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出版者:清华

作者:彭四伟编著

出品人:

页数:200

译者:

出版时间:2002-1

价格:18.00元

装帧:

isbn号码:9787302059363

丛书系列:

图书标签:

• C语言
• 程序设计
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• 理工科

《数据结构与算法（C++实现）》图书简介 导言：现代计算的基石 在信息技术飞速发展的今天，软件的性能与效率已成为衡量其质量的核心标准。本书，《数据结构与算法（C++实现）》，旨在深入剖析支撑所有高效计算系统的底层逻辑——数据组织方式与问题求解策略。它并非一本关于特定编程语言语法的教材，而是面向所有致力于构建健壮、快速、可扩展软件的工程师和研究人员的基石性读物。我们专注于提供坚实的理论框架，并通过业界广泛采用的C++语言进行严谨的实践验证。 本书的核心理念在于：优秀的代码源于对数据如何存储、如何高效遍历的深刻理解。我们摒弃了对基础C++语法点的冗长解释，而是将重点完全聚焦于如何运用C++的强大特性（如模板编程、面向对象设计）来优雅且精确地实现和分析经典与前沿的数据结构和算法。 第一部分：基础奠定与性能分析 本部分为后续高级主题构建了必要的数学和工程基础。我们深知，脱离了严谨的性能度量，任何算法的讨论都只是空谈。 1. 算法效率的量化： 我们从渐进分析（Big O, Omega, Theta符号）开始，详细阐述了时间复杂度和空间复杂度的精确计算方法。内容覆盖最好、最坏和平均情况分析，并特别讨论了在面对非确定性算法（如涉及随机数或哈希函数）时的分析技巧。我们提供大量真实案例，展示如何通过代码走查而非直觉来确定算法的增长率。 2. C++在算法实现中的角色： 介绍如何利用C++模板元编程（Template Metaprogramming）来编写与具体数据类型无关的通用数据结构接口。这不仅是实现抽象数据类型（ADT）的关键，也是理解现代标准库（STL）设计哲学的必经之路。 3. 递归与分治法： 递归的本质、尾递归优化、以及如何使用主定理（Master Theorem）分析分治算法的复杂度。通过经典的汉诺塔问题和矩阵乘法的优化案例，深化对“将问题分解”这一核心思想的理解。 第二部分：核心数据结构深度解析 本部分系统性地介绍了计算科学中最基础也最关键的若干数据组织结构，重点在于它们的设计原理、操作成本以及适用场景。 4. 线性结构：栈、队列与链表变体： 栈与队列： 实现原理（基于数组与链表），以及在表达式求值（中缀转后缀）和进程调度中的应用。 链表家族： 深入剖析单向、双向、循环链表的内存布局与指针操作的陷阱。特别关注“哑节点”（Dummy Node）的使用技巧，以简化插入和删除操作的边界条件处理。 5. 树形结构：层次的艺术： 二叉树与二叉搜索树（BST）： 详细讲解节点的插入、删除和查找操作的平衡性问题。 平衡搜索树进阶： 侧重于AVL树和红黑树（Red-Black Tree）的旋转操作（单旋、双旋）和颜色维护规则。我们不仅仅展示代码，更侧重于解释为什么这些特定规则能够保证对数时间复杂度的稳定性能。 B树与B+树： 针对外部存储（如磁盘I/O）优化的结构。分析其阶数（Order）的选择对搜索性能的影响，这是数据库系统设计中的核心知识。 6. 堆结构与优先队列： 二项堆（Binomial Heap）与斐波那契堆（Fibonacci Heap）： 它们与标准二叉堆的主要区别在于摊还分析下的操作时间。重点解析斐波那契堆在“延迟合并”和“减小键值”操作中的精妙设计，及其在Dijkstra和Prim算法优化中的实际优势。 7. 散列技术：速度的极限： 哈希函数设计： 从乘法法、除法法到通用完美哈希（GPH）。 冲突解决策略： 线性探测、二次探测、双重哈希。我们对比分析了这些方法在聚集（Clustering）问题上的表现差异。 动态哈希： 介绍可扩展哈希（Extendible Hashing）和线性哈希（Linear Hashing）如何处理数据量动态增长时的结构重构问题，避免昂贵的完全重建。 第三部分：高级算法与求解范式 本部分将视角从数据组织转移到解决具体问题的策略上，覆盖了算法设计中的四大核心范式。 8. 排序的艺术：从基础到最优： 回顾并严格分析了插入排序、冒泡排序、归并排序和快速排序。 重点对比快速排序在选择枢轴（Pivot Selection）策略上的影响（如三数取中法）。 堆排序的实现，强调其在原地排序（In-place Sorting）方面的优势。 针对特定数据范围，深入探讨计数排序、基数排序的原理及其线性时间复杂度成立的前提条件。 9. 图论：连接世界的模型： 图的表示： 邻接矩阵与邻接表的优劣势分析，以及在稀疏图和稠密图中的选择倾向。 遍历算法： 深度优先搜索（DFS）与广度优先搜索（BFS），并展示它们在连通性检测和拓扑排序中的应用。 最短路径： 迪杰斯特拉（Dijkstra）算法、贝尔曼-福特（Bellman-Ford）算法的实现细节，以及两者处理负权边的能力对比。对于所有负环的情况，详细解析如何利用松弛操作进行检测。 最小生成树： 克鲁斯卡尔（Kruskal）与普里姆（Prim）算法，并重点讲解如何高效地结合并查集（Disjoint Set Union）结构来加速克鲁斯卡尔算法。 10. 动态规划（DP）：最优子结构的捕获： DP的核心思想：最优子结构与重叠子问题。 通过矩阵链乘法、背包问题（0/1和分数背包）、最长公共子序列等经典案例，演示自底向上（Tabulation）和自顶向下（Memoization）两种实现方式的权衡。 状态压缩DP： 介绍如何利用位运算来表示和转移子问题状态，应对旅行商问题（TSP）等NP完全问题在小规模实例中的精确求解。 11. 贪心算法的有效性判定： 解释贪心选择性质（Greedy Choice Property）与最优子结构的关系。 通过霍夫曼编码（Huffman Coding）的构建过程，展示贪心策略的实际效率。 分析为何有些问题（如找零问题在特定货币体系下）可以采用贪心，而另一些（如背包问题）则必须使用动态规划。 第四部分：计算复杂性与前沿主题 本部分将读者的视野提升到理论的顶层，探讨问题的内在难度。 12. 计算复杂性导论： P类与NP类： 对可解性问题的清晰界定。 NP-完全性（NP-Completeness）： 介绍归约（Reduction）的概念，以及如何证明一个问题是NP-完全的（利用已知的NP-完全问题作为起点，如SAT问题）。 13. 现代算法实现技巧： 并查集（DSU）： 路径压缩和按秩合并的精妙结合，实现几乎常数时间的均摊复杂度。 字符串匹配： 深入KMP算法（Knuth-Morris-Pratt）中前缀函数（Prefix Function）的构建与应用，以及Rabin-Karp算法中的滚动哈希技术。 结语：工程实践的承诺 本书的每一章节都包含大量经过编译和性能测试的代码实例，这些实例均采用现代C++标准编写，强调代码的可读性、模块化和效率。阅读完本书，读者将不仅掌握一系列解决问题的“工具箱”，更重要的是，获得一种严谨的、量化的思维方式，能够自信地分析和设计出在时间和空间上都表现优异的复杂软件系统。这不是一本关于C++“如何做”的书，而是一本关于计算“为什么如此高效”的书。

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这本书，老实说，我本来是抱着非常功利的心态去翻阅的，毕竟市场上的教材汗牛充牛鼎，大部分无非是把语法点罗列一遍，然后配上几道看着很玄乎但实际上缺乏实际应用价值的例题。我对编程语言的学习历来是“实战派”，单纯的理论堆砌对我来说简直是催眠曲。然而，这本书在叙述基础概念时，那种深入浅出的方式却意外地抓住了我的注意力。它没有急于展示复杂的指针运算或者内存管理黑魔法，而是花了大篇幅去构建一个清晰的“计算模型”概念。我记得初期对“变量”这个概念的阐述，作者没有直接抛出内存地址的概念，而是用了一个非常生动的比喻，将内存比作一个巨大的、编号的仓库，变量则是贴在特定货架上的标签。这种处理方式，对于一个初学者，或者像我一样，想重新夯实基础的“老油条”来说，简直是醍醐灌顶。它让我们真正理解了，我们写的代码在机器层面到底发生了什么，而不是停留在“输入什么，输出什么”的黑箱操作层面。这种对底层逻辑的尊重和细致铺垫，是很多市面上同类书籍所缺失的，真正体现了作者在教学方法上的匠心独运。读下去的感觉是，每翻过一章，我都能感觉到自己的思维框架在被系统地重塑和加固，而不是被动地接受知识点。

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我必须承认，我对算法和数据结构的结合部分一直抱有警惕心理，因为很多入门书籍为了显得“高级”，会强行塞入一些并不必要的复杂算法讲解，结果就是讲解得浅尝辄止，既没把C语言讲透，也没把算法讲明白。然而，这本书在这方面的处理拿捏得极其到位。它没有回避指针和动态内存分配（`malloc`, `free`），但它将这些关键且危险的工具的使用场景，紧密地结合在了构建基本数据结构的过程中。比如，在实现链表时，作者没有直接给出最终代码，而是通过一系列逐步构建的步骤——先是裸指针的指向关系模拟，然后引入结构体，最后才是具体的内存申请和释放——清晰地展示了指针是如何管理和连接内存块的。更令人印象深刻的是，它在讲解结构体和联合体时，特意穿插了关于“字节对齐”的讨论，并用实际的内存布局图展示了不同成员变量的偏移量。这种将“语言特性”与“应用实践”无缝融合的教学方式，远比孤立地学习数据结构要来得有效得多，因为它让你在写代码时就自然而然地对内存效率和安全性有了初步的认知。

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我特别欣赏这本书在“程序设计哲学”层面所传达的理念，这往往是技术书籍中最容易被忽略，但却是区分优秀程序员和平庸代码匠人的关键所在。作者在全书中贯穿着对“模块化”、“信息隐藏”以及“防御性编程”的强调。这不是在C语言的语法之外开辟一个新章节来单独讲授“设计原则”，而是将这些理念融入到每一个代码示例和每一个函数的编写规范中。例如，在处理文件I/O时，作者不仅演示了打开和关闭文件的基本流程，更细致地讲解了如何处理各种异常返回码（如文件不存在、权限不足等），并用清晰的结构体来封装底层I/O操作，使其对上层调用者保持透明。这种潜移默化的影响，让我在阅读过程中，自然而然地开始反思自己过去写代码时那些粗糙的处理方式。它不仅仅是一本关于C语言语法的书，更像是一位经验丰富的老工程师，带着你，在讲解语言的同时，帮你打磨你的工程素养和职业习惯。这种深层次的指导，是任何速成手册都无法比拟的宝贵财富。

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这本书的“挑战性”设置，我觉得设计得非常巧妙，完全避开了那种故作高深的“智力题”陷阱。很多编程书的习题是那种只有作者才知道的特定解法，让你觉得自己笨得像块石头。但这本书的课后练习，绝大部分都是围绕着“实际工程中会遇到的问题”来设计的。比如，解析一个简单的配置文件格式，或者实现一个命令行参数解析器的小功能模块。这些练习的特点是，它们没有固定的标准答案，而是鼓励读者去探索不同的实现路径。我记得有一个章节后让实现一个简易的文件查找工具，我尝试用递归的方式，而我的同学用了迭代的方式，我们互相交流了各自的实现和对性能的考量，这比我们两个人分别对着书本的标准答案默默敲代码要有价值得多。这种鼓励探索和实践的练习体系，真正将学习过程从被动的“接受知识”转化成了主动的“解决问题”。它培养的不是你记住知识点的能力，而是运用知识去攻克现实障碍的思维习惯，这对于未来从事任何软件开发工作都是至关重要的核心竞争力。

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这本书的排版和插图设计，真的，我要为它点赞。我之前读过一本号称是“权威”的教材，内容是硬核，没错，但密密麻麻的文字和几乎没有留白的版式，简直是对读者视觉耐力的终极考验。那本书我买了三个月，硬是没翻过五分之一。相比之下，这本《C语言程序设计》的阅读体验简直是天壤之别。它在处理流程控制语句，比如`switch-case`或者复杂的嵌套循环时，使用的流程图和伪代码注释非常直观，尤其是在解释递归函数调用栈的展开与收拢时，那几页彩色的图示，我几乎是一眼就明白了困扰我多年的逻辑死结。而且，它非常注重代码的可读性，不仅仅是教会你如何让代码跑起来，更重要的是教会你如何写出“人能看懂”的代码。作者在代码示例中大量使用了富有意义的变量名，并且在关键逻辑分支处，插入了简短精炼的中文注释，这在很多追求“纯英文环境”的教材中是看不到的，但对于中文读者来说，这极大地降低了理解代码意图的认知负荷。这种对读者体验的关怀，让我愿意长时间地沉浸在阅读中，而不是一遇到难点就想关书走人。

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