计算系统的形式语义(套装上下册) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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陆汝钤 著

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• 语义学
• 程序设计语言
• 编译原理
• 形式化方法
• 逻辑学
• 计算机理论

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出版社： 清华大学出版社

ISBN：9787302414940

商品编码：28057927533

包装：精装

出版时间：2017-01-01

基本信息

书名：计算系统的形式语义(套装上下册)

定价：398.00元

作者：陆汝钤

出版社：清华大学出版社

出版日期：2017-01-01

ISBN：9787302414940

字数：

页码：1856

版次：1

装帧：精装

开本：16

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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都说计算机科学如参天大树直达天际；
是谁在关注深达万丈它的理论根系？
都说计算机科学如乘龙驹一日千里；
又有多少人能一探它的地下王国日新月异？
谁说计算机理论只认得工程科技？
微如量子秘如生命竟也服从形式语义；
数学和逻辑能助你捋清千丝万缕；
《计算系统的形式语义》带你明察奥秘！

内容提要

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计算系统的形式语义是目前计算机科学理论研究的两大方向之一，其研究成果对程序设计语言、编译技术、应用软件、分布式系统等分支领域有重大的实际意义。本书大体上分为三个部分。部分是数学基础，为章。第二部分包括第二到第五章，概述了形式语义中的操作语义、指称语义、公理语义和代数语义四大经典流派。第三部分包括第六到第九章，概述了形式语义学的现代应用， 分别介绍分布式系统、移动计算和移动通信系统、非规范进程代数和微观生命系统，以及量子程序设计语言的形式语义。
全书内容丰富，结构严谨，集形式语义学理论及其应用的有关分支之大成，系统地反映了这个领域各方面的研究成果，特别是它的近代发展潮流和趋势，并对不同流派的理论和方法给予了分析和评论。
本书可作为计算机科学专业研究生、本科生有关课程的教材或教学参考书，也可供有关专业或交叉学科的科研人员进修或作为工具书。

目录

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作者介绍

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文摘

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序言

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前言计算系统的形式语义前言
本书是1992年出版的《计算机语言的形式语义》一书（简称1992版）的更新版。在1992版中我们分别介绍了形式语义形式语义的四个主要流派：操作语义、指称语义、公理语义和代数语义，并在此基础上综合阐述了并发和分布式程序分布式程序的形式语义。从该书出版以来，已经二十余年过去了，在此期间，外形式语义学的研究有了许多重大的突破。
首先，应该提到的是移动通信的发展促进了一类新的进程代数——π演算的出现和发展，使得用进程代数编写的程序不仅可以在固定网络上运行，而且可以改变通信网络的拓扑结构，并在可变的网络结构上实行通信。围绕π演算出现了许多变种，开展了深入的研究。除了可变的网络结构之外，π演算还创造了其他的手段来改进通信技术。例如，利用π演算，有可能建立专用的私密信道。随着π演算而兴起的环境演算环境演算Ambient甚至可以提供建立网上防火墙的手段。服务于保密通信的Spi演算Spi演算把编码和解码引进了语言之中。带有噪音信道的含噪进程代数有希望把香农的信息论引进进程代数中，从而在两类通信理论之间架起一座桥梁。所有这些使得服务于移动通信的进程代数成了一门单独的学问。
其次，分子生物学是近年来发展快的研究方向之一。人类基因图谱的测序完成大大推动了基因组学、蛋白质组学，以及系统生物学的研究。恩格斯曾经说过，数学在生物学中的应用为零，但是这样的时代早就过去了。以数学为基础的形式化方法已经深入到生物领域，成为描述微观生命现象的有力手段。特别值得称道的是概率论和过程作为重要的数学手段在面向微观生命现象的进程代数理论中发挥了重要作用。除了概率进程代数、进程代数和性能评估进程代数这些比较通用的工具之外，一大批特意针对微观生命现象的描述工具已经被设计出来并投入应用。诸如Bioambient、因果π演算、化学抽象机、生化抽象机等工具提供了许多颇有启发的思路。描述微观生命现象的数学工具早已经不纯粹是微积分和微分方程等连续数学的天下，而成了连续工具和离散工具八仙过海的多极世界。
再次，实用化量子计算机出现和推广应用的前景正在吸引越来越多的科学家关注量子计算领域。近年来出现了一批面向量子计算的程序设计语言，其中也包括量子进程代数，科学家们已经开始讨论量子软件和量子软件工程。量子程序设计和经典程序设计有许多本质不同。例如，量子不可克隆原理的存在使得量子程序设计语言不可能有简单的赋值语句。同时，由于对一个量子系统的测量会引起该系统所处状态的坍缩，这使得系统状态的可观察性和程序运行流程的可控制性受到影响。另一方面，量子力学的特殊性质并非只对量子程序设计起限制作用，它的某些性质有可能对量子程序设计是“有用”的。例如，量子离物传态量子离物传态、量子密集编码、量子密码通信等方面的研究成果有可能对量子网络和分布式量子软件工程产生较大影响，宜于我们去关注和开发利用。在意义上，量子程序的运行可以用经典程序来模拟。因此，尽管量子计算机还没有完全实现，但是量子程序设计和量子软件的研究并不要等到量子计算机实现以后再做，而是可以先行一步。而量子密码通信先于量子计算机的实现又提供了研究量子软件的必要性和现实性。更进一步说，量子软件的研究成果可以为未来量子计算机的设计提供新思路，比起先有经典计算机，后有经典程序设计的历史来说，这样做更合理。同样，在实际设计和使用量子程序设计语言之前先把它们的数学基础，即形式语义研究清楚，然后再去设计和使用，这比起传统的程序设计语言先设计、先使用，后论证其理论基础、后补其漏洞来说，未尝不是一件好事。
近十余年来形式语义学的研究成果极其丰富，本书把以上三个方面作为补写和更新的重点，是充分考虑到实践需求的一种选择。这三个方面都具有强烈的应用背景，同时又有深刻的理论问题，构成了三个新的章。同时本书也对原有的六章内容做了必要的补充。其中主要的四部分是：指称语义一章原书以（反映程序不确定性的）幂域理论结尾，本书添加了概率幂域理论和概率加不确定性幂域理论，同时还介绍了基于单体的计算理论和指称语义的完全抽象性完全抽象性研究。在公理语义一章添加了Hoare逻辑的概率推广和Dijkstra弱前置条件语义弱前置条件语义（简称弱前置语义）的概率推广。同时还介绍了基于一种实时模态逻辑的时段演算。并发和分布式语义一章原来重点介绍了CSP和CCS两个进程代数理论，本书补充介绍了另一个重要的进程代数ACP， 从而比较完备地展示了进程代数家族的三剑客架构。另外还分别给出了以扩充Petri网形式出现的CCS真并发语义和以抽象数据类型形式出现的CCS代数语义。这两种方法原则上可以推广到其他进程代数。这一章后以Glabbeek的进程代数并发语义的比较研究结尾。后，由于本书增添了以上各项内容，对章数学基础也要做必要的（低限度的）增补。其中完整增加的有三节：一些基本的代数、拓扑和泛函知识，概率和过程过程知识，以及线性逻辑和Gentzen演算知识。另外对范畴论和格论两节做了必要的增补。
自然界有大量的信息交换并不采取人类语言或计算机语言的形式。一个明显的例子是生命系统。例如，DNA序列就可以看成是一种文字，它构成了生命的“天书”。基因对蛋白质的表达，细胞间和细胞内部的通信，这里都有信息交换和信息处理在起作用。另一个明显的例子是量子系统。凡涉及量子计算、量子纠缠、量子通信、量子密钥等问题，无不归于信息表示和信息处理的范畴。尽管现在的生命过程描述语言和量子程序设计语言都以计算机语言的形式出现，用于生命现象的模拟、预测和量子计算机的编程，我们仍然可以把微观生命系统和量子系统看成自然界的“天造”计算系统。俗话说人算不如天算，它们不仅应该和人造的计算系统平起平坐，而且还为人造计算系统提供了启示和展望。为此也需要形式化的数学工具，以严格和正确地刻画生命信息和量子信息的表示和处理。为此，我们统称本书的内容为计算系统的形式语义。
本书的内容通过每章的概述、除概述以外的各节，以及文献和中、英名词索引四部分组成，它们互不包含。概述是各章涉及内容的一个鸟瞰。章中各节是对其中某些内容有选择地展开讲解。文献是前两部分内容的出处和延伸阅读信息，其中早期文献可以提供有关研究的发展渊源信息，而近期文献则可以提供相关领域的发展前景和专家们的视角。由于形式语义的文献数量极多，肯定有一些重要的有关文献在写作本书时被遗漏掉。即使是已经列入本书介绍范围的一些文献，也肯定有一些因为作者理解不深，甚至理解有误而未能在本书中正确介绍其思想。我想提请读者注意的是，本书不能作为开展研究工作的直接依据。有兴趣在形式语义领域开展研究的读者，可以参照本书提供的线索，进一步阅读原著文献，可以在阅读时对照本书的解释、分析和某些进一步的发展，但是不能忽视阅读原著，以免出现可能的误导。
本书在撰写过程中得到了很多专家的帮助。从开始有写这本书的计划起，作者经常和应明生教授就此交流看法并得到他的很多宝贵建议。应明生、周巢尘、林惠民、夏培肃、陈仪香、袁崇义、林闯、李未、李克正、Bauer、Petri、Broy、Krieg�睟rückner、Reisig等教授都曾向作者提供他们的著作，使作者获得了宝贵的知识来源。为撰写本书，作者参考的文献数量较大，无法一一致谢。其中包括许多不署名的维基百科类资料，非常感谢这些未曾谋面的知识传播者。我们在书中尽可能地对引用的资料给出了出处，包括插图。
为了减少本书可能给读者带来的枯燥感，我们在每一章的前面加配了一首唐诗，每首诗的意境和它所在章的内容（之某些重要部分）存在一些本质的联想。我想读者会同意：在文化艺术和科学技术这两个差别巨大的领域之间不可能有真正的科学对应关系或推理关系，必须强调这仅仅是一种联想关系。它肯定不...，也肯定因人而异。学习和研究都是艰苦的劳动，但同时也应该是快乐的。作者赞成博拉·米卢蒂诺维奇的快乐足球理念，从事科学工作也要有快乐感。在此感谢马冬洁应邀为封面作图，并为每章的唐诗配图作画，使本书增色不少。
作者真诚地感谢清华大学出版社的大度宽容和坚定支持，使得这本撰写时间宽度达十年以上的书稿能够终完成。

计算系统的形式语义 引言 在计算机科学的广阔图景中，我们不仅需要理解“如何”构建高效、可靠的软件和硬件系统，更需要深入探究“为什么”它们能够按照预期工作，以及如何对其行为进行严谨、精确的描述和推理。形式语义学正是在这一需求下应运而生，它为我们提供了一套强大的数学工具，用于定义和分析计算系统的精确含义。本文所介绍的《计算系统的形式语义》（套装上下册）正是这一领域的权威著作，它系统地阐述了形式语义学的基础理论、核心方法及其在各类计算系统中的应用，为读者构建了一个清晰、严谨的理论框架。 第一卷：基础理论与基本模型 《计算系统的形式语义（第一卷）》奠定了整个学科的基石，它循序渐进地介绍了形式语义学的发展脉络、基本概念和核心建模技术。 哲学基础与早期探索：书籍开篇追溯了形式语义学的哲学渊源，探讨了其与逻辑学、语言学以及计算理论的深刻联系。作者阐述了“含义”在计算语境下的重要性，以及为何需要超越直观理解，采用数学化的方法来捕捉计算的本质。在此基础上，对早期形式语义学研究的代表性工作进行了回顾，例如，对早期编程语言（如ALGOL）的语义描述尝试，这些探索为后续更成熟的形式化方法铺平了道路。 操作语义学（Operational Semantics）：本卷的核心内容之一是对操作语义学的详细介绍。操作语义学旨在通过定义程序的“执行步”来刻画程序的含义。书籍详细讲解了两种主要的范式： 结构操作语义（Structural Operational Semantics, SOS）：SOS通过一组重写规则来定义程序的计算过程。这些规则通常是基于程序的语法结构，精确描述了如何一步一步地归约（或执行）一个程序片段。作者深入剖析了SOS的各种表示形式，包括小步语义（Small-step Semantics）和关系语义（Relational Semantics），并提供了大量实例，演示了如何使用SOS来定义基本控制结构（如顺序执行、条件分支、循环）、函数调用以及并发操作的语义。例如，对于一个简单的赋值语句 `x := e`，SOS会提供一条规则，指示如何计算表达式 `e` 的值，然后将该值赋给变量 `x`。对于更复杂的结构，如`if b then s1 else s2`，SOS会根据布尔表达式 `b` 的求值结果，选择性地执行 `s1` 或 `s2`。 公理语义学（Axiomatic Semantics）：公理语义学关注的是程序执行的“结果”而非“过程”。它通过断言（Assertions）和逻辑推理来描述程序的行为。书籍详细介绍了Hoare逻辑（Hoare Logic）及其相关的证明规则，如顺序组合规则、条件规则、循环规则等。Hoare三元组 `{P} S {Q}` 被用来表示“如果程序S在满足前提P的条件下开始执行，那么当S执行完毕时，必然满足后件Q”。作者通过大量范例，展示了如何利用公理语义学来证明程序的正确性，例如，验证循环不变式（Loop Invariants）以证明循环的终止性和正确性。 指称语义学（Denotational Semantics）：作为形式语义学的另一大分支，指称语义学通过将程序映射到数学对象（如值域、函数空间）来赋予程序含义。本卷深入探讨了指称语义学的基本思想和构建方法。 值域与计算模型：书籍首先定义了各种可能的值域，包括基本类型的值、数据结构的值，以及函数和程序的“值”。在此基础上，介绍了不同的计算模型，如领域论（Domain Theory）在处理无限计算（如递归）和不完全信息方面的作用。 函数域与归约：作者详细阐述了如何构建函数域，以及如何定义函数的指称化。特别地，书籍深入探讨了递归方程的解法，例如不动点理论（Fixed-point Theory），这对于理解和定义递归函数和递归数据结构至关重要。例如，对于一个递归函数 `fact(n)`（计算阶乘），指称语义学将其映射到一个函数，通过求解一个递归方程来确定这个函数的精确含义。 面向特定语言的指称语义：书籍通过对一些简单命令式语言（如lambda演算的扩展）的指称语义构建，生动地展示了这一方法的强大之处。 数学基础回顾：为了使读者能够更好地理解后续内容，第一卷还包含了一个扎实的数学基础回顾，重点介绍了集合论、逻辑学（特别是谓词逻辑）、代数结构（如格、代数）以及函数论等与形式语义学密切相关的数学概念。 第二卷：高级主题与应用 在掌握了形式语义学的基础理论后，《计算系统的形式语义（第二卷）》进一步拓展视野，深入探讨了更复杂、更实际的计算系统，并介绍了形式语义学在软件工程、硬件设计、并发性分析等领域的广泛应用。 并发与并行语义学：随着多核处理器和分布式系统的普及，并发和并行性的形式化描述变得尤为重要。本卷花费大量篇幅介绍了几种主要的并发语义模型： 通信顺序进程（Communicating Sequential Processes, CSP）：CSP通过进程（Process）和消息传递（Message Passing）来描述并发系统。书籍详细讲解了CSP的代数表示（Algebraic Representation）及其事件结构，以及如何使用CSP来分析进程之间的交互、死锁和活期性（Liveness）问题。 交流语言（Actors Model）：探讨了基于Actor模型的并发计算，Actor之间通过异步消息进行通信，这种模型在构建高并发、弹性的分布式系统中扮演着重要角色。 Petri网（Petri Nets）：作为一种图形化的并发建模工具，Petri网以其直观的表示和强大的分析能力，被广泛应用于描述并发系统的状态转换和资源共享。书籍介绍了Petri网的基本概念，如库所（Place）、变迁（Transition）、弧（Arc）以及标记（Marking），并展示了如何用Petri网来建模和分析复杂的并发行为。 线性逻辑与并发：探讨了线性逻辑等逻辑工具在建模并发系统中资源消耗和转移方面的应用。 类型系统与程序分析：类型系统是现代编程语言的重要组成部分，它在捕捉程序错误、提高代码可信度方面发挥着关键作用。本卷深入探讨了类型系统的形式化语义： 类型推理与类型检查：书籍详细介绍了类型系统的形式定义，以及如何通过类型规则进行类型推断（Type Inference）和类型检查（Type Checking），以确保程序的类型安全。 更强的类型系统：介绍了包括多态类型（Polymorphism）、依赖类型（Dependent Types）、线性类型（Linear Types）等更高级的类型系统，它们能够表达更丰富的程序属性，并用于更精细的程序分析。 类型与安全性：探讨了类型系统如何与程序安全性（Security）相结合，例如，通过类型系统来防止信息泄露或缓冲区溢出等安全漏洞。 程序分析与模型检测（Model Checking）：形式语义学为程序分析提供了坚实的基础。本卷介绍了多种程序分析技术： 抽象解释（Abstract Interpretation）：这是一种强大的静态分析技术，通过在抽象域上进行计算来近似程序行为，从而在不实际执行程序的情况下检测潜在的错误，如空指针解引用、数组越界等。 模型检测：模型检测是一种自动化的验证技术，它通过系统地探索系统的所有可能状态来检查系统是否满足给定的规范（通常用时序逻辑表示）。书籍介绍了模型检测的基本算法和在软件验证中的应用，特别是在验证并发和分布式系统的正确性方面。 函数式编程语言的语义：在函数式编程日益受到重视的背景下，本卷专门探讨了函数式编程语言的语义。 lambda演算：深入研究了lambda演算，它是函数式编程的理论基础，并介绍了各种lambda演算的扩展（如带递归、带类型）。 纯函数式语言（如Haskell）的语义：通过对纯函数式语言的详细语义描述，展示了如何处理惰性求值（Lazy Evaluation）、递归数据结构以及高阶函数。 硬件设计的形式验证：除了软件系统，形式语义学也广泛应用于数字硬件设计的验证。本卷介绍了如何使用形式化方法来描述和验证数字电路的行为，以确保其设计的正确性，减少硬件故障。 面向对象语言与逻辑编程的语义：为了更全面，本卷还触及了面向对象语言（如Java）和逻辑编程语言（如Prolog）的形式语义描述，展示了形式语义学在不同编程范式下的适应性和适用性。 结论 《计算系统的形式语义（套装上下册）》是一部里程碑式的著作，它不仅系统地梳理了形式语义学的发展脉络，提供了严谨的理论框架，更通过大量的实例和应用场景，展示了形式语义学的实用价值。无论您是计算机科学的研究者、资深的软件工程师，还是对计算原理有着浓厚兴趣的学生，这本书都将是您深入理解计算系统本质、提升问题解决能力、构建可靠系统的宝贵财富。它引导读者从“能用”走向“可信”，为构建更安全、更高效、更可靠的未来计算世界贡献了深厚的理论支撑。

评分☆☆☆☆☆

在信息爆炸的时代，能够静下心来阅读一本如此厚重的学术著作，本身就是一种挑战，也是一种享受。这本书让我有机会暂时远离日常的琐碎，沉浸在逻辑与抽象的海洋中。初读之下，便能感受到作者在梳理和阐述概念时，所付出的巨大心血。每一个定义都力求精确，每一个论证都环环相扣，仿佛是在搭建一座精密的数学城堡。虽然有些地方的数学符号和定理对我来说还需要反复推敲，但这正是学习的乐趣所在。我尤其对其中关于“类型系统”和“程序验证”的章节感到好奇，这些内容直接关系到我们如何构建更可靠、更安全的软件。作者在其中引入的工具和方法，我相信会为我解决实际编程中遇到的难题提供新的视角和思路。总而言之，这本书提供了一个探索计算世界深层规律的绝佳平台，适合那些渴望理解计算“为什么”而不仅仅是“怎么做”的读者。

评分☆☆☆☆☆

对于我来说，这套书更像是一次思维的洗礼。作者用一种近乎哲学的方式来审视计算，将计算系统置于一个抽象的数学框架之下进行分析。这种高度抽象的视角，起初可能需要一些时间去适应，但一旦进入状态，便会发现其中的逻辑之美。本书中涉及的“不动点理论”和“公理语义”等概念，对于理解程序的行为和性质，有着至关重要的作用。我尤其喜欢作者在阐述这些概念时，引入的各种例子，这些例子虽然简洁，但却能够极大地帮助我们理解抽象概念的内涵。虽然我还没有完全掌握所有的证明技巧，但仅凭对这些核心思想的理解，就足以让我对计算系统有了更深刻的认识。这本书的价值在于它提供了一种“思考计算”的方式，一种超越具体编程语言和硬件平台的通用方法。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计确实很吸引人，厚实的上下两册，纸张的触感也相当不错，拿在手里很有分量感。封面采用了比较经典的学术风格，但又不失现代设计感，配色沉静大气，让人一看就觉得内容会非常扎实。开篇的序言部分，作者的文字严谨而流畅，能感受到他对这个领域的深厚积淀和严谨态度。虽然我还没有深入阅读到核心内容，但仅仅是浏览一下目录和章节标题，就已经能窥见其内容的广度和深度。从“递归定义”到“模型论”再到“并发系统”，每一个词汇都散发着理论的光芒，预示着一场关于计算本质的深度探索。我特别期待作者在形式化方法上的论述，希望能从中获得一些启发，理解如何用严谨的数学工具来描述和分析复杂的计算系统。这种对于理论体系的构建和系统性梳理，正是本书最令人期待的地方，相信它能成为我在计算理论领域深入钻研的有力助手。

评分☆☆☆☆☆

购买这套书的初衷，是希望能够系统地梳理一下自己对计算理论的理解。它确实提供了一个非常完善的框架。作者从最基本的定义开始，一步步构建起复杂的理论体系，这对于初学者来说非常友好。例如，他在介绍“代数语义”时，用了大量的篇幅来解释各种运算和结构，使得原本抽象的概念变得具象化。同时，书中对“逻辑语义”的论述，也为理解程序的正确性提供了坚实的理论基础。我特别欣赏作者在处理不同形式化方法之间的联系和区别时的细致之处，能够帮助读者建立起一个整体的认知。虽然阅读过程需要投入大量的时间和精力，但每次读懂一个难点，都会有一种巨大的成就感。这本书不仅仅是一本教科书，更像是一位经验丰富的导师，引导着我一步步深入计算世界的奥秘。

评分☆☆☆☆☆

最近工作上遇到了一些瓶颈，感觉在处理一些复杂系统时，直觉和经验有时候会失效，迫切需要一些更根本性的理论指导。偶然间看到了这套《计算系统的形式语义》，翻阅了一下，感觉这正是自己所需要的。作者在介绍各种形式化模型时，语言虽然严谨，但并没有过于晦涩，而是循序渐进地引导读者进入一个全新的思维模式。特别是关于“模型论”部分，对于理解不同计算模型的等价性和表达能力，我觉得非常有帮助。同时，本书也对并发和分布式系统的建模进行了深入探讨，这对于理解现代软件架构的复杂性至关重要。我欣赏作者在理论深度和实际应用之间找到的平衡点，使得这些抽象的概念能够与我们日常遇到的计算问题产生关联。我相信，通过对这本书的学习，能够显著提升我分析和设计复杂系统的能力。