过嵌套的构一程封装据到达目的地后，会从物理向上经各层层终将数给应，逐解封装，最原始据交用程序分组交换组换现络将数组进传分交是代网的基本工作方式，据分成小块（分或包）行输每个组独络分包含源地址、目的地址和序号等信息，可以立地在网中路由，到达目的地后组换组换重新装与电路交相比，分交更灵活高效路由选择选择络径过数路由是网路的程，由路由器根据路由表决定据包的下一跳路由算法分为静态态应络协议路由和动路由，后者能自动适网拓扑变化常见的路由有RIP、们标计径OSPF和BGP等，它使用不同的度量准算最佳路传输介质传质数传线绞线轴线输介是据递的物理通道，包括有（双、同电缆、光纤）和无（无线红线质带宽传电波、微波、外）两大类不同介具有不同的、输距离和抗干扰能力，络环适用于不同的网境物理层与数据链路层物理层数据链路层主要功能主要功能•连•将组帧定义物理接的机械、电气和功能特性比特流织成•规编码传•错检测定信号方式和输速率差与控制•数传单•访问据输位是比特bit流量控制和控制•数传单帧关键术据输位是frame技关键术•传质绞线轴技输介双、同电缆、光纤等•编码编码编码•术信号曼彻斯特、NRZ等以太网Ethernet最广泛使用的局域网技•时频•标识络多路复用分复用TDM、分复用FDM等MAC地址48位的物理地址，网设备•载侦访问检测CSMA/CD波听多路/冲突•换转帧交机根据MAC地址发网络层与协议IP寻址方法路由与转发原理协议特点IP IP为为数传径过协议协议连IPv4地址长度32位，分5类A,B,C,路由是决定据包输路的程路由IP是TCP/IP族的核心，提供无为组进数维记录络尽为数传数D,E，通常表示四十制，如器护路由表，目的网与下一跳的接、力而的据包输服务IP据络对应关当数时

192.

168.

1.1IP地址由网号和主机号系收到据包，路由器根据包包含版本、头部长度、服务类型、总长组过码区协议证传成，通子网掩分由于IPv4地址目的IP地址查找路由表，确定下一跳，并度等字段IP不保可靠输，丢尽扩转数协议内乱问题层协议空间耗，IPv6采用128位地址，极大发据包常见的路由包括部网包、重复、序等需要上解进寻关协议关协议协议还组应展了地址空间，并改了址方案和安全RIP,OSPF和外部网决IP支持分片和重，适不同络性BGP网的MTU限制传输层与TCP/UDP应用层协议与服务HTTP/HTTPS电子邮件协议DNS传协议将读超文本输是Web SMTP用于发送邮件，域名系统人类可的础请的基，基于求-响POP3和IMAP用于接收域名如应载模式HTTP/

1.1引邮件POP3下邮件www.example.com连则转换为入持久接，HTTP/2到本地，IMAP保留IP地址DNS使这协层数库结支持多路复用，邮件在服务器些用分分布式据协议议过归HTTP/3采用QUIC共同支持全球电子邮构，通递查询和迭过HTTPS通TLS/SSL件系统，是最早的互联代查询解析域名，是互应关键础加密，提供安全通信，网用之一联网的基设施数防止据被窃听和篡改FTP/SFTP传协议文件输用于在客传户端和服务器之间输连文件，使用控制接和数连据接分离的方式协议SFTP在SSH上提传供安全文件输，保护内认证文件容和身份网络安全与防护常见网络攻击加密技术•绝击过•对称钥拒服务攻DoS/DDoS通大量加密AES、DES，速度快但密请标资难求消耗目源分发困•击获内•对称钥中间人攻截并可能修改通信容非加密RSA、ECC，解决密分问题•钓击伪获发鱼攻装成可信实体取敏感信息•数•数库获哈希函MD

5、SHA，用于消息摘要SQL注入利用据查询漏洞取敏验证数和完整性感据•数证书将钥绑档•击恶字公与身份定的电子文跨站脚本攻XSS在网页中注入意脚本防护措施•过滤络权访问防火墙网流量，阻止未授•检测监络现为入侵系统IDS控网活动，发可疑行•虚专络过连络拟用网VPN通加密通道安全地接网•访问验证权审计控制身份、授和机制•时软安全更新及修补系统和件漏洞无线移动网络与物联网技术与蓝牙5G WiFi术数线络术标第五代移动通信技提供高达10Gbps的WiFi是局域无网技，最新的WiFi6迟级规连蓝据速率、超低延1毫秒和大模接能准提供更高吞吐量和更好的拥塞管理牙络频线术蓝力5G网采用毫米波段、密集小基站和是短距离无通信技，牙

5.0大幅提升了1规术宽带传蓝大模MIMO等技，支持增强移动输距离和速度，牙低功耗BLE版本适迟规这术eMBB、超可靠低延通信URLLC和大用于物联网设备些技在智能家居、个应场领应模机器类通信mMTC三大用景人电子设备等域广泛用物联网应用案例过连监环监物联网IoT指通互联网接的物理设备网物联网已在智慧城市交通控、境络换数3测监，能够采集和交据物联网架构通常、智能家居家电控制、安防控、智能层传络层协议应监预测维疗远包括感知感器、网通信和工厂设备控、性护、智慧医层数缘计将数监领应用据分析和控制边算据处程护、药物跟踪等众多域得到用，正络缘数传迟们理能力下沉到网边，减少据输延在深刻改变人的生活和工作方式带宽和需求云计算与大数据云计算服务模型云计算部署模型•础虚计•营IaaS基设施即服务提供拟化的公有云由第三方提供商运，多租户共储络资础算、存和网源，如Amazon EC

2、享基设施•专单组阿里云ECS私有云供个织使用，可自行管理•开应PaaS平台即服务提供发和部署或由第三方托管环•结势用的平台境，如Google AppEngine、混合云合公有云和私有云的优，允软许数应微Azure据和用在两者间移动•软过络应软•区区础SaaS件即服务通网提供用社云由特定社共享的云基设施件，如Office

365、Salesforce•数执码FaaS函即服务按需行代片段，无需管理服务器，如AWS Lambda大数据特征5V•规数级别Volume模据量巨大，通常达到TB或PB•数产Velocity速度据生和处理速度快•数结结结数Variety多样性据类型丰富，包括构化、半构化和非构化据•数质问题Veracity真实性据量和准确性的•数Value价值从据中提取有用信息和洞察数据库原理与应用关系型数据库非关系型数据库关组数传针对数应场特点基于系模型，使用表、行、列织据，支持ACID特性特点不使用统表格模型，特定据类型和用景优化，通语扩（原子性、一致性、隔离性、持久性），使用SQL查询言常具有更好的可展性和性能代表系统主要类型•开应数库•键储MySQL源、流行的Web用据值存Redis，DynamoDB•级数库•档储Oracle企业据，功能强大文存MongoDB，CouchDB•软开数库•储SQL Server微发的商业据列族存Cassandra，HBase•开数库•图数库PostgreSQL功能丰富的源据据Neo4j，JanusGraph结语关数库标语数语数语数语语SQL构化查询言是系型据的准言，包括据定义言DDL、据操作言DML和据控制言DCL基本SQL句示创数数数数例建表CREATE TABLE、插入据INSERT INTO、查询据SELECT FROMWHERE、更新据UPDATE SETWHERE和删除据DELETE FROMWHERE选择数库时应虑数结扩开队验现应数库在据类型，考据构、一致性要求、查询模式、展性需求和发团经等因素代用常采用多模式据或混合架结数库势构，合不同类型据的优网络应用开发基础前端开发开关结为前端发注用户界面和交互，主要使用HTML构、CSS样式和JavaScript行三术现开们组开种技代前端发常用框架包括React、Vue.js和Angular，它提供件化发和状态应计渐进应当术趋势管理等功能响式设和式Web用PWA是前前端技的重要后端开发开逻辑数储编语后端发处理业务、据存和API服务，常用的程言包括Java、Python、简开PHP、Node.js等后端框架如Spring Boot、Django、Laravel和Express.js化了过计发程RESTful API和GraphQL是设Web服务接口的主要方法数据库交互络应数库储检数对关网用需要与据交互，存和索据ORM象系映射工具如Hibernate、简数库数库连SQLAlchemy和Eloquent化了据操作据事务、索引优化和接池是提高性关键术能和可靠性的技部署与运维术编现应弹缩续容器化技Docker和排平台Kubernetes实了用的快速部署和性伸持续测试监开集成/持部署CI/CD自动化了和发布流程控、日志和性能分析工具帮助发者识别问题和解决人工智能与机器学习导论通用人工智能习应能够理解、学和用任何智力任务的系统特定领域AI现专在特定任务上表出色的用系统机器学习数习进术从据中学并改的算法和技数据与统计分析识别关础模式和系的基方法计创为习术计数习编人工智能AI是算机科学的分支，旨在建能够模拟人类智能行的系统机器学ML是AI的核心技，它使算机系统能够从据中学，无需明确习为监习监习习程机器学方法主要分督学、无督学和强化学三大类领应计觉图识别驾驶语译内产疗诊断AI已在各个域取得突破性用，包括算机视像、自动、自然言处理机器翻、智能助手、推荐系统容推荐、品推荐、医疾检测评计进术断扩应场病、药物研发和金融科技风险估、算法交易等随着算能力的提升和算法的步，AI技正迅速发展并不展用景深度学习与神经网络输入层数图层数维接收原始据，如像像素、文本向量或声音特征输入的神经元量等于输入特征的度隐藏层执转换层络隐层过权层连行特征提取和的中间，深度网具有多个藏每个神经元通重与上一接，并应数线用激活函（如ReLU、Sigmoid）引入非性输出层产终预测结数归生最果，输出形式取决于任务类型分类任务通常使用Softmax激活函，回任务可线能使用性输出训练过程过传权损数训练标记数计资通反向播算法和梯度下降优化重，最小化失函需要大量据和算源，通常使用GPU或TPU加速积络专为状数图计过积层层连层卷神经网CNN处理网格据如像设，通卷、池化和全接提取空间特征典型CNN们图标检测图现包括LeNet、AlexNet、VGG、GoogleNet和ResNet等，它在像分类、目和像分割等任务中表出色环络数过维内状态时赖关记忆络环单循神经网RNN处理序列据，通持部捕捉间依系长短期网LSTM和门控循元传问题语语识别时预测领应GRU解决了统RNN的梯度消失，在自然言处理、音和间序列等域广泛用自然语言处理与计算机视觉自然语言处理计算机视觉NLP CV语计语关键术计觉计觉自然言处理使算机能够理解、生成和处理人类言技算机视使算机能够理解和处理视信息主要任务包括包括•图识别图对别像分类像中的象类•词将单词为•标检测识别图对嵌入Word2Vec、GloVe等映射向量目定位和像中的多个象•语预测单词•图将图为区言模型文本中的下一个或字符像分割像分有意义的域•标识别词标•态计序列注用于命名实体、性注等姿估确定人或物体的空间位置•语•图创图现图义分析理解句子和文本的含义像生成建新的像或修改有像•译语译•频频机器翻多种言之间的自动翻视理解分析视中的动作和事件•识别倾情感分析文本中的情感向积络•问语问题深度卷网是CV的主要方法，YOLO、SSD和Mask R-CNN等算时标检测现对络答系统自动回答自然言法在实目和实例分割方面表出色生成抗网GAN扩图领语当和散模型在像生成域取得了令人印象深刻的成果Transformer架构和大型言模型如BERT、GPT是前NLP的术前沿技，在多种任务上取得了突破性成果区块链技术原理共识机制区块结构识络区链状态区链连区组共机制确保网参与者就块块由一系列相的块成，每个证区区区时达成一致主要机制包括工作量明块包含块头前一块哈希、间权证权权证数树数PoW、益明PoS、授益戳、随机、默克尔根和交易据2错区过码链明DPoS、实用拜占庭容PBFT块通密学哈希接，形成不可篡链结等不同机制在安全性、去中心化程度改的式构和能源效率方面各有优劣应用场景智能合约4区链术货币约执满预块技在金融服务加密、支付智能合是自动行的程序，在足结应链产伪时执约算、供管理品溯源、防、定条件行定的操作以太坊是最疗历约医健康病管理、药品追踪、政府知名的智能合平台，Solidity是其主认证领开语约区链简单服务电子投票、身份等域有广要发言智能合使块从应账为编泛用潜力的分布式本发展可程平台量子计算基础量子比特Qubit计单状态量子比特是量子算的基本位，不同于经典比特的0或1，量子比特可以处于

0、1的叠加态状态计一个n量子比特系统可以表示2^n个的叠加，具有巨大的并行算潜力例如，一个50量计论时状态子比特的量子算机理上可以同处理2^50个量子叠加与纠缠时状态纠缠则状态关量子叠加使量子比特可以同表示多个，而量子是两个或多个量子比特的相互独现这计势础现难联，无法立描述的象些量子特性是量子算优的物理基，但也增加了实度，因为状态环质量子极其脆弱，容易受境干扰而失去量子性量子算法问题数对现量子算法利用量子特性解决特定Shor算法可以高效分解大整，有加密系统构成潜在胁为结数库级威；Grover算法无构据搜索提供平方加速；量子模拟算法可以有效模拟量子系统行为计应，在材料科学和药物设中有重要用发展前景计码问题计领带来计量子算机在密学、优化、药物设和材料科学等域有望变革但目前量子算仍阶临错误扩术战权处于早期段，面量子相干性保持、校正和可展性等技挑量子霸quantum计计计supremacy是量子算发展的重要里程碑，表示量子算机在特定任务上超越经典算机虚拟现实与增强现实虚拟现实增强现实VR AR虚现创数环过显现将数过镜拟实造一个完全沉浸式的字境，用户通头设备与增强实字信息叠加在真实世界之上，通智能眼或手机虚组验拟世界交互VR系统的核心件包括提供混合体AR系统主要包括•显觉•显术摄显头戴式示器HMD提供立体视效果示技透视式或像式示设备••环摄传惯测单运动追踪系统跟踪用户头部和身体动作境感知像头、深度感器、性量元••图术输入设备手柄、手套、体感控制器等空间定位SLAM同步定位与地构建技•帧迟觉内•内将虚现场渲染系统生成高率、低延的视容容叠加拟物体准确放置在实景中产主要平台包括Meta Quest、HTC Vive、PlayStation VR等代表品包括Microsoft HoloLens、Google Glass和Apple戏娱乐训疗虚议领导维疗术辅VR在游、教育培、医康复和拟会等域有广泛Vision Pro等AR在零售航、工业修、医手助和教应领现用育等域展出巨大潜力现许虚现时来趋势轻图混合实MR介于VR和AR之间，允拟和实世界的物体实交互未包括更便的设备、更自然的交互方式、更高的质觉馈术像量和更丰富的触反，以及与AI、物联网等技的深度融合智能机器人与自动化机器感知控制与执行智能制造应用围环将转为应机器人感知系统使其能够理解周境，主要机器人控制系统感知信息化行动指令，工业机器人在汽车、电子、食品等行业广泛觉传红径规执执包括视感器相机、激光雷达、外、听包括路划、运动控制和任务行控制理用，行焊接、装配、搬运等任务智能工厂觉传觉传压论馈应过数孪预测维应产线感器麦克风、触感器力、温度和、反机制和自适算法确保机器人能够准通字生、性护和自适生提传传术稳现定位感器GPS、IMU多感器融合技确、定地完成任务代机器人引入了柔性高效率和灵活性机器人流程自动化RPA和鲁环术认术扩有助于提高感知准确性和棒性境建模和机构和力控制技，使其能够安全地与人类和知自动化技正在展到服务业，自动化客标识别来协计数来目是感知系统的核心任务，越越多地脆弱物体交互作机器人Cobots设用于户服务、据处理和分析等工作未发展方习检测协采用深度学方法提高性能直接与人类共同工作，配备碰撞和力限制向包括更灵活的通用机器人、群体作和自主习功能学能力计算机科学的伦理与安全数据隐私数时来数隐关组随着大据代的到，个人据私保护变得至重要企业和织需要遵守GDPR、CCPA等隐规数隐计则数应当获私法，采取据最小化、匿名化、私设等原据收集、处理和共享透明，并隐术隐态术得用户明确同意私增强技如差分私、同加密等提供了技保障人工智能伦理释问责伦讨论导AI系统的公平性、可解性、透明度和制是理的核心算法偏见可能致歧视，需要检测轻应释诉驾驶采取措施和减自动决策系统提供合理的解和上机制自动汽车和自主武器系临伦讨论伦则为关统面的理困境需要社会广泛AI治理框架和理准日益成行业和政策注的焦点网络安全责任开负数责编写码发者和企业有保护系统和据安全的任，包括安全代、定期更新补丁和实施有效的应计对时问题关关键安全控制安全漏洞披露政策和响划于及修复至重要随着物联网设备和基础连严标测试设施的接性增强，安全风险也在增加，需要更格的安全准和数字素养与教育数养识术伦问题关键应将计伦纳课提高公众的字素和安全意是解决技理的学校和大学算机理入养维断术专员应则将程，培学生的批判性思和道德判能力技业人遵守行业道德准，社会影响考虑纳术计开过入技设和发程行业现状与就业趋势学科学习规划建议打牢基础1数结计组计练应议选质课时过项践据构、算法、算机成原理和操作系统是算机科学的基石，需要深入理解并熟用建修高量的核心程，同通目实编训练和程强化概念理解专业方向探索2场选择专习过选课线习开项根据个人兴趣和市需求，1-2个业方向深入学可以通修程、上学平台如Coursera、edX、源专识目参与等方式拓展业知实践与应用积习项开区竞赛将论识应问题践验仅极参与实、科研目、源社和活动，理知用到实际中实经不能增强还竞技能，能拓展人脉和提高就业争力持续学习与成长计续关态术养终习习惯专制定个人发展划，持注行业动和新技，培身学的加入区术识业社，参与技交流和分享，建立自己的知管理系统质习资计质开课习推荐优学源包括算机科学自学指南CS自学指南、TeachYourselfCS、高量的放程MIT OCW、Stanford Online、互动学平台LeetCode、术区议计计赛赛锻践HackerRank和技社GitHub、Stack Overflow建利用学校提供的ACM/ICPC、互联网+、中国大学生算机设大等比平台炼实能力课程总结与展望10+50+核心知识领域实用技能编计问题从算法到人工智能的全方位覆盖程、设与解决能力∞发展可能性创职无限的新与业发展空间课绍计术础论术应计论数结本程系统介了算机科学与技的基理、核心技和前沿用，从算理、据构计结络计区链与算法入手，到算机体系构、操作系统、网通信，再到人工智能、云算、块等新兴术识技，建立了完整的知体系来术场创将计脑展望未，技融合、景新和价值重塑是行业发展的主旋律量子算、类芯片、6G网络术势数态为计等前沿技蓄待发，字经济、智能制造、元宇宙等新业方兴未艾作算机科学的学习践应当开维终习态负责态术者和实者，保持放的思、身学的度和任的度，在技浪潮中把握机创为进贡遇，造价值，科技步和社会发展献力量。