本书是基于美国计算机学会（ACM）推荐的CS0课程设计的，涵盖了计算机科学的所有领域，堪称计算机百科全书。全书以通俗易懂的方式全面阐述了计算机科学的方方面面，勾画出计算机科学体系的框架，为有志于IT行业的读者奠定计算机科学知识的基础，铺设深入学习专业理论的桥梁。
“这是一本条理清晰并且深入浅出的教科书，这部教科书包含传统和现代计算机的基本原理。”
—— Sam Ssemugabi, 南非大学计算机学院资深讲师
“本书并没有局限于计算机课程的入门班，对所有本科专业都很重要。本书不仅有助于激发学生对于计算机科学前期研究的兴趣，而且对于希望快速掌握或回顾某一特定课题的研究者来说，也是一本很好的参考手册。”
—— Ronald Chikati，非洲博茨瓦纳会计学院讲师
《计算机科学导论》是国外计算机等IT相关专业本科生的一本基础课教材，也是一本非常经典的计算机入门读物。作为一本百科全书式的计算机专业基础入门读物，书中涉及计算机科学的方方面面。虽然读者对象是计算机专业的学生，但这本书深入浅出，引人入胜，勾画出计算机科学体系的框架，为有志于IT行业的学生奠定计算机科学知识的基础，架设进一步深入专业理论学习的桥梁。
本书是基于美国计算机学会（ACM）推荐的CS0课程设计的，从广度上覆盖了计算机科学所有的领域，既适合国内大专院校用作计算机基础课教材，也可以供有意在计算机方面发展的非计算机专业读者作为入门参考。
本书第3版与时俱进，根据课程要求进行修改，新增内容包括
网络的高速发展以及在计算机科学研究中的运用。
新的安全问题。
计算机技术领域的最新进展。
作者简介
贝赫鲁兹·佛罗赞（Behrouz Forouzan） 毕业于加州大学欧文分校，在工业界和教育领域具有30多年的研发和教学经验。在离开工业界后，他在德安扎学院（De Anza College）担任计算机科学教授，现已退休。除了这本教材之外，他还编写了该学科的多部畅销教材。
计算机在我们的日常生活中扮演了一个重要的角色，而且在未来也将一样。计算机科学是一个充满了挑战和发展机遇的年轻学科。计算机网络将处在地球上每一个角落的我们连接在一起。虚拟现实创造了炫目的三维图像。宇宙空间探险的成功也部分归功于计算机的发展。计算机创建的特技效果改变了电影行业。计算机在遗传学研究中也扮演了一个重要的角色。
本书读者对象
这本书同时面向学术的和专业的读者。本书可以作为感兴趣的专业人士的自学指南。作为教材，本书包含一学期（semester）或一学季（quarter）的教学内容，是计算机科学的入门教程。本书是基于美国计算机学会（ACM）推荐的CS0课程设计的。它从广度上覆盖了计算机科学所有的领域。其他领域的学生需要对计算机科学有大致的了解时，无论是从本书中选读部分内容还是通读全书，都有帮助。
第3版中的改动
在本版中我进行了以下几类修改。
1.修订的章节和附录
针对教学目的，对本书中的两章和附录进行了全面的修订。
（1）第6章
为了更便于初次接触计算机网络的学生进行理解，第6章的内容采用自顶向下的教学方法进行修订。
（2）第16章
对于第一次接触计算机科学的学生而言，安全的概念普遍较难接受。该章修订后的内容更通俗易懂。
（3）附录F
该附录修订后的内容增加了三种计算机语言（C、C++和Java）的一些简易程序例子。
2.部分章节中的细微变化
基于书评者的建议，部分章节的格式和内容进行了细微的修改，并且部分章节中增加了一些新的技术。
3.章末材料的变化
章末材料主要经历了以下两个主要的变化：
每章最后的多选题被删去了，增加了在线小测验，这样无论对老师检查教学成果，还是学生进行检验都方便许多。
每章结尾增加了在线小程序来帮助学生发现一些问题的可视化解决方法。
组织
这本书由18章和8个附录构成。
1.章节
章节的作用是提供基本的学习材料，但并不是书中的每一个章节都对学生有利用价值。教这门课的老师可以自主选择教学用的章节。我们会在后面提供一份教学指南。
2.附录
附录的作用是为理解书中讨论的概念所需的材料提供一个快速的参照或复习。本书中有8个可供学生参照和学习的附录。
3.缩略语
本书包含一份缩略语表来帮助快速寻找到对应的术语。
4.术语表
为了使学生熟悉书中使用的术语，本书提供一份广泛的术语表。
教学法
本书中的部分教学法是为使学生可以非常简便地理解书中内容而设计的。
1.图文并茂
本书图文并茂，而且不使用复杂的公式来展示高深内容。本书附图超过400幅，以便读者形象而直观地了解本书内容。图片对于解释构成整体的各组件之间的关系极为重要。对于很多学生来说，这些概念通过图片相比文字更容易掌握。
2.重点
把重要的概念放在阴影框中以便快速参考和即时注意。
3.范例和应用
在合适的情况下，在书中引入了可以说明概念的例子。
4.算法
第3版增加了几十个算法，有助于学生熟悉问题求解和编程。
5. UML
本书通篇使用UML图以使学生熟悉该工具，因为这已经成为业界的实际标准。
6.章末材料
每一章以一系列材料结尾，包括以下部分：
（1）推荐读物
这部分给出该章推荐书目列表。这些列表也用于参考引用。
（2）小结
每章结尾的小结都包括了对该章中所有内容的概括。小结把该章最重要的内容都整合在一起以便阅读。
7.练习
每章包括为强化重要概念同时鼓励学生进行实践而设计的练习。练习包括四部分内容：小测验、复习题、练习题和小程序。
（1）小测验
本书网站上的小测验提供对概念掌握情况的快速测试。学生可以通过这些小测验来检测对所学内容的理解。
（2）复习题
这个部分包括与书中讨论到的概念有关的简单题。本书网站上为学生提供了奇数编号复习题的答案以供核对。
（3）练习题
这一部分包括难度更大的题目，这些题目的求解需要对该章讨论的内容有更深层次的理解。我强烈推荐学生去尝试求解这部分的全部题目。奇数编号练习题的答案也已经公布在了本书网站以便学生进行核对。
（4）小程序
Java小程序是作者编写并发布在网站上的交互式试验。这里的小程序有些用于更好地理解部分练习题的解答，而有些则用于更好地通过实践理解网络的概念。小程序是为了简化对部分范例的理解而专门设计的。
教师资源
本书为教该课程的老师提供完整的以下教学资源。他们可以从本书网站下载。
1.演示文稿
本书网站为教授该课程的老师提供了一系列彩色的、动画式的幻灯片演示文稿。
2.练习的答案
本书网站为教授该课程的老师提供了所有复习题和练习题的答案。
如何使用本书
本书的章节提供了较大的灵活性组织。我建议以下几点：
第1～8章内容对理解本书剩下内容而言是必要的。
如果时间允许，可以教授第9～14 章内容。在学季制（quarter）中这些内容可以省去。
第15～18章内容的教授应该基于学生的专业和老师的辨别力进行选择。
致谢
显而易见，一本这样的教材得以出版需要很多人的支持。
1.书评人
我要感谢为本书的发展做出贡献的书评人，他们是：
南非大学的Sam Ssemugabi
博茨瓦纳会计学院的Ronald Chikati
林波波大学的Alex Dandadzi
埃因霍温科技大学的Tom Verhoeff
比勒陀利亚大学的Stefan Gruner
英国白金汉大学的Harin Sellahwea
威尔士大学的John Newman
Birbeck学院的Steve Maybank
斯特灵大学的Mario Kolberg
伍斯特大学的Colin Price
伦敦城市大学的Boris Cogan
希尔德斯海姆大学的Thomas Mandl
南非大学的Daphne Becker
阿卜杜拉国王大学的Osama Abulnaja 和 Lubna Fekry Abdulhai
利物浦大学的Katie Atkinson
2.出版社的人
特别感谢出版社的工作人员：Andrew Ashwin、Annabel Ainscow、Jennifer Grene、Alison Burt。
Behrouz A. Forouzan
加利福尼亚州，洛杉矶
写于2014年1月
计算机科学及应用
“这是一本条理清晰并且深入浅出的教科书，这部教科书包含传统和现代的计算机基本原理。”——Sam Ssemugabi, 南非大学计算机学院资深讲师
“本书并没有局限于计算机课程的入门班，而是对所有本科专业都很重要。本书不仅有助于激发对于计算机科学前期研究的兴趣，而且对于希望快速掌握或回顾某一特定课题的研究者来说，也是一本很好的参考手册。”——Ronald Chikati，非洲博茨瓦纳会计学院讲师
《计算机科学导论》是一本国外计算机等IT相关专业大学生的基础课教材，也是非常经典的一本计算机入门读物。作为一本百科全书式的计算机专业基础入门读物，书中涉及到计算机科学的方方面面。虽然读者对象是计算机专业的学生，但这本书却深入浅出，引人入胜，勾画出计算机科学体系的框架，为有志于IT行业的学生奠定计算机科学知识的基础，架设进一步深入专业理论学习的桥梁。
本书是基于美国计算机学会（ACM）推荐的CS0课程设计的，从广度上覆盖了计算机科学所有的领域，既适合国内大专院校用作计算机基础课教材，也可以供有意在计算机方面发展的非计算机专业读者作为入门参考。
本书第3版与时俱进，根据课程要求进行修改，新增内容包括：
网络的高速发展以及在计算机科学研究中的运用。
新的安全问题。
计算机技术领域最近的进步。
[美]贝赫鲁兹 A.佛罗赞（Behrouz A.Forouzan）著：贝赫鲁兹 佛罗赞（Behrouz A. Forouzan） 毕业于加州大学欧文分校，具有30多年在工业界和教育领域的研发和教学经验。在离开工业界后，他加入德安扎学院（De Anza College）担任计算机科学教授，现已退休。除了这本教材，他还编写了该学科的多部畅销教材。
刘艺 刘哲雨 等译：暂无简介
从我2004年翻译《计算机科学导论》第1版到2015年翻译该书第3版，已经过去12个年头了。12年对应12地支，恰巧是中国传统的一个生肖轮回。期间发生了许多事情，包括和我一起翻译《计算机科学导论》第2版的瞿高峰博士在第2版新书上市前不幸遇难，以及我父亲病故。12年，许多大学生读完这本教材跨进计算机领域，毕业工作，成就自己的IT事业。12年，我们见证了计算机行业的飞速发展，从桌面应用到互联网应用，再延伸到移动应用，在我们的工作和生活中几乎无孔不入。12年，我的孩子也已经长大成人，并能怀着浓厚的兴趣协助我一起翻译。
《计算机科学导论》是国外计算机等IT相关专业大学生的基础课教材，也是非常经典的一本计算机入门读物，通常供大学低年级学生使用。该教材是一本百科全书式的计算机专业基础入门读物，涉及计算机科学的方方面面。虽然读者对象是计算机专业的学生，但这本书深入浅出，引人入胜，决无一般教科书的枯燥和晦涩，所以也适合非计算机专业人员阅读。作者的用意显然是轻松勾画出计算机科学体系的框架，为有志于IT行业的学生奠定计算机科学知识的基础，架设进一步深入专业理论学习的桥梁。作者在这本书中强调的是概念而不是数学模型和技术细节，并通过大量图、表增强读者对知识的理解和掌握，通过范例讲解概念和相关的数学模型，通过关键术语、小结和练习帮助读者复习巩固学习效果。
本书是基于美国计算机学会（ACM）推荐的CS0课程设计的，它从广度上覆盖了计算机科学所有的领域。这本书既适合国内大专院校用作计算机基础课教材，也可以供有意在计算机方面发展的非计算机专业读者作为入门参考。该书作为一本成熟的教材已经被国外许多大学选用，引进翻译显然对国内的计算机教学有着重要的参考价值。
该书前两版由我们翻译出版后被国内许多重点大学选用并受到好评。我们有幸继续翻译第3版，不但在第一时间为读者奉上译稿，而且在前几版的基础上精益求精，对一些术语和字句进行推敲和斟酌，力求完美。在翻译过程中，我们还对原书的一些疏漏进行了更正。
由于本书涉及面广，技术内容新，有一定的翻译难度，为此我们不敢疏忽。如果读者在阅读中发现我们的工作有不足之处，敬请指正。
除封面署名译者外，参加本书翻译和校对工作的还有许大琴、洪蕾、吴英、吴永逸等。
刘艺
2015年5月27日
E-mail: my_reader@sina.com
出版者的话
译者序
前言
第1章 绪论1
1.1 图灵模型1
1.1.1 数据处理器1
1.1.2 可编程数据处理器2
1.1.3 通用图灵机2
1.2 冯·诺依曼模型3
1.2.1 4个子系统3
1.2.2 存储程序概念3
1.2.3 指令的顺序执行4
1.3 计算机组成部分4
1.3.1 计算机硬件4
1.3.2 数据4
1.3.3 计算机软件5
1.4 历史6
1.4.1 机械计算机器（1930年以前）6
1.4.2 电子计算机的诞生（1930～1950年）6
1.4.3计算机的诞生（1950年至今）7
1.5社会问题和道德问题8
1.5.1社会问题8
1.5.2道德问题8
1.6计算机科学作为一门学科9
1.7课程纲要9
1.7.1 第一部分：数据的表示与运算9
1.7.2 第二部分：计算机硬件9
1.7.3 第三部分：计算机软件9
1.7.4 第四部分：数据组织与抽象9
1.7.5 第五部分：高级话题10
1.8 章末材料10
1.9 练习10
第2章 数字系统12
2.1 引言12
2.2 位置化数字系统12
2.2.1 十进制系统（以10为底）13
2.2.2 二进制系统（以2为底）14
2.2.3 十六进制系统（以16为底）15
2.2.4 八进制系统（以8为底）16
2.2.5 4种位置化数字系统的小结16
2.2.6 转换17
2.3 非位置化数字系统22
2.4 章末材料23
2.5 练习24
第3章 数据存储27
3.1 数据类型27
3.2 存储数字28
3.2.1 存储整数29
3.2.2 3种系统的比较34
3.2.3 实数35
3.3 存储文本40
3.4 存储音频41
3.4.1 采样41
3.4.2 量化42
3.4.3 编码42
3.4.4 声音编码标准42
3.5 存储图像42
3.5.1 光栅图42
3.5.2 矢量图44
3.6 存储视频44
3.7 章末材料44
3.8 练习45
第4章 数据运算49
4.1 逻辑运算49
4.1.1 位层次上的逻辑运算49
4.1.2 模式层次上的逻辑运算51
4.2 移位运算53
4.3 算术运算54
4.3.1 整数的算术运算55
4.3.2 实数的算术运算58
4.4 章末材料61
4.5 练习62
第5章 计算机组成64
5.1 引言64
5.2 中央处理单元64
5.2.1 算术逻辑单元64
5.2.2 寄存器65
5.2.3 控制单元65
5.3 主存储器65
5.3.1 地址空间66
5.3.2 存储器的类型66
5.3.3 存储器的层次结构67
5.3.4 高速缓冲存储器67
5.4 输入/输出子系统68
5.4.1 非存储设备68
5.4.2 存储设备68
5.5 子系统的互连73
5.5.1 CPU和存储器的连接73
5.5.2 I/O设备的连接73
5.5.3 输入／输出设备的寻址76
5.6 程序执行77
5.6.1 机器周期77
5.6.2 输入／输出操作78
5.7 不同的体系结构79
5.7.1 CISC79
5.7.2 RISC80
5.7.3 流水线80
5.7.4 并行处理80
5.8 简单计算机82
5.8.1 CPU82
5.8.2 主存83
5.8.3 输入/输出子系统83
5.8.4 指令集83
5.8.5 处理指令84
5.8.6 存储程序和数据85
5.8.7 指令周期85
5.8.8 另一个例子88
5.8.9 可重用性89
5.9 章末材料89
5.10 练习90
第6章 计算机网络和因特网93
6.1 引言93
6.1.1 网络93
6.1.2 因特网94
6.1.3 硬件和软件96
6.1.4 协议分层96
6.1.5 TCP/IP协议族98
6.2 应用层100
6.2.1 提供服务101
6.2.2 应用层模式101
6.2.3 标准化客户机-服务器应用102
6.2.4 文件传输协议105
6.2.5 电子邮件105
6.2.6 TELNET106
6.2.7 安全外壳107
6.2.8 域名系统107
6.2.9 端到端模式109
6.3 传输层110
6.3.1 传输层服务110
6.3.2 传输层协议112
6.4 网络层113
6.4.1 网络层提供的服务113
6.4.2 网络层协议115
6.5 数据链路层117
6.5.1 节点和链接117
6.5.2 局域网118
6.5.3 广域网120
6.6 物理层123
6.6.1 数据和信号123
6.6.2 数字化传输124
6.6.3 模拟传输125
6.7 传输介质126
6.7.1 导向介质126
6.7.2 非导向介质：无线127
6.8 章末材料128
6.9 练习129
第7章 操作系统131
7.1 引言131
7.1.1 操作系统131
7.1.2 自举过程132
7.2 演化132
7.2.1 批处理系统132
7.2.2 分时系统132
7.2.3 个人系统133
7.2.4 并行系统133
7.2.5 分布式系统133
7.2.6 实时系统133
7.3 组成部分133
7.3.1 用户界面134
7.3.2 内存管理器134
7.3.3 进程管理器136
7.3.4 文件管理器141
7.4 主流操作系统141
7.4.1 UNIX141
7.4.2 Linux142
7.4.3 Windows 143
7.5 章末材料144
7.6 练习145
第8章 算法147
8.1 概念147
8.1.1 非正式定义147
8.1.2 定义动作148
8.1.3 细化148
8.1.4 泛化149
8.2 三种结构150
8.2.1 顺序150
8.2.2 判断150
8.2.3 循环150
8.3 算法的表示150
8.3.1 UML150
8.3.2 伪代码150
8.4 更正式的定义153
8.4.1 定义良好153
8.4.2 明确步骤153
8.4.3 产生结果153
8.4.4 在有限的时间内终止153
8.5 基本算法153
8.5.1 求和153
8.5.2 乘积154
8.5.3 最大和最小154
8.5.4 排序154
8.5.5 查找158
8.6 子算法159
8.7 递归160
8.7.1 迭代的定义160
8.7.2 递归的定义160
8.8 章末材料162
8.9 练习163
第9章 程序设计语言166
9.1 演化166
9.1.1 机器语言166
9.1.2 汇编语言167
9.1.3 高级语言167
9.2 翻译168
9.2.1 编译168
9.2.2 解释168
9.2.3 翻译过程169
9.3 编程模式169
9.3.1 过程式模式170
9.3.2 面向对象模式172
9.3.3 函数式模式173
9.3.4 说明式模式175
9.4 共同概念175
9.4.1 标识符175
9.4.2 数据类型175
9.4.3 语句178
9.5 章末材料183
9.6 练习183
第10章 软件工程186
10.1 软件生命周期186
10.2 分析阶段187
10.2.1 面向过程分析187
10.2.2 面向对象分析189
10.3 设计阶段189
10.3.1 面向过程设计189
10.3.2 面向对象设计190
10.4 实现阶段190
10.4.1 语言的选择190
10.4.2 软件质量191
10.5 测试阶段192
10.5.1 白盒测试192
10.5.2 黑盒测试193
10.6 文档194
10.6.1 用户文档194
10.6.2 系统文档194
10.6.3 技术文档194
10.7 章末材料194
10.8 练习195
第11章 数据结构197
11.1 数组197
11.1.1 数组名与元素名198
11.1.2 多维数组199
11.1.3 存储配置199
11.1.4 数组操作200
11.1.5 数组的应用201
11.2 记录201
11.2.1 记录名与域名202
11.2.2 记录与数组的比较202
11.2.3 记录数组202
11.2.4 数组与记录数组203
11.3 链表203
11.3.1 数组与链表203
11.3.2 链表名与节点名204
11.3.3 链表操作205
11.3.4 链表的应用211
11.4 章末材料212
11.5 练习212
第12章 抽象数据类型214
12.1 背景214
12.1.1 简单抽象数据类型214
12.1.2复杂抽象数据类型215
12.1.3 定义215
12.1.4 抽象数据类型的模型215
12.1.5实现215
12.2栈216
12.2.1栈的操作216
12.2.2栈的抽象数据类型217
12.2.3栈的应用217
12.2.4栈的实现219
12.3队列220
12.3.1队列的操作220
12.3.2队列抽象数据类型221
12.3.3队列的应用221
12.3.4队列的实现222
12.4广义线性表223
12.4.1广义线性表的操作223
12.4.2广义线性表的抽象数据类型225
12.4.3广义线性表的应用226
12.4.4广义线性表的实现226
12.5树227
12.5.1二叉树228
12.5.2二叉树的操作228
12.5.3二叉树的应用230
12.5.4二叉树的实现230
12.5.5二叉搜索树230
12.5.6二叉搜索树的抽象数据类型231
12.5.7二叉搜索树的实现231
12.6图232
12.7章末材料232
12.8练习233
第13章 文件结构235
13.1引言235
13.1.1顺序存取235
13.1.2随机存取235
13.2顺序文件236
13.3索引文件237
13.4散列文件238
13.4.1散列方法239
13.4.2冲突240
13.5目录242
13.6文本文件与二进制文件243
13.6.1文本文件243
13.6.2二进制文件244
13.7章末材料244
13.8练习245
第14章 数据库247
14.1引言247
14.1.1定义247
14.1.2数据库的优点247
14.1.3数据库管理系统248
14.2数据库体系结构249
14.2.1内层249
14.2.2概念层249
14.2.3外层249
14.3数据库模型249
14.3.1层次模型249
14.3.2网状模型249
14.3.3关系模型250
14.4关系数据库模型250
14.5关系的操作251
14.5.1结构化查询语言251
14.5.2插入251
14.5.3删除251
14.5.4更新252
14.5.5选择252
14.5.6投影253
14.5.7连接253
14.5.8并254
14.5.9交254
14.5.10 差254
14.6 数据库设计255
14.6.1 实体关系模型256
14.6.2 从E-R图到关系256
14.6.3 规范化257
14.7 其他数据库模型258
14.8 章末材料259
14.9 练习260
第15章 数据压缩263
15.1 引言263
15.2 无损压缩263
15.2.1 游程长度编码264
15.2.2 赫夫曼编码265
15.2.3 Lempel Ziv编码266
15.3 有损压缩方法270
15.3.1 图像压缩：JPEG270
15.3.2 视频压缩：MPEG272
15.3.3 音频压缩273
15.4 章末材料274
15.5 练习274
第16章 安全277
16.1引言277
16.1.1安全目标277
16.1.2攻击278
16.1.3 服务和技术279
16.2 机密性280
16.2.1 对称密钥密码术280
16.2.2 非对称密钥密码术285
16.3 其他安全服务289
16.3.1 消息完整性289
16.3.2 消息验证290
16.3.3 数字签名291
16.3.4 实体验证294
16.3.5 密钥管理296
16.4 防火墙299
16.4.1 包过滤防火墙299
16.4.2 代理防火墙300
16.5 章末材料301
16.6 练习301
第17章 计算理论304
17.1 引言304
17.2 简单语言304
17.2.1 递增语句 304
17.2.2 递减语句305
17.2.3 循环语句305
17.2.4 简单语言的威力305
17.3 图灵机307
17.3.1 图灵机组成部件307
17.3.2 对简单语言的模拟309
17.3.3 邱奇-图灵论题311
17.4 歌德尔数312
17.4.1 表示一个程序312
17.4.2 翻译一个数字313
17.5 停机问题313
17.6 问题的复杂度314
17.6.1 不可解问题315
17.6.2 可解问题315
17.7 章末材料316
17.8 练习316
第18章 人工智能319
18.1引言319
18.1.1 什么是人工智能319
18.1.2 人工智能简史319
18.1.3 图灵测试319
18.1.4 智能体320
18.1.5 编程语言320
18.2 知识表示 320
18.2.1 语义网321
18.2.2 框架321
18.2.3 谓词逻辑322
18.2.4 基于规则的系统326
18.3 专家系统327
18.3.1 抽取知识327
18.3.2 抽取事实327
18.3.3 体系结构327
18.4 感知328
18.4.1 图像处理329
18.4.2 语言理解331
18.5 搜索332
18.6 神经网络335
18.6.1 生物神经元335
18.6.2 感知器336
18.6.3 多层网络 337
18.6.4 应用337
18.7 章末材料337
18.8 练习338
附录A Unicode341
附录B UML345
附录C 伪代码353
附录D 结构图356
附录E 布尔代数和逻辑电路359
附录F C、C++和Java程序示例372
附录G 数学知识379
附录H 误差检测和校正386
缩略语397
术语表400
