計(jì)算機(jī)科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題

1、計(jì)算機(jī)科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題本節(jié)綜合CC2013和CC2001報(bào)告，給出計(jì)算機(jī)科學(xué)各領(lǐng)域的簡(jiǎn)介，以及計(jì)算機(jī)科學(xué)中各領(lǐng)域的基本問題。以下學(xué)科領(lǐng)域按字母先后順序排列，不分輕重。1. 算法與復(fù)雜性（Algorithms and Complexity，AL）算法是計(jì)算機(jī)科學(xué)和軟件工程的基礎(chǔ)?，F(xiàn)實(shí)世界中任何軟件系統(tǒng)的性能僅依賴于兩個(gè) 方面：一方面是所選擇的算法；另一方面是在各不同層次實(shí)現(xiàn)的效率。 對(duì)所有軟件系統(tǒng)的性能而言，好的算法設(shè)計(jì)都是至關(guān)重要的。此外，算法研究能夠深刻理解問題的本質(zhì)和可能的求解技術(shù)，而不依賴于具體的程序設(shè)計(jì)語言、程序設(shè)計(jì)模式、計(jì)算機(jī)硬件或其他任何與實(shí)現(xiàn)有關(guān)的內(nèi)容。計(jì)算的一個(gè)重要內(nèi)容

2、就是根據(jù)特定目的選擇適當(dāng)?shù)乃惴ú⒓右赃\(yùn)用，同時(shí)認(rèn)識(shí)到可能存在不合適的算法。這依賴于對(duì)那些具有良好定義的重要問題求解算法的理解，以及認(rèn)識(shí)到這些算法的優(yōu)缺點(diǎn)和它們?cè)谔囟ōh(huán)境中的適宜性。效率是貫穿該領(lǐng)域的一個(gè)核心概念。下面，給出算法與復(fù)雜性領(lǐng)域的基本問題。（1）對(duì)于給定的問題類，最好的算法是什么？要求的存儲(chǔ)空間和計(jì)算時(shí)間有多少？空間和時(shí)間如何折中？（2）訪問數(shù)據(jù)的最好方法是什么？（3）算法最好和最壞的情況是什么？（4）算法的平均性能如何？（5）算法的通用性如何？2體系結(jié)構(gòu)（Architecture and Organization，AR）計(jì)算機(jī)在計(jì)算技術(shù)中處于核心地位。如果沒有計(jì)算機(jī)，計(jì)算學(xué)科將只是

3、理論數(shù)學(xué)的一個(gè) 分支。作為計(jì)算專業(yè)的學(xué)生，都應(yīng)該對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能部件、功能特點(diǎn)、性能和相互作用有一定的理解，而不應(yīng)該只將計(jì)算機(jī)看作是一個(gè)執(zhí)行程序的黑盒子。了解計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和組織還有一定的實(shí)際意義。為了構(gòu)造程序，需要理解計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，從而使該程序在一臺(tái)真正的機(jī)器上能更有效地運(yùn)行。在選擇用于應(yīng)用的系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該理解各種部件之間的折中，如CPU、時(shí)鐘頻率與內(nèi)存大小的折中。下面，給出體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的基本問題。（1）實(shí)現(xiàn)處理器、內(nèi)存和機(jī)內(nèi)通信的方法是什么？（2）如何設(shè)計(jì)和控制大型計(jì)算系統(tǒng)，而且使其令人相信，盡管存在錯(cuò)誤和失敗，但它仍然是按照我們的意圖工作的？（3）哪種類型的體系結(jié)構(gòu)能有效地包含許多在一

4、個(gè)計(jì)算中能并行工作的處理元素？（4）如何度量性能？3計(jì)算科學(xué)（Computational Science，CN）從該學(xué)科誕生之日起，科學(xué)計(jì)算的數(shù)值方法和技術(shù)就構(gòu)成了計(jì)算機(jī)科學(xué)研究的一個(gè)主要領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)問題求解能力的增強(qiáng)，該領(lǐng)域（正如該學(xué)科一樣）已經(jīng)在廣度和深度兩方面得到了發(fā)展?，F(xiàn)在，科學(xué)計(jì)算本身就代表了一個(gè)學(xué)科，一個(gè)與計(jì)算機(jī)科學(xué)密切相關(guān)的學(xué)科。為此，CC2001任務(wù)組只是將它劃為計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)主領(lǐng)域，但不確定任何核心知識(shí)單元，也就是說，盡管它是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)組成部分，但不要求每個(gè)教學(xué)大綱都必須包含這些內(nèi)容。對(duì)于希望學(xué)習(xí)這部分知識(shí)的人，該領(lǐng)域提供了許多有價(jià)值的思想和技術(shù)，包括數(shù)值表示的精

5、度、誤差分析、數(shù)值技術(shù)、建模和仿真。 同時(shí)，學(xué)習(xí)過該領(lǐng)域課程的學(xué)生有機(jī)會(huì)在寬闊的應(yīng)用領(lǐng)域中應(yīng)用這些技術(shù)，例如下面這些領(lǐng)域：（1）分子力學(xué)。（2）流體力學(xué)。（3）天體力學(xué)。（4）經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)。（5）優(yōu)化問題。（6）材料的結(jié)構(gòu)化分析。（7）生物信息學(xué)。（8）計(jì)算生物學(xué)。（9）地質(zhì)建模。（10）X斷層攝影術(shù)的計(jì)算機(jī)化。下面，給出科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域的基本問題。（1）如何精確地以有限的離散過程近似表示連續(xù)和無限的離散過程？（2）如何處理這種近似所產(chǎn)生的錯(cuò)誤？（3）給定某一類方程在某精確度水平上能以多快的速度求解？（4）如何實(shí)現(xiàn)方程的符號(hào)操作，如積分、微分以及到最小項(xiàng)的歸約？（5）如何把這些問題的答案包含到一個(gè)有效

6、的、可靠的、高質(zhì)量的數(shù)學(xué)軟件包中？4離散結(jié)構(gòu)（Discrete Structures，DS）離散結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)內(nèi)容。盡管很少有計(jì)算機(jī)科學(xué)家專門從事離散結(jié)構(gòu)的研究，但計(jì)算機(jī)科學(xué)許多領(lǐng)域的工作都要用到離散結(jié)構(gòu)的概念。離散結(jié)構(gòu)包括集合論、數(shù)理邏輯、代數(shù)系統(tǒng)、圖論和組合數(shù)學(xué)等重要內(nèi)容。離散結(jié)構(gòu)的內(nèi)容在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法以及其他計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域都有廣泛的運(yùn)用。例如，在形式規(guī)格、驗(yàn)證以及密碼學(xué)的研究和學(xué)習(xí)中，需要有生成并理解形式證明的能力；在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)、編譯系統(tǒng)等領(lǐng)域要用到圖論的概念；在軟件工程和數(shù)據(jù)庫等領(lǐng)域需要使用集合論的概念。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的日益成熟，越來越完美的分析技術(shù)被用于解決實(shí)

7、際問題。為理解將來的計(jì)算技術(shù)，需要有堅(jiān)實(shí)的離散結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。計(jì)算學(xué)科的根本問題是“能行性”的問題。而凡是與“能行性”有關(guān)的討論，都是處理離散對(duì)象的。因?yàn)榉请x散對(duì)象，即所謂的連續(xù)對(duì)象，是很難進(jìn)行能行處理的。因此，“能行性”這個(gè)計(jì)算學(xué)科的根本問題決定了計(jì)算機(jī)本身的結(jié)構(gòu)和它處理的對(duì)象都是離散型的，甚至許多連續(xù)型的問題也必須在轉(zhuǎn)化為離散型問題以后才能被計(jì)算機(jī)處理。例如，計(jì)算定積分就是把它變成離散量，再用分段求和的方法來處理的。正是源于計(jì)算學(xué)科的根本問題，以離散型變量為研究對(duì)象的離散數(shù)學(xué)對(duì)計(jì)算技術(shù)的發(fā)展起著十分重要的作用。同時(shí)，又因?yàn)橛?jì)算技術(shù)的迅猛發(fā)展，離散數(shù)學(xué)越來越受到重視。為此，CC2001特意將它從C

8、C1991的預(yù)備知識(shí)中抽取出來，列為計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)體的第一個(gè)主領(lǐng)域，命名為“離散結(jié)構(gòu)”，以強(qiáng)調(diào)它的重要性。CS2013繼續(xù)強(qiáng)調(diào)該領(lǐng)域的重要作用，在新增了4個(gè)領(lǐng)域，在總的核心學(xué)時(shí)基本保持不變的情況下，僅該領(lǐng)域的核心學(xué)時(shí)減少了2個(gè)，維持在較高的41個(gè)核心學(xué)時(shí)上。5圖形學(xué)與可視化（Graphics and Visualization，GV）圖形學(xué)與可視化領(lǐng)域可以劃分成以下4個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子領(lǐng)域。（1）計(jì)算機(jī)圖形學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究怎樣用計(jì)算機(jī)生成、處理和顯示圖形的一個(gè)學(xué)科分支領(lǐng)域。在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究過程中，有以下具體要求： 要求表示信息和構(gòu)造應(yīng)有助于圖像的產(chǎn)生和觀察。 要求方便用戶，使之能夠通過精心

9、設(shè)計(jì)的設(shè)備和技術(shù)與模型進(jìn)行交互。 要求提供繪制模型的技術(shù)。 要求設(shè)計(jì)有助于圖像保存的技術(shù)。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的目標(biāo)是對(duì)人的視覺中心及其他認(rèn)知中心有進(jìn)一步深入的了解。（2）可視化可視化是指使用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示，并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。當(dāng)前的可視化技術(shù)主要是探索人類的視覺能力以及聲音和觸覺（觸摸）。其目的在于通過它們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)人類信息的處理過程。（3）虛擬現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)是綜合利用計(jì)算機(jī)三維圖形技術(shù)、仿真技術(shù)、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等合成的一種虛擬環(huán)境，這種環(huán)境是計(jì)算機(jī)生成的一個(gè)以視覺感受為主，也包括視覺、觸覺的綜合可感知的人工環(huán)境，是計(jì)算機(jī)與用

10、戶之間的一種更為理想化的人機(jī)界面形式。（4）計(jì)算機(jī)視覺計(jì)算機(jī)視覺是研究怎樣利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)人的視覺功能（包括對(duì)客觀世界的三維場(chǎng)景的感知、識(shí)別和理解）的一個(gè)分支領(lǐng)域。對(duì)計(jì)算機(jī)視覺的理解和實(shí)踐取決于計(jì)算學(xué)科中的核心概念，但也和物理、數(shù)學(xué)和心理學(xué)等密切相關(guān)。下面，給出圖形學(xué)和可視化計(jì)算領(lǐng)域的基本問題。（1）如何選擇支撐圖像產(chǎn)生以及信息瀏覽的更好模型？（2）如何提取科學(xué)的（計(jì)算和醫(yī)學(xué)）和更抽象的相關(guān)數(shù)據(jù)？（3）圖像形成過程的解釋和分析方法。6人機(jī)交互（Human-Computer Interaction，HC）人機(jī)交互的重點(diǎn)在于理解作為交互式對(duì)象的人的行為，知道怎樣使用以人為中心的方法來開發(fā)和評(píng)價(jià)交互式

11、軟件系統(tǒng)。單元HC1（人機(jī)交互基礎(chǔ)）和單元HC2（建立簡(jiǎn)單的圖形用戶界面）是最基本的內(nèi)容，需要學(xué)生掌握。剩余單元的內(nèi)容可作為高年級(jí)的選修課程。下面，給出人機(jī)交互領(lǐng)域的基本問題。（1）表示物體和自動(dòng)產(chǎn)生供閱覽的照片的有效方法是什么？（2）接收輸入和給出輸出的有效方法是什么？（3）怎樣才能減小產(chǎn)生誤解和由此產(chǎn)生的人為錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)？（4）圖表和其他工具怎樣才能通過存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)集中的信息去理解物理現(xiàn)象？7信息保障與安全（Information Assurance and Security，IAS）信息保障與安全是CS2013劃分的一個(gè)新領(lǐng)域，是世界公認(rèn)的信息技術(shù)與計(jì)算的重要依靠，也是信息控制與處理過程的集

12、合，該集合即包括技術(shù)方面的內(nèi)容也包括政策方面的內(nèi)容，其目的在于通過保證其可用性、完整性、可認(rèn)證性與機(jī)密性，用不可否認(rèn)性來保護(hù)和定義信息和信息系統(tǒng)。保障包括了認(rèn)證，使得當(dāng)前的與過去的過程和數(shù)據(jù)都是有效的，保障與安全的共同作用使信息變得更加可靠和完整。下面，給出信息保障與安全領(lǐng)域的基本問題。（1）如何定義信息的不可否認(rèn)性？（2）如何保證信息的可用性、完整性、可認(rèn)證性與機(jī)密性？（3）安全規(guī)則與監(jiān)管的有效策略是什么，如何評(píng)估？8信息管理（Information Management，IM）信息管理幾乎在所有使用計(jì)算機(jī)的場(chǎng)合都發(fā)揮著重要的作用。它包括信息獲取、信息數(shù)字化、信息表示、組織、轉(zhuǎn)化和信息的表現(xiàn)

13、；有效地訪問和更新存儲(chǔ)信息的算法、數(shù)據(jù)建模和數(shù)據(jù)抽象以及物理文件的存儲(chǔ)技術(shù)、共享數(shù)據(jù)的信息安全、隱私性、完備性和保護(hù)。要求學(xué)生能夠建立概念和物理上的數(shù)據(jù)模型，對(duì)于給定的問題，能夠選擇和實(shí)現(xiàn)合適的信息管理解決方案。下面，給出信息管理領(lǐng)域的基本問題。（1）使用什么樣的建模概念來表示數(shù)據(jù)元素及其相互關(guān)系？（2）怎樣把基本操作（如存儲(chǔ)、定位、匹配和恢復(fù)）組合成有效的事務(wù)？（3）這些事務(wù)怎樣才能與用戶有效地進(jìn)行交互？（4）高級(jí)查詢?nèi)绾畏g成高質(zhì)量的程序？（5）哪種機(jī)器體系結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)行有效的恢復(fù)和更新？（6）怎樣保護(hù)數(shù)據(jù)，以避免非授權(quán)訪問、泄露和破壞？（7）如何保護(hù)大型的數(shù)據(jù)庫，以避免由于同時(shí)更新引起的不

14、一致性？（8）當(dāng)數(shù)據(jù)分布在許多機(jī)器上時(shí)如何保護(hù)數(shù)據(jù)、保證性能？（9）文本如何索引和分類才能夠進(jìn)行有效的恢復(fù)？9智能系統(tǒng)（Intelligent Systems，IS）人工智能關(guān)注的是自主系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析。這些系統(tǒng)有些是軟件系統(tǒng)，而有些系統(tǒng)還配有傳感器和傳送器（如機(jī)器人或航天器），一個(gè)智能系統(tǒng)要有感知環(huán)境、執(zhí)行既定任務(wù)以及與其他代理進(jìn)行交流的能力。這些能力包括計(jì)算機(jī)視覺、規(guī)劃和動(dòng)作、機(jī)器人學(xué)、多代理系統(tǒng)、語音識(shí)別和自然語言理解等。智能系統(tǒng)依賴于一整套關(guān)于問題求解、搜索算法以及機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的專門知識(shí)表示機(jī)制和推理機(jī)制。人工智能為求解其他方法難以解決或者不太現(xiàn)實(shí)的問題提供了一些技術(shù)，包括啟發(fā)式搜索和

15、規(guī)劃算法、知識(shí)表示的形式化機(jī)制、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)以及語言理解、計(jì)算機(jī)視覺、機(jī)器人學(xué)等領(lǐng)域中所包含的感知和動(dòng)作問題的方法。要求學(xué)生能夠針對(duì)特定的問題選擇合適的方法解決問題。下面，給出智能系統(tǒng)領(lǐng)域的基本問題。（1）基本的行為模型是什么？如何建造模擬它們的機(jī)器？（2）規(guī)則評(píng)估、推理、演繹和模式計(jì)算在多大程度上描述了智能？（3）通過這些方法模擬行為的機(jī)器的最終性能如何？（4）傳感數(shù)據(jù)如何編碼才使得相似的模式有相似的代碼？（5）電機(jī)編碼如何與傳感編碼相關(guān)聯(lián)？（6）怎樣學(xué)習(xí)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)？（7）這些系統(tǒng)是如何表示它們對(duì)這個(gè)世界的理解的？10網(wǎng)絡(luò)與通信（Networking and Communication，

16、NC）計(jì)算機(jī)與通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，尤其是基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，使得網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在計(jì)算學(xué)科中變得更為重要。在CC2001報(bào)告中，該領(lǐng)域包括有計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的基本概念和協(xié)議、多媒體系統(tǒng)、Web標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全、移動(dòng)計(jì)算以及分布式系統(tǒng)等傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)容。CS2013認(rèn)為，這些內(nèi)容已得到發(fā)展和分化，因此對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行了重組，將主要的關(guān)注放在該領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)與通信方面，將網(wǎng)站應(yīng)用和移動(dòng)設(shè)備開發(fā)的內(nèi)容放在基于平臺(tái)的開發(fā)（PBD）領(lǐng)域中，將安全部分的內(nèi)容放入新的信息保障和安全（IAS）領(lǐng)域中。該領(lǐng)域的知識(shí)單元包括：網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用；可靠數(shù)據(jù)傳輸；路由與轉(zhuǎn)發(fā)；局域網(wǎng)；資源分配；移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)；社會(huì)網(wǎng)絡(luò)等。CC2001特別強(qiáng)調(diào)了

17、在該領(lǐng)域進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)的重要性，認(rèn)為實(shí)踐教學(xué)能夠大大地加強(qiáng)學(xué)生對(duì)該領(lǐng)域基本概念的理解。在CC2001的基礎(chǔ)上，CS2013繼續(xù)強(qiáng)調(diào)了該領(lǐng)域的重要性，報(bào)告認(rèn)為，現(xiàn)在許多計(jì)算的應(yīng)用脫離網(wǎng)絡(luò)是無法繼續(xù)工作的，這些應(yīng)用對(duì)底層網(wǎng)絡(luò)的依賴在未來將會(huì)得到加強(qiáng)，報(bào)告認(rèn)為，網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)依賴實(shí)際的約束條件，要求通過使用網(wǎng)絡(luò)工具、編寫網(wǎng)絡(luò)軟件等方式，向?qū)W生展示這些實(shí)際的約束條件。網(wǎng)絡(luò)課程有很多不同的組織方式。一些教育者傾向于“自頂向下”的教學(xué)方式：課程起始于應(yīng)用程序，然后講授可靠數(shù)據(jù)傳輸、路由和轉(zhuǎn)發(fā)等。另外一些傾向于“自底向上”的教學(xué)方式：課程起始于網(wǎng)絡(luò)體系底層，然后講授數(shù)據(jù)傳輸、應(yīng)用層等概念。無論那種方式，實(shí)驗(yàn)都是該

18、領(lǐng)域課程教學(xué)中最重要的內(nèi)容，包括數(shù)據(jù)收集和綜合、建模、源代碼級(jí)的協(xié)議分析、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的監(jiān)控、軟件構(gòu)造以及對(duì)備選設(shè)計(jì)模型的評(píng)估等。下面，給出網(wǎng)絡(luò)與通信領(lǐng)域的基本問題。（1）網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)如何進(jìn)行交換？（2）網(wǎng)絡(luò)性能如何評(píng)估？（3）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議如何驗(yàn)證？（4）網(wǎng)絡(luò)安全如何保證？（5）網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與操作背后的網(wǎng)絡(luò)行為和關(guān)鍵原則是什么？11操作系統(tǒng)（Operating Systems，OS）操作系統(tǒng)是對(duì)計(jì)算機(jī)硬件行為的抽象，程序員用它來對(duì)硬件進(jìn)行控制。操作系統(tǒng)還負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)用戶間的共享資源（如文件等）。本領(lǐng)域的主題解釋了影響現(xiàn)代操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各種問題。相應(yīng)的課程還應(yīng)該包括一個(gè)實(shí)驗(yàn)部分。近年來，操作系統(tǒng)及其抽象

19、機(jī)制相對(duì)于應(yīng)用軟件變得更加復(fù)雜，這就要求在系統(tǒng)學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)內(nèi)部算法實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之前，對(duì)操作系統(tǒng)有深入的理解。因此操作系統(tǒng)的課程不僅要強(qiáng)調(diào)操作系統(tǒng)的使用（外部特性），還要強(qiáng)調(diào)它的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)（內(nèi)部特性）。操作系統(tǒng)中的許多思想在其他計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域也有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，例如并行程序設(shè)計(jì)、算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、虛擬環(huán)境的創(chuàng)建、網(wǎng)絡(luò)高速緩存、安全系統(tǒng)的創(chuàng)建、網(wǎng)絡(luò)管理等。下面，給出操作系統(tǒng)領(lǐng)域的基本問題。（1）在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)操作的每一個(gè)級(jí)別上，可見的對(duì)象和允許進(jìn)行的操作各是什么？（2）對(duì)于每一類資源，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行有效利用的最小操作集是什么？（3）如何組織接口才能使得用戶只需與抽象的資源而非硬件的物理細(xì)節(jié)打交道？（4

20、）作業(yè)調(diào)度、內(nèi)存管理、通信、軟件資源訪問、并發(fā)任務(wù)間的通信以及可靠性與安全的控制策略是什么？（5）通過少數(shù)構(gòu)造規(guī)則的重復(fù)使用進(jìn)行系統(tǒng)功能擴(kuò)展的原則是什么？12基于平臺(tái)的開發(fā)（Platform-based Development，PBD）該部分的內(nèi)容不構(gòu)成嚴(yán)格意義上的學(xué)科分支，它的劃分是為了教學(xué)上的需要，將軟件開發(fā)基礎(chǔ)（SDF)分支領(lǐng)域中基于指定平臺(tái)的內(nèi)容抽取出來，對(duì)它進(jìn)行強(qiáng)調(diào)而劃分的，其基本的知識(shí)單元已在第一章中列出。它的基本問題與軟件開發(fā)基礎(chǔ)分支領(lǐng)域的基本問題相同，本書不再重新給出。13并行與分布式計(jì)算（Parallel and Distributed Computing，PD）CC2001

21、將并行性的內(nèi)容作為選修內(nèi)容分別穿插在不同的學(xué)科領(lǐng)域。CS2013考慮到并行與分布式計(jì)算越來越突出的作用，劃分了這個(gè)新的領(lǐng)域。該領(lǐng)域包括程序設(shè)計(jì)模板，編程語言，算法，性能，體系結(jié)構(gòu)和分布式系統(tǒng)等內(nèi)容。并行和分布式計(jì)算建立在學(xué)科許多分支領(lǐng)域的基礎(chǔ)上，包括對(duì)基礎(chǔ)系統(tǒng)概念的理解，如并發(fā)和并行執(zhí)行、一致性狀態(tài)、內(nèi)存操作和延遲。由于進(jìn)程間的通信和協(xié)作根植于消息傳遞和共享內(nèi)存模型的計(jì)算中，也存在于算法之中，如原子性、一致性以及條件等。因此，要想在實(shí)踐中提高對(duì)該領(lǐng)域的把握，需要先對(duì)并發(fā)算法、問題分解策略、系統(tǒng)架構(gòu)、實(shí)施策略與性能分析等內(nèi)容有一個(gè)較深入的認(rèn)知。下面，給出并行和分布式計(jì)算領(lǐng)域的基本問題。（1）機(jī)器

22、的結(jié)構(gòu)如何保證大量處理單元能夠有效協(xié)同工作最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)計(jì)算的并行？（2）任務(wù)如何劃分到不同的處理器上執(zhí)行？（3）并行算法與分布式算法的性能如何評(píng)價(jià)？（4）分布式計(jì)算如何組織才能使通過通信網(wǎng)連接在一起的自主計(jì)算機(jī)參加到一項(xiàng)特定的計(jì)算中，如何在計(jì)算的過程中保持網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、主機(jī)地址、帶寬和其他使用資源的透明性？14程序設(shè)計(jì)語言（Programming Languages，PL）程序設(shè)計(jì)語言是程序員與計(jì)算機(jī)交流的主要工具。一個(gè)程序員不僅要至少掌握一種程序設(shè)計(jì)語言，更要了解各種程序設(shè)計(jì)語言的不同風(fēng)格。在工作中，程序員會(huì)使用不同風(fēng)格的語言，也會(huì)遇到許多不同的語言。為了迅速掌握一門新語言，程序員必須理解程序設(shè)

23、計(jì)語言的語義以及在不同的程序設(shè)計(jì)范式之間設(shè)計(jì)上的折中。為了理解程序設(shè)計(jì)語言實(shí)用的一面，還要求具有程序設(shè)計(jì)語言翻譯和諸如存儲(chǔ)分配等方面的基礎(chǔ)知識(shí)。下面給出程序設(shè)計(jì)語言領(lǐng)域的基本問題。（1）語言（數(shù)據(jù)類型、操作、控制結(jié)構(gòu)、引進(jìn)新類型和操作的機(jī)制）表示的虛擬機(jī)的可能組織結(jié)構(gòu)是什么？（2）語言如何定義機(jī)器？機(jī)器如何定義語言？（3）什么樣的表示法（語義）可以有效地描述計(jì)算機(jī)應(yīng)該做什么？15軟件開發(fā)基礎(chǔ)（Software Development Fundamentals，SDF）CS2013報(bào)告在CC2001的基礎(chǔ)上，對(duì)原報(bào)告劃分的程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（PF）領(lǐng)域進(jìn)行了重組，將關(guān)注的內(nèi)容進(jìn)一步擴(kuò)展到整個(gè)軟件的開發(fā)

24、過程中，要求學(xué)生在大學(xué)一年級(jí)就系統(tǒng)地掌握軟件開發(fā)的基本概念和技巧，包括算法的設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)單分析、基本程序設(shè)計(jì)的概念、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和基本的軟件開發(fā)方法和工具等。CS2013報(bào)告認(rèn)為，該領(lǐng)域課程的設(shè)計(jì)可以相當(dāng)靈活，報(bào)告要求在基本的編程中只強(qiáng)調(diào)那些在所有編程范例都常見的基礎(chǔ)概念。報(bào)告認(rèn)為，可以綜合程序設(shè)計(jì)語言，算法與復(fù)雜性，以及軟件工程等多個(gè)領(lǐng)域的內(nèi)容，選擇一個(gè)或多個(gè)編程范例（例如面向?qū)ο缶幊獭⒑瘮?shù)式編程或腳本編程）來說明這些概念。報(bào)告建議，將形式化的分析（例如大O、可計(jì)算性）與設(shè)計(jì)方法（如團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、軟件生命周期）融入到系列課程中，以形成一個(gè)完整的、連貫一致的第一學(xué)年的系列課程。下面，給出軟件開發(fā)基礎(chǔ)領(lǐng)域的

25、基本問題。（1）對(duì)給定的問題，如何進(jìn)行有效的描述并給出算法？（2）如何確定算法的復(fù)雜度？（3）如何正確選擇數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)？（4）如何進(jìn)行設(shè)計(jì)、編碼、測(cè)試和調(diào)試程序？16軟件工程（Software Engineering，SE）軟件工程是一門關(guān)于如何有效構(gòu)建滿足用戶需求的軟件系統(tǒng)所需的理論、知識(shí)和實(shí)踐的學(xué)科。軟件工程適應(yīng)各種軟件開發(fā)，它包含需求分析和規(guī)格、設(shè)計(jì)、構(gòu)建、測(cè)試、運(yùn)行和維護(hù)等軟件系統(tǒng)生存周期的所有階段。軟件工程使用工程化的方法、過程、技術(shù)和度量標(biāo)準(zhǔn)。它使用的工具有管理軟件開發(fā)的工具，軟件產(chǎn)品的分析和建模、質(zhì)量評(píng)估和控制工具，確保有條不紊且有控制實(shí)施軟件進(jìn)化和復(fù)用的工具。軟件可由一個(gè)開發(fā)者或者一組開發(fā)者進(jìn)行開發(fā)，他們需要選擇最適合已知開發(fā)環(huán)境的工具和方法。質(zhì)量、進(jìn)度、成本等軟