计算机软件工程

默认只展示每周独有的知识重点；节奏、考核、Tutorial 和避坑信息按需展开。

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   Introduction to Concurrent Programming

   ### 📖 核心知识点：并发编程导论 课程介绍并发编程的动机和基本概念。学习 Concurrency vs Parallelism 的区别。理解 Process 和 Thread 的概念、创建和生命周期。学习并发编程面临的核心挑战：Race Condition、Deadlock、Starvation。 - **核心概念/公式**: Concurrency（逻辑同时）vs Parallelism（物理同时）、Thread 生命周期 (New→Runnable→Running→Blocked→Terminated)、Non-determinism ⏰ **本周节奏**: 难度 ⭐⭐⭐ | 预计投入 7h（Lecture 2h + Applied Class 1h + 自学 4h） 🎯 **考试关联**: Final Exam 会考并发基础概念和 Race Condition 的识别。 🧪 **Tutorial/Lab**: 编写简单的多线程程序，观察 Race Condition 的不确定行为。 📌 **作业关联**: Assignment 1 基于本课程的并发编程概念。 ⚠️ **易错点**: Concurrency 不等于 Parallelism（单核也可以并发）；Race Condition 可能在多次运行中偶尔出现，不容易复现。

   课程定位与先修回顾
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   Threads & Thread Management

   ### 📖 核心知识点：线程与线程管理 深入学习 Thread 的创建和管理。掌握 Java/Python 中线程的编程接口。学习 Thread Pool 的概念和优势。理解 Thread Safety 的含义和实现方法。 - **核心概念/公式**: Thread.start() vs Thread.run()（直接调用 run 不会创建新线程）、Thread Pool (ExecutorService)、Thread-local Storage ⏰ **本周节奏**: 难度 ⭐⭐⭐ | 预计投入 8h（Lecture 2h + Applied Class 1h + 自学 5h） 🎯 **考试关联**: 线程创建和管理的 API 使用是基础考点。 🧪 **Tutorial/Lab**: 实现多线程计算任务，比较单线程和多线程的性能差异。 📌 **作业关联**: Assignment 1 需要使用多线程编程。 ⚠️ **易错点**: 调用 run() 而非 start() 导致同步执行；线程创建过多导致资源耗尽；忘记 join() 等待线程结束就读取结果。

   核心概念导入
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   Mutual Exclusion & Critical Sections

   ### 📖 核心知识点：互斥与临界区 学习 Critical Section Problem 的定义和解决方案。掌握 Mutual Exclusion 的四个要求：Mutual Exclusion、Progress、Bounded Waiting、No assumption about speed。学习 Peterson's Algorithm 和 Hardware Solutions (Test-and-Set, Compare-and-Swap)。 - **核心概念/公式**: Critical Section 的 Entry/Exit Protocol、Peterson's Algorithm 的两个变量 (flag[], turn)、Atomic Operations: CAS (Compare-And-Swap) ⏰ **本周节奏**: 难度 ⭐⭐⭐⭐ | 预计投入 9h（Lecture 2h + Applied Class 1h + 自学 6h） 🎯 **考试关联**: Critical Section 和 Peterson's Algorithm 是 Final Exam 的核心考点。需要能证明算法满足互斥性。 🧪 **Tutorial/Lab**: 实现 Peterson's Algorithm，验证其正确性。分析 CAS 操作的 ABA 问题。 📌 **作业关联**: 理解互斥机制是后续所有同步编程的基础。 ⚠️ **易错点**: Peterson's Algorithm 在现代多核 CPU 上需要 Memory Barrier 才能正确工作；CAS 的 ABA 问题容易忽略；忘记 Critical Section 应尽可能短。

   关键方法I
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   Semaphores & Synchronization Primitives

   ### 📖 核心知识点：信号量与同步原语 学习 Dijkstra 的 Semaphore (信号量) 概念。掌握 Binary Semaphore（互斥锁）和 Counting Semaphore（资源计数）的使用。用 Semaphore 解决经典同步问题：Producer-Consumer、Readers-Writers、Dining Philosophers。 - **核心概念/公式**: P(wait/acquire) 和 V(signal/release) 操作、Binary Semaphore 实现 Mutex、Counting Semaphore 管理有限资源 ⏰ **本周节奏**: 难度 ⭐⭐⭐⭐⭐ | 预计投入 10h（Lecture 2h + Applied Class 1h + 自学 7h）🔥 高压周 🎯 **考试关联**: Semaphore 解决同步问题是 Final Exam 的高频考点。经典问题的解法必须掌握。 🧪 **Tutorial/Lab**: 用 Semaphore 实现 Producer-Consumer 和 Bounded Buffer 问题。 📌 **作业关联**: Assignment 1 可能涉及 Semaphore 的编程应用。 ⚠️ **易错点**: P 和 V 的顺序错误导致死锁；Counting Semaphore 初始值设置错误；在 Critical Section 内调用可能阻塞的操作。

   关键方法II
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   Monitors & Condition Variables

   ### 📖 核心知识点：管程与条件变量 学习 Monitor (管程) 作为高级同步抽象。掌握 Condition Variable 的 wait() 和 signal()/notify() 操作。理解 Mesa-style vs Hoare-style Monitor 的区别。用 Monitor 重新实现经典同步问题。 - **核心概念/公式**: Monitor 的互斥进入保证、Condition Variable 的 wait/signal 语义、Mesa Monitor 中 signal 后等待者需要重新检查条件 (while loop) ⏰ **本周节奏**: 难度 ⭐⭐⭐⭐ | 预计投入 9h（Lecture 2h + Applied Class 1h + 自学 6h） 🎯 **考试关联**: Monitor 和 Condition Variable 的使用是考试重点。Mesa vs Hoare 的区别常考。 🧪 **Tutorial/Lab**: 用 Java synchronized + wait/notify 实现 Monitor-based 的 Bounded Buffer。 📌 **作业关联**: Monitor 是实际编程中最常用的同步机制。 ⚠️ **易错点**: Mesa Monitor 中必须用 while 而非 if 检查条件（signal 后条件可能被其他线程改变）；忘记在 synchronized 块内调用 wait/notify 导致 IllegalMonitorStateException。

   建模与分析
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   Deadlock: Detection, Prevention & Avoidance

   ### 📖 核心知识点：死锁的检测、预防与避免 系统学习 Deadlock 的四个必要条件 (Coffman Conditions): Mutual Exclusion, Hold & Wait, No Preemption, Circular Wait。掌握死锁预防（破坏四个条件之一）、死锁避免 (Banker's Algorithm)、死锁检测与恢复的策略。 - **核心概念/公式**: Coffman's 四个条件、Banker's Algorithm（Safe State 判断）、Resource Allocation Graph、Wait-for Graph 检测环 ⏰ **本周节奏**: 难度 ⭐⭐⭐⭐ | 预计投入 9h（Lecture 2h + Applied Class 1h + 自学 6h） 🎯 **考试关联**: Banker's Algorithm 的手工执行和 Safe State 判断是 Final Exam 的必考内容。 🧪 **Tutorial/Lab**: 手工执行 Banker's Algorithm，判断给定状态是否安全。分析 Resource Allocation Graph 中的死锁。 📌 **作业关联**: 死锁避免策略在并发系统设计中至关重要。 ⚠️ **易错点**: Banker's Algorithm 的 Available、Max、Allocation、Need 矩阵计算容易出错；检测 Safe Sequence 时遗漏某个可执行进程；实际编程中的 Lock Ordering 实施不一致。

   实验与实现
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   Message Passing & Communication

   ### 📖 核心知识点：消息传递与通信 学习进程间通信 (IPC) 的消息传递模型。掌握 Synchronous (Blocking) vs Asynchronous (Non-blocking) Message Passing 的区别。学习 Channel-based Communication 和 Actor Model 的概念。 - **核心概念/公式**: Send/Receive 原语、Direct vs Indirect Communication、Buffered vs Unbuffered Channel、Actor Model 的 "no shared state" 原则 ⏰ **本周节奏**: 难度 ⭐⭐⭐ | 预计投入 8h（Lecture 2h + Applied Class 1h + 自学 5h） 🎯 **考试关联**: Message Passing 模型和 Channel 语义是考试内容。 🧪 **Tutorial/Lab**: 使用 Go/Java 的 Channel 机制实现 Producer-Consumer，对比与 Semaphore 方案的差异。 📌 **作业关联**: Assignment 2 可能涉及 Message Passing 编程。 ⚠️ **易错点**: Synchronous send 和 receive 必须同时就绪才能通信（容易死锁）；忽略消息顺序保证导致逻辑错误；Channel buffer 满时的行为（阻塞 vs 丢弃）取决于实现。

   中期评估
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   Concurrent Data Structures

   ### 📖 核心知识点：并发数据结构 学习线程安全的数据结构设计。掌握 Lock-based 和 Lock-free 两种并发数据结构的实现策略。学习 ConcurrentHashMap、ConcurrentLinkedQueue 等 Java 并发容器的设计原理。 - **核心概念/公式**: Coarse-grained vs Fine-grained Locking、Lock-free Queue (Michael-Scott Queue)、CAS-based 无锁算法、Linearizability 定义 ⏰ **本周节奏**: 难度 ⭐⭐⭐⭐ | 预计投入 9h（Lecture 2h + Applied Class 1h + 自学 6h） 🎯 **考试关联**: 并发数据结构的正确性分析和 Linearizability 概念可能出现在考试中。 🧪 **Tutorial/Lab**: 实现一个 Lock-free Stack 或 Queue，验证其线程安全性。 📌 **作业关联**: 并发数据结构是高性能系统设计的核心技能。 ⚠️ **易错点**: Fine-grained Locking 的加锁顺序不一致导致死锁；Lock-free 算法中 CAS 的 ABA 问题；忽略 Memory Visibility（Java 需要 volatile 或 happens-before 关系）。

   专题实践I
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   Formal Models: CSP & Process Algebra

   ### 📖 核心知识点：形式化模型 - CSP与进程代数 学习 Communicating Sequential Processes (CSP) 作为并发系统的形式化规约语言。掌握 CSP 的基本语法：Events, Processes, Sequential Composition (→), Choice (□, ⊓), Parallel Composition (∥), Hiding (\)。理解 Trace Semantics 和 Refinement 的概念。 - **核心概念/公式**: CSP Process: STOP, SKIP, a→P、External Choice □ vs Internal Choice ⊓、Alphabetised Parallel: P [A∥B] Q、Traces 和 Failures 语义 ⏰ **本周节奏**: 难度 ⭐⭐⭐⭐⭐ | 预计投入 10h（Lecture 2h + Applied Class 1h + 自学 7h）🔥 高压周 🎯 **考试关联**: CSP 表达式的阅读和编写是 Final Exam 的重要考点。 🧪 **Tutorial/Lab**: 用 CSP 规约经典并发问题（Dining Philosophers），分析可能的 Deadlock。 📌 **作业关联**: Assignment 2 可能要求用 CSP 建模并分析并发系统。 ⚠️ **易错点**: External Choice 和 Internal Choice 的语义差异（External 由环境决定，Internal 由系统非确定选择）；Parallel Composition 的同步规则（共同事件必须同步）。

   专题实践II
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    Distributed Systems & Distributed Algorithms

    ### 📖 核心知识点：分布式系统与分布式算法 从共享内存并发扩展到分布式系统。学习分布式系统的基本挑战：Network Partitions, Latency, Partial Failure。掌握 Logical Clocks (Lamport Timestamps, Vector Clocks) 和 Distributed Mutual Exclusion (Ricart-Agrawala Algorithm)。 - **核心概念/公式**: Lamport Clock: C(a) < C(b) 若 a→b (happens-before)、Vector Clock: 精确捕获因果关系、CAP Theorem (Consistency, Availability, Partition Tolerance) ⏰ **本周节奏**: 难度 ⭐⭐⭐⭐ | 预计投入 9h（Lecture 2h + Applied Class 1h + 自学 6h） 🎯 **考试关联**: Logical Clock 的计算和分布式互斥算法是 Final Exam 的可能考点。 🧪 **Tutorial/Lab**: 手工计算 Lamport/Vector Timestamp，判断事件间的因果关系。 📌 **作业关联**: 分布式系统概念扩展了并发编程的视野。 ⚠️ **易错点**: Lamport Clock 只保证 a→b ⇒ C(a)<C(b)，反过来不成立（可能是并发事件）；Vector Clock 维度 = 进程数，消息传递时取 element-wise max。

    项目推进
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    Parallel Programming Patterns

    ### 📖 核心知识点：并行编程模式 学习实用的并行编程模式。掌握 Fork-Join Parallelism、Map-Reduce 模式、Pipeline Parallelism。学习 Java 的 Fork/Join Framework 和 Stream Parallel API。了解 GPU 并行计算的基本概念。 - **核心概念/公式**: Fork-Join 的 Work-Stealing 调度、MapReduce: Map → Shuffle → Reduce、Amdahl's Law: Speedup ≤ 1/((1-p)+p/n) ⏰ **本周节奏**: 难度 ⭐⭐⭐ | 预计投入 8h（Lecture 2h + Applied Class 1h + 自学 5h） 🎯 **考试关联**: Amdahl's Law 的计算和并行模式的选择是可能的考题。 🧪 **Tutorial/Lab**: 用 Fork-Join 框架实现并行 Merge Sort，测量不同数据规模下的 Speedup。 📌 **作业关联**: Assignment 2 截止在即。 ⚠️ **易错点**: Amdahl's Law 的串行比例 (1-p) 估计不准确；Fork-Join 的任务粒度太细反而比串行慢（overhead）；parallel stream 对共享状态有 side-effect 时行为不确定。

    成果整理
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    Verification of Concurrent Programs & Review

    ### 📖 核心知识点：并发程序验证与课程总复习 学习并发程序的正确性验证方法。了解 Model Checking (如 SPIN/Promela) 的基本原理——通过穷举状态空间检测死锁和违反安全性的行为。课程总复习，重点串联同步机制→形式化模型→分布式算法的知识链。 - **核心概念/公式**: Safety Property (bad things never happen) vs Liveness Property (good things eventually happen)、Model Checking 的状态空间爆炸问题 ⏰ **本周节奏**: 难度 ⭐⭐⭐ | 预计投入 9h（Lecture 2h + Applied Class 1h + 自学 6h）📝 复习周 🎯 **考试关联**: Final Exam 覆盖全部 12 周内容。重点：同步问题求解 (30%)、CSP 形式化 (20%)、死锁分析 (20%)、分布式算法 (15%)、概念题 (15%)。 🧪 **Tutorial/Lab**: 做往年真题模拟，重点练习 Semaphore/Monitor 编程题和 CSP 分析题。 📌 **作业关联**: 所有作业已截止，专注备考。 ⚠️ **易错点**: 考试中 Semaphore 和 Monitor 的解题方法不要混用；CSP 的并行组合运算符语义需要记准；Banker's Algorithm 的手工计算步骤不要跳步。

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