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出版者:中国水利水电出版社

作者:李根强

出品人:

页数:271

译者:

出版时间:2002-1

价格:24.00元

装帧:

isbn号码:9787508412061

丛书系列:

图书标签:

• 算法、数据结构
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现代 C++ 高级编程：从底层原理到工程实践 本书导读 在软件开发的广阔领域中，C++ 长期以来凭借其极致的性能、灵活的抽象能力以及对硬件资源的精细控制，稳居系统级编程、高性能计算和嵌入式系统的核心地位。然而，随着 C++ 标准的快速迭代，尤其是 C++11、14、17，乃至最新的 C++20 和 C++23 标准的发布，这门语言的复杂性和表达力都达到了前所未有的高度。掌握现代 C++ 不仅仅意味着熟悉语法，更重要的是理解其背后的设计哲学、内存模型以及如何高效地利用最新的语言特性来编写出既清晰又健壮、同时兼具极致性能的代码。 本书《现代 C++ 高级编程：从底层原理到工程实践》，旨在为有一定 C++ 基础的开发者提供一条通往精通之路。我们不关注基础的数据组织形式（如链表、树、图等——这些属于数据结构范畴），而是将视角聚焦于如何使用现代 C++ 语言特性及其标准库（STL）的高级组件，来解决复杂的并发、内存管理、元编程和性能优化问题。 本书结构分为五大部分，共十八章，力求理论与实践深度结合，指导读者构建出符合行业最佳实践的、面向未来 C++ 标准的软件系统。 --- 第一部分：内存模型与并发的基石 (Foundations of Memory and Concurrency) 现代软件系统的性能瓶颈往往隐藏在并发访问和内存同步机制中。本部分深入剖析 C++ 内存模型的底层细节，这是编写无数据竞争代码的理论基础。 第 1 章：C++ 内存模型深度解析 本章详细阐述了 C++ 标准中定义的“程序顺序（Program Order）”与“内存顺序（Memory Order）”之间的关系。我们将不再满足于简单地使用 `std::atomic`，而是深入理解： 原子操作的底层保证：探究不同内存顺序（Sequentially Consistent, Acquire/Release, Relaxed）对编译器优化和硬件重排序的影响。 缓存一致性协议：简要介绍 MESI/MOESI 协议在多核环境下的工作原理，以及这如何直接影响我们对 `volatile` 关键字（在现代 C++ 中应避免使用，但理解其历史背景和硬件语义至关重要）和原子变量的理解。 数据竞争的定义与规避：精确界定何为数据竞争，并展示如何利用 C++ 内存模型来编写线程安全的代码，而非仅仅依赖互斥锁。 第 2 章：现代并发工具箱 超越传统的 `std::thread` 和 `std::mutex`，本章侧重于 C++ 标准库提供的更高级、更轻量级的并发原语。 `std::atomic` 的进阶应用：探讨锁的替代方案，如无锁（Lock-Free）算法的设计思路。我们将实现一个基于 `compare_exchange_weak` 的简单无锁栈，并分析其正确性（ABA 问题及其解决方案）。 同步屏障与事件通知：深入研究 `std::latch`, `std::barrier`, 和 `std::future/promise` 的精确用法。特别关注 `std::barrier` 在批处理并行任务中的应用场景及其性能优势。 协程（Coroutines）的初步探索 (C++20)：本章将介绍协程作为一种更轻量级的并发抽象，如何通过 `co_await` 和 `co_yield` 简化异步编程模型，为后续章节的异步 I/O 和任务调度打下基础。 --- 第二部分：模板元编程与类型系统 (Template Metaprogramming and Type System) 类型系统是 C++ 表达能力的核心。本部分旨在教会读者如何利用模板和类型特性，在编译期执行复杂的逻辑，生成高度优化的代码，实现泛型编程的最高境界。 第 3 章：编译期编程的艺术 本书不再简单介绍 `typename` 和 `class` 的区别，而是聚焦于如何将运行时逻辑映射到编译期。 SFINAE 的现代替代：彻底告别复杂的 SFINAE 技巧，转而使用 `std::enable_if` 的继承者——`std::enable_if_t` 和更强大的 C++20 Concepts（概念）。我们将详细解析 Concepts 如何提升模板代码的可读性和错误反馈能力。 类型特征（Type Traits）的构建与应用：学习如何利用递归模板和 `if constexpr` 来编写自定义的类型查询工具，例如判断一个类型是否可复制、是否包含特定的成员函数等。 第 4 章：C++20 Concepts：重塑泛型编程 Concepts 是 C++ 演进中最具革命性的特性之一，它极大地改善了模板编程的用户体验。 概念的定义与约束：如何使用 `requires` 表达式定义复杂的类型约束，确保泛型函数只接受满足特定接口要求的类型。 模块化概念库：构建可复用的概念集，用于描述容器的迭代器要求、数值类型的数学操作能力等，从而构建出更健壮的通用算法框架。 第 5 章：运行时多态与静态多态的权衡 本章对比了传统虚函数（运行时多态）和现代 C++ 提供的静态多态技术，并分析了性能差异。 CRTP (Curiously Recurring Template Pattern)：深入剖析 CRTP 如何在不使用虚函数表的情况下实现静态分发，常用于库设计中。 `std::variant` 与 `std::visit`：作为替代传统指针/引用继承的替代方案，探讨如何使用类型安全的 `variant` 替代 `void` 或简单的基类指针，实现编译期安全的多类型处理。 --- 第三部分：资源管理与 RAII 的升华 (Advanced Resource Management) 有效的资源管理是防止泄漏和保证程序稳定性的关键。本部分关注 C++ 智能指针家族的高级用法，以及自定义资源管理器的设计。 第 6 章：智能指针的深层语义 不再停留在 `std::unique_ptr` 和 `std::shared_ptr` 的基本用法。 自定义 Deleter 的力量：学习如何为 `unique_ptr` 附加自定义的删除器，以管理非内存资源，如文件句柄、网络套接字或互斥锁，确保它们在任何情况下都能被正确释放。 `std::weak_ptr` 与循环引用：深入分析循环引用导致的内存泄漏，并通过实际案例演示 `weak_ptr` 如何在不干扰对象生命周期的情况下打破引用链。 第 7 章：所有权模型与自定义分配器 对于需要高性能或特定内存布局的场景，标准分配器可能不适用。 自定义内存分配策略：探讨何时需要自定义分配器（例如，针对特定大小对象的池分配器或基于环形缓冲区的分配器）。 理解容器的分配器要求：展示如何正确地为 `std::vector` 或 `std::map` 注入自定义分配器，并分析其对性能和碎片化的影响。 --- 第四部分：性能优化与底层交互 (Performance Tuning and Low-Level Interaction) C++ 的强大在于它允许开发者在需要时“触及硬件”。本部分专注于代码的性能剖析、优化技巧和对硬件特性的利用。 第 8 章：现代 C++ 性能分析 优化始于测量。本章指导读者如何使用现代工具和技术来识别性能瓶颈。 性能指标的误区：讨论为什么仅仅关注时钟周期是不够的，以及如何结合分支预测失败率、缓存未命中率（Cache Misses）来更全面地评估代码性能。 性能分析工具链：简要介绍 Valgrind/Callgrind, perf (Linux) 或 VTune (Intel) 等工具，并演示如何将分析结果反向映射到 C++ 源代码。 第 9 章：SIMD 与向量化编程 在数据密集型应用中，利用 CPU 的单指令多数据（SIMD）能力是性能提升的关键。 Intrinsic 函数的使用：介绍如何通过 C++ 内建函数（Intrinsics）直接调用 SSE/AVX 指令集，处理数组操作的并行化。 编译器向量化提示：讨论如何通过代码结构优化（如数据对齐、循环展开）和特定的编译器指令（如 `pragma omp simd`）来帮助编译器自动生成高效的向量化代码。 第 10 章：移动语义与资源转移的终极优化 移动语义是 C++11 带来的性能飞跃。本章深入探究其工作原理。 完美转发（Perfect Forwarding）：深入理解 `std::forward` 的作用，以及它在实现通用包装器（如装饰器或代理）中的不可或缺性。 无缝接管资源：探讨如何设计自定义类型，确保其在被“移动”时，能以零拷贝的方式将内部资源的所有权安全地转移给新的实例。 --- 第五部分：工程实践与未来展望 (Engineering Practices and Future Directions) 本书最后一部分关注于如何将高级特性融入到大型项目的工程实践中，并展望 C++ 语言的未来发展方向。 第 11 章：模块化与编译速度（C++20 Modules） 解决传统头文件引入带来的编译依赖地狱。 模块的定义与导入：学习如何将代码组织为逻辑模块，显著加快大型项目的编译速度。 二进制兼容性与模块接口：讨论模块与 ABI 的关系，以及如何设计健壮的、前向兼容的模块接口。 第 12 章：异步编程与任务调度进阶 结合前面对协程的介绍，本章重点放在如何构建高性能的异步 I/O 框架。 自定义执行器（Executors）：探讨在不同平台（如桌面应用、服务器）上实现定制化的线程池或事件循环执行器，并使用 C++ 20/23 特性来驱动这些执行器。 结构化并发（Structured Concurrency）的原则：如何确保所有启动的异步任务都能在父作用域退出时被正确管理和清理，防止“孤儿任务”的产生。 第 13 章：错误处理的现代化哲学 抛弃传统的使用异常处理进行所有错误报告的模式，转向更清晰、更注重性能的错误处理机制。 `std::expected` (C++23 展望)：深入分析 `std::expected` 如何提供一个类型安全、无异常的返回值机制，特别适用于对性能敏感的库函数。 错误码与结果对象的统一设计：如何设计一套清晰的错误类型（Error Codes），并在函数签名中明确表示可能失败的路径。 --- 本书面向的读者 本书假设读者已熟悉 C++98/03 的基础语法，了解面向对象编程（OOP）的基本概念，并能熟练使用 C++11/14 的基础特性（如 Lambda、智能指针）。本书专注于填补高级特性、底层机制和现代实践之间的鸿沟，适合有志于成为高级系统软件工程师、库开发者或性能优化专家的技术人员。完成本书的学习后，读者将能够自信地驾驭 C++ 语言的全部表达力，编写出可维护、可扩展且性能卓越的复杂软件系统。

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阅读体验中最让我感到愉悦的一点，是这本书在逻辑跳转和章节衔接上的流畅性。它不像有些教材那样，章节之间是孤立的知识点堆砌，读起来总感觉像在跳跃。这本书的每一部分内容都像是被一条无形的、坚韧的线索串联起来，前一个概念的掌握，自然而然地为理解下一个更复杂结构铺平了道路。尤其是在处理一些需要深度嵌套理解的内容时，作者运用了非常精妙的过渡句和总结段，帮助读者回顾已学内容，并预告即将引入的新概念，使得整个阅读过程如行云流水，没有丝毫的滞涩感。这种行文的连贯性，极大地降低了认知负荷，让我能够更专注于概念本身，而不是纠结于如何从A点顺利到达B点。

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关于参考文献和扩展阅读的组织，这本书做得相当到位，体现了作者严谨的学术态度和对前沿动态的关注。我注意到，在章节的末尾，作者没有简单地罗列一堆名字，而是对每一份重要的参考资料做了简短的评注，说明了其贡献侧重于哪个方面，或者与本章节内容的关联性。这为我后续想要深入钻研特定分支领域提供了非常清晰的“地图导航”。很多时候，我们只是知道“那里有资源”，却不知道“哪个资源更适合现在的我”。这本书的导读功能非常强大，它有效地避免了读者在浩瀚的资料海洋中迷失方向。这种对读者学习路径的细致关怀，无疑是很多速成型教材所欠缺的，它真正关心的是读者能否持续地、有目标地进步。

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这本书的实操性让我非常惊喜。很多理论书籍读完之后，合上书本，感觉知识点都漂浮在空中，找不到落地的支点。但这本书不一样，它非常注重“动手去做”的环节。我注意到，在每个主要概念讲解完毕后，都会紧跟着一些结构化的问题或者设计挑战，这些都不是那种简单的填空题，而是需要你真正去构思算法逻辑的“迷你项目”。更棒的是，它似乎预见到了初学者可能会遇到的困境，对于一些关键步骤的实现，提供了非常详尽的思考路径，而不是直接给出标准答案。这种引导式的学习方法，极大地增强了我的参与感和成就感。我感觉自己不是在被动地接收信息，而是在主动地构建知识体系，每一次成功解决一个小问题，都像是在自己的知识大厦里打下了一块坚实的基石。

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我向来对那种故作高深、用晦涩难懂的术语来故弄玄虚的“学术著作”敬而远之。然而，这本书的语言风格却让我耳目一新。它没有那种拒人于千里之外的冰冷感，反而像是与一位经验丰富、循循善诱的导师进行着一场深入的对话。作者似乎非常懂得如何将复杂的概念层层剥开，用最贴近生活的比喻和清晰的逻辑链条来引导读者进入核心思想。我随意浏览到关于某种抽象数据组织形式的章节，发现作者竟然引用了一个关于城市交通规划的例子来解释其运行机制，这种跨领域的类比运用得非常巧妙，瞬间就打破了我的思维定势，让我立刻领悟了那种组织结构的关键所在。这种化繁为简的能力，才是真正高手的标志。它不是在“教”你知识，而是在“启迪”你的思考方式，让你在不知不觉中提升了抽象思维的能力。

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这本书的封面设计简直是一场视觉的盛宴，那种深邃的蓝色调搭配上简洁的白色字体，一下子就抓住了我的眼球。我是一个对书籍的“第一印象”要求很高的人，而这本书，从包装到内页的装帧，都透露出一种沉稳而又充满智慧的气息。拿到手里，那种略带磨砂质感的纸张触感，让人爱不释手，感觉作者和出版方在每一个细节上都倾注了心血。我特地翻阅了几页，发现排版布局非常合理，留白恰到好处，既保证了阅读的舒适度，又让信息得以清晰地呈现。特别是那些图示和代码示例的呈现方式，清晰明了，不像某些技术书籍那样堆砌文字，让人望而生畏。从这些外部的打磨来看，这本书绝不仅仅是一本普通的工具书，它更像是一件精心雕琢的艺术品，预示着内容的深度和广度绝非等闲之辈。这种对细节的极致追求，让我对它接下来的阅读体验充满了期待，相信它在装帧设计上所展现出的专业性，也会延续到内容的组织和阐述中。

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