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出版者:清华大学出版社

作者:孙一林

出品人:

页数:240

译者:

出版时间:2004-4-1

价格:21.00

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787302078616

丛书系列:

图书标签:

• Java
• 实验
• 编程
• 教学
• 计算机
• 软件工程
• 高等教育
• 实践
• 入门
• 指南

《深入理解C++模板元编程与现代C++实践》 前言 在计算机科学的浩瀚星空中，C++语言以其无与伦比的性能、灵活性和对底层硬件的掌控力，始终占据着核心地位。然而，要真正驾驭这门语言的全部潜能，仅仅掌握基础语法是远远不够的。我们必须深入到语言机制的核心，理解那些能够将编译时和运行时性能推向极致的“魔法”——模板元编程（Template Metaprogramming, TMP）和C++标准库的最新演进。 本书旨在为那些已经熟练掌握C++基础语法，并渴望迈向高级C++殿堂的开发者提供一份详尽的路线图。我们不会重复讲解`for`循环、类继承或虚函数这些基础概念，而是将焦点集中于那些真正区分普通C++程序员与领域专家的技术细节。 第一部分：模板元编程的艺术与科学 (The Art and Science of TMP) 模板元编程是C++语言中最具挑战性但也最强大的特性之一。它允许我们将计算任务从运行时迁移到编译时，极大地提升了程序的效率和抽象层次。 第一章：重温模板：从泛型编程到元编程的飞跃 我们不会复习如何写一个简单的模板函数，而是直接探讨模板特化（Partial Specialization）和全特化（Full Specialization）的深层含义。重点分析为什么模板的实例化过程本质上是一种图灵完备的计算过程。 类型计算与值计算的融合： 如何利用模板参数包（Parameter Packs）进行递归展开，实现编译期的数据结构构建，如编译期列表（Compile-time Lists）和元组（Tuples）。 SFINAE (Substitution Failure Is Not An Error) 深度解析： 探讨SFINAE在类型特征（Type Traits）库中的核心作用。我们将构建自定义的、复杂的SFINAE机制，用于根据类型结构（如是否可拷贝、是否存在某个成员函数）来选择不同的模板实例化路径。 变模板参数 (Variadic Templates) 的极致运用： 如何编写高效、可读性高的函数来处理任意数量和类型的参数，超越C++11/14标准库提供的一些基础工具。 第二章：类型特征库的构建与应用 (Building and Applying Type Traits) 类型特征是TMP的基石。它们允许我们在编译期查询和转换类型属性。 标准库特征的逆向工程： 深入分析`std::is_integral`, `std::enable_if`, `std::decltype`在模板上下文中的实际工作原理。 定制化元编程： 设计并实现针对特定领域问题的类型查询工具，例如：检测某个类是否是特定基类的派生类，但忽略继承链中的某些特定中间层。 编译期断言与错误报告： 利用`static_assert`结合类型信息，编写出能够在编译期提供清晰、有意义错误信息的复杂校验机制，而非仅仅是简单的布尔检查。 第三章：表达式模板与性能优化 (Expression Templates for High Performance) 对于科学计算和高性能计算（HPC）领域，表达式模板是消除中间对象创建、实现延迟计算和优化循环展开的关键技术。 延迟执行的原理： 如何设计一组模板类，使得诸如 `A = B + C D` 这样的表达式，不会立即计算 `B + C` 或 `C D`，而是将整个操作序列编码为一个单一的、可优化的指令。 操作符重载的陷阱与规避： 在表达式模板中，操作符重载必须极其精确地控制返回值类型，以确保正确地构建计算图。 自动微分（Automatic Differentiation）的编译期实现基础： 初步探讨如何利用TMP来构建结构，使得函数求导过程可以在编译时完成一部分优化。 第二部分：现代C++：从C++17到C++23的范式转变 (Modern C++ Paradigms) 现代C++不仅仅是添加了新的语法糖，它代表了编程范式从面向对象到结合函数式和编译期计算的重大转变。 第四章： Concepts：约束泛型编程的未来 (Constraints and Generic Programming) C++20引入的Concepts彻底改变了我们编写泛型代码的方式，它解决了SFINAE带来的可读性挑战。 Concepts 的定义、组合与层次结构： 如何构建清晰的、可组合的约束体系，取代复杂的SFINAE条件。 概念驱动的程序设计 (Concept-Driven Design)： 重新审视设计模式，思考如何用概念来明确API的语义契约，而不是仅仅依赖于类型签名。 使用 `requires` 表达式进行细粒度约束： 掌握在函数体内部或模板参数列表中进行局部约束的技术。 第五章：并发与并行的新范式：Coroutines 与 Ranges 现代应用对响应速度和资源效率的要求越来越高，C++标准库在异步编程和数据处理方面提供了革命性的工具。 C++20 协程（Coroutines）的底层机制： 深入剖析`co_await`, `co_yield`, `co_return`的语法糖之下，编译器如何生成状态机。我们将不依赖于具体的运行时库，而是构建一个基础的、最小化的协程调度器原型。 Ranges 库： 如何使用`std::ranges`将数据处理流水线化。重点在于理解视图（Views）和适配器（Adapters）如何实现惰性评估和组合式数据处理，避免传统迭代器在复杂数据转换中的冗余代码。 Views 与性能影响： 分析在哪些场景下使用 Ranges 视图能带来性能提升，以及何时手动循环可能更优。 第六章：内存模型与原子操作的精细控制 (Fine-Grained Control over Memory and Atomicity) 对于系统级编程，对内存可见性和同步的理解至关重要。 C++ 内存模型详解： 彻底解析`std::memory_order`的六个级别（Relaxed, Acquire, Release, Seq Cst等），并提供具体的跨平台陷阱案例分析，特别是关于`volatile`和原子操作的交互。 无锁数据结构 (Lock-Free Data Structures)： 实践如何利用CAS（Compare-and-Swap）操作，设计并实现一个线程安全的、高性能的无锁队列或栈。这要求对内存屏障（Memory Barriers）有深刻的理解。 线程本地存储与初始化顺序问题： 讨论`thread_local`变量的构造与析构顺序，以及在多线程初始化时如何避免数据竞争。 结语 本书的内容是关于C++语言的深度挖掘，侧重于编译时元编程的抽象能力和现代标准库提供的运行时性能优化工具。它假定读者已具备扎实的C++基础，并希望将代码的效率、抽象层次和工程健壮性提升到新的高度。通过本书的学习，读者将能够驾驭C++中最复杂、最强大的特性，编写出不仅快速，而且在设计上优雅且可维护的高级系统代码。

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这本书的实验设计，可以说是教科书级别的典范，它完美地平衡了理论学习与动手实践之间的鸿沟。我特别欣赏它循序渐进的难度爬升策略。最开始的实验，可能只是要求实现一个简单的控制台输入输出，但在后续的章节中，它们会巧妙地将前一个实验中的组件重新组合，应用到更复杂的场景中，比如构建一个简单的库存管理系统。这种“搭积木”式的学习路径，使得学习者在不知不觉中就掌握了模块化编程的思想。最让我印象深刻的是，很多实验题目都附带了非常详尽的“预期结果分析”和“常见错误排查指南”。这比单纯的“提交代码看对错”要高效得多，因为它预判了初学者可能在哪里卡住，并提前给出了解决思路，有效地避免了长时间的无效调试。我甚至觉得，如果把书中的所有实验都完整地完成一遍，即使没有额外的项目经验，其对Java生态的理解深度也足以媲美很多初级岗位的实战要求了。

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这本书的封面设计极具年代感，那种略带粗糙的纸张质感，以及字体排版上那种严谨又不失活泼的平衡，一下子就把我拉回了那个充满探索精神的编程启蒙时代。内容上，我主要关注的是它在基础概念讲解上的深度。读完前几章，我发现作者在类与对象的阐述上，没有采取那种机械式的定义堆砌，而是通过一系列富有启发性的生活场景比喻，比如“汽车的蓝图就是类，而我们驾驶的每一辆具体的车就是对象”，这种方式极大地降低了初学者对抽象概念的畏惧感。尤其值得称赞的是，它对于继承和多态的介绍，不是简单地罗列语法规则，而是深入挖掘了它们在实际软件设计中的哲学意义——解耦和灵活性。书中穿插的那些小小的思考题，虽然看似简单，但每每都能触及核心的理解难点，强迫读者停下来，真正消化吸收了知识点，而不是一目十十地扫过去。我感觉，这本书不仅仅是教你如何写代码，更是在培养一种面向对象的思维模式。

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我是一个对编程语言底层机制有着强烈好奇心的读者，这本书在深入讲解Java API和标准库的使用时，展现出了令人惊喜的专业度。它并没有仅仅停留在告诉你“应该怎么用某个方法”，而是花了不少篇幅去解释“这个方法底层是如何实现的，它的时间复杂度和空间复杂度如何”。比如，在讲解集合框架（Collections Framework）时，它没有敷衍地介绍`ArrayList`和`LinkedList`的区别，而是清晰地画出了它们内部数据结构的示意图，并结合实际操作的性能开销进行了对比分析。这种对“为什么”的探究，极大地满足了我这种“刨根问底”的学习者。此外，书中对异常处理（Exception Handling）的讲解也极其到位，它不仅仅是教会了`try-catch-finally`的语法，更是引导我们思考如何设计健壮、可维护的错误报告机制，区分可恢复异常和不可恢复异常的重要性，这对于编写企业级应用至关重要。

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从排版和阅读体验的角度来看，这本书的编排简直是艺术品级的。我通常不喜欢阅读技术书籍，因为很多教材的图表和代码块混排得极其混乱，看着头晕眼花。然而，这本指导书的字体选择非常清晰，代码块的背景色和注释的颜色做了精妙的区分，使得关键变量和逻辑流程一目了然。特别值得一提的是，书中大量的流程图和UML图（即便只是概念性的草图），都绘制得非常规范和简洁，有效避免了文字描述的歧义。对于那些复杂的算法流程，如递归的展开过程，书中采用了分步解析的方式，配合图形化展示，使得原本晦涩难懂的逻辑链条变得异常顺滑。这种对细节的关注，直接提升了阅读的沉浸感，让我能够更长时间地保持专注，减少了因视觉疲劳而中断学习的频率。

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与其他同类教材相比，这本书最大的价值在于其与时俱进的内容结构和对现代编程范式的融合度。虽然它是一本偏向基础的实验指导，但它并没有固守过时的编程范式。我注意到书中对Lambda表达式和Stream API的介绍，非常自然地融入到了集合操作的实验环节中，而不是像一些老旧教材那样，将其作为一个独立的、脱离上下文的“高级特性”来介绍。这表明作者在编写时，已经充分考虑了当前Java开发的主流趋势。更重要的是，书中强调了代码的可读性和设计模式的初步应用，即便是最基础的实验，作者也会在指导中植入“如果这样修改，代码的可维护性会提高”的提示。这种前瞻性的引导，让读者在打好基础的同时，也建立了一种面向未来、面向工程化的编码习惯，而不是仅仅停留在“能跑起来”的初级阶段。

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