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出版者:国防工业出版社

作者:陈翌

出品人:

页数:276

译者:

出版时间:2003-10-1

价格:28.00

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787118032642

丛书系列:

图书标签:

• 嵌入式软件开发技术
• 嵌入式系统
• 嵌入式软件
• 软件开发
• C语言
• 汇编语言
• 单片机
• ARM
• 实时操作系统
• 驱动开发
• 硬件编程

好的，这是一本关于高级数据结构与算法设计的图书简介，旨在深入探讨理论基础并结合前沿应用实践。 --- 高级数据结构与算法设计：面向高性能计算与复杂系统优化 图书简介 本书是为那些渴望在计算机科学和工程领域追求卓越性能、致力于解决大规模复杂计算问题的专业人士和高级学生量身打造的深度技术指南。它超越了基础课程中对常见数据结构（如数组、链表、树）和标准算法（如排序、搜索）的介绍，直接切入现代计算环境下的核心挑战：如何高效地组织、存储和处理海量数据，以实现前所未有的计算速度和资源利用率。 本书的结构严谨，内容深度聚焦于算法分析的严谨性、数据结构的适应性以及实际工程中的优化策略。我们不满足于渐近复杂度分析（如$O(n)$），更关注常数因子、缓存效应、并行化潜力以及特定硬件架构下的实际性能表现。 第一部分：基础回顾与高级分析框架 虽然本书面向高级读者，但我们首先会建立一个坚实的分析基础，这对于理解后续复杂结构至关重要。 章节 1：性能度量的深化与模型选择 本章将重新审视时间复杂度和空间复杂度。重点将放在摊还分析 (Amortized Analysis) 的严格推导，例如斐波那契堆和可扩展列表的性能保证。此外，我们将探讨现代内存层级结构（L1/L2/L3 缓存、主存、SSD）对算法性能的影响，介绍缓存感知算法 (Cache-Oblivious Algorithms) 的基本思想，即设计出不依赖于特定缓存大小的算法，使其在不同硬件上都能获得近似最优的局部性。 章节 2：概率分析与随机化算法 在许多实际应用中，确定性算法的性能瓶颈难以突破。本章深入讲解概率分析方法，包括期望值计算、最坏情况与平均情况的权衡。我们将详细解析快速排序的随机化版本及其性能保证，并介绍如Karatsuba 乘法和Strassen 矩阵乘法中引入的随机性与优化思想。 第二部分：高级数据结构的构建与优化 本部分是本书的核心，着重于那些在数据库、编译器、网络路由和大规模模拟中发挥关键作用的非平凡数据结构。 章节 3：平衡搜索结构的演进与实用化 我们将从传统的AVL树和红黑树出发，转向更适合磁盘I/O和高并发场景的结构。 B 树族与 B+ 树： 深入探讨其在文件系统和数据库索引中的核心作用，分析分支因子（$m$）对磁盘寻道次数的影响，并展示多层级索引的实际构建流程。 跳跃表 (Skip Lists)： 作为一种概率性替代方案，详细分析其实现细节、并发控制机制（无锁或细粒度锁），以及在分布式缓存系统中的应用潜力。 树形数据结构的融合： 探讨Treap (随机搜索树) 在优先队列和动态集合管理中的效率，以及R 树 (Rectangle Trees) 在地理信息系统（GIS）中的空间划分策略。 章节 4：图论算法的深度优化 针对网络、社交图谱和依赖关系分析，本部分聚焦于性能瓶颈的突破。 最短路径算法的并行化： 深入分析Dijkstra 算法和Bellman-Ford 算法在多核和 GPU 环境下的并行实现策略，包括图的划分和数据依赖处理。 最小生成树 (MST) 的现代方法： 探讨Borůvka 算法的并行优势，并分析其在稀疏图和稠密图中的性能差异。 流网络与最大匹配： 详细讲解Edmonds-Karp、Dinic 算法的改进，以及如何将流模型应用于资源分配和调度问题。 章节 5：散列技术与冲突解决的艺术 散列是实现$O(1)$查找的关键，但其性能高度依赖于良好的散列函数和冲突处理机制。 完美散列与最小完美散列： 理论构建与实际应用（如编译器符号表）。 一致性哈希 (Consistent Hashing)： 详细阐述其在分布式系统（如负载均衡和分布式缓存集群）中解决节点增减带来的数据迁移问题的优雅方案。 Cuckoo Hashing (布谷鸟哈希)： 分析其如何通过多重散列函数保证最坏情况下也能实现高效的查找，并讨论其在内存数据库中的应用。 第三部分：高级应用与结构设计范例 本部分将理论知识与前沿工程实践相结合，展示如何利用这些工具解决现实世界中的复杂问题。 章节 6：压缩、串处理与文本搜索 文本数据是现代计算的基石之一。 后缀树与后缀数组： 深入剖析这两种结构在基因测序、大规模文本索引中的应用，重点讲解LCP 数组的构建与应用。 字符串匹配算法的再审视： 结合KMP、Boyer-Moore 和 Rabin-Karp，讨论它们在不同长度模式和文本特性下的实际效率比较。 压缩数据结构 (Compressed Data Structures)： 探讨如何在有限的内存预算下，通过巧妙的编码（如 $delta$ 编码或变长整数编码）来存储图或序列，同时保持接近原始结构的查询性能。 章节 7：空间划分与大规模几何计算 处理高维空间数据是机器学习、物理模拟和计算机图形学的核心挑战。 K-D 树与四叉树/八叉树： 分析它们在近邻搜索（Nearest Neighbor Search）中的局限性（维度灾难），并比较它们在数据稀疏性下的表现。 最优空间划分： 介绍BSP 树 (Binary Space Partitioning Trees) 和四边形划分 (Quadtrees) 在光线追踪和碰撞检测中的应用。 近似最近邻 (ANN) 搜索： 探讨如LSH (Locality-Sensitive Hashing) 和HNSW (Hierarchical Navigable Small World) 图结构，这些结构是现代向量数据库实现高效检索的关键。 章节 8：并发与内存模型下的数据结构 在多核时代，同步和并发是算法设计中不可或缺的考量。 无锁与低延迟结构： 详细介绍如何使用原子操作（CAS, 内存屏障）来构建高效的无锁栈、无锁队列和无锁跳跃表。 并发搜索树的挑战： 比较乐观锁、悲观锁以及基于版本控制的并发控制策略在 B 树族实现中的优劣。 内存分配器的影响： 讨论jemalloc 和 tcmalloc 等高性能内存分配器如何影响数据结构（尤其是缓存友好型结构）的实际性能。 适用读者 本书假定读者已掌握扎实的离散数学基础、熟悉一门主流编程语言（如C++或Java），并对经典数据结构和算法有初步的实践经验。它非常适合： 软件架构师与高级工程师： 需要设计和优化处理PB级数据的核心系统组件。 高性能计算 (HPC) 领域的研究人员： 专注于并行算法和计算密集型问题的优化。 研究生（计算机科学、软件工程方向）： 作为高级选修课程的教材或深度自学参考资料。 通过本书的学习，读者将不再满足于“能跑起来”的代码，而是能够设计出在理论上严谨、在实践中具备极致性能的复杂算法和数据组织方案。

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这本书的编排结构具有极高的逻辑性和递进性，它从最底层的寄存器操作开始，一步步向上构建复杂的系统功能。第一部分奠定了扎实的硬件接口基础，详细解释了如何通过编程正确地初始化和操作SPI、I2C等通信协议，并且非常细致地给出了波形图来佐证软件操作的时序要求。随后，内容自然过渡到了设备驱动程序的开发，重点阐述了异步I/O和DMA（直接内存访问）的有效结合，这是提升系统吞吐量的关键技术。最令我赞赏的是，作者没有将不同模块孤立地讲解，而是通过一个贯穿全书的虚拟项目（一个智能环境监测节点）将所有技术点串联起来。读者可以清晰地看到，底层驱动如何被上层的任务调度器调用，以及状态机如何控制传感器的数据采集频率和数据上报逻辑。这种“项目驱动式”的教学方法，让晦涩的技术点变得具象化，极大地增强了学习的参与感和知识的保留度。

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阅读这本书的体验，就像是跟随一位经验极其丰富的工程师进行了一次长达数周的深度项目实战辅导。作者的叙事方式非常贴近实际工程中的痛点。例如，在讲解中断处理机制时，他并没有停留在教科书式的讲解，而是引入了多个真实世界中因为中断冲突或优先级反转导致系统崩溃的案例，然后逐步剖析了如何利用锁、信号量和消息队列等同步原语来有效规避这些风险。最让我印象深刻的是第三章关于低功耗设计的章节。书中详尽地介绍了不同睡眠模式（如深度休眠、唤醒机制）的功耗特征曲线，并提供了一套实用的“功耗预算”制定流程。这套流程简洁而有力，我立刻将它应用到我正在维护的一个电池供电设备的项目中，效果立竿见影，系统的待机时间超出了预期目标15%。这本书的价值就在于，它不是堆砌知识点，而是将知识点编织成解决实际问题的有效工具链。

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这本书的内容深度远超我的预期，它似乎在刻意地挑战读者的认知边界。我本来以为这会是一本偏向于特定微控制器（比如ARM Cortex-M系列）的入门指南，但它构建了一个更加宏大和通用的知识框架。它在初期花了大量篇幅来讨论编译器、链接器和调试器之间的协作原理，这些基础环节常常被初学者忽略，但却是构建可靠固件的基石。特别是对链接脚本（Linker Script）的剖析，深入到了ELF文件格式的各个段落定义，解释了如何精确控制代码和数据在内存中的布局，这对需要进行代码优化或实现自定义启动流程的开发者来说是无价之宝。此外，书中对硬件抽象层（HAL）的设计哲学进行了深刻的探讨，对比了不同厂商提供的HAL层在可移植性和性能之间的权衡，引导读者思考如何设计出既能快速部署又具备长期维护性的软件架构。

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这本书的包装和装帧设计得非常吸引人，封面采用了深邃的蓝色调，搭配简洁有力的白色字体，给人一种专业而可靠的感觉。我是在一家本地书店偶然发现它的，当时正在寻找一些关于现代硬件架构与操作系统交互的前沿知识，这本书的标题立刻抓住了我的注意力。虽然我对这个领域已经有了一定的了解，但一直苦于缺乏一本能系统梳理从底层驱动到上层应用全栈知识的权威参考书。拿到手里掂量了一下分量，厚度适中，纸张的质感也很不错，内页的排版清晰，图表清晰易懂，这对于技术书籍来说至关重要。我翻阅了几页，发现它在介绍诸如实时操作系统（RTOS）的调度算法时，不仅给出了理论推导，还配有非常详尽的时序图和流程图，这极大地帮助我理解了那些抽象的概念是如何在实际硬件上映射和执行的。尤其是它对内存管理单元（MMU）在嵌入式环境中的特殊应用场景的分析，非常独到，这部分内容在市面上大多数教材中常常被一带而过，但这本书却深入挖掘了其中的陷阱和优化点。

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对于习惯了网络博客和碎片化教程的年轻开发者而言，这本书的阅读体验可能会显得有些“硬核”，但这种严谨性恰恰是其最大的优点。它的语言风格非常精确和客观，几乎没有多余的修饰词，每一句话都承载着明确的技术信息。在数据结构和算法的应用部分，作者没有仅仅罗列标准库中的实现，而是针对嵌入式场景的资源受限特性，设计并实现了一套高效的循环缓冲区和状态机管理框架。这些代码示例不仅仅是可编译的，更是经过了严格的性能分析和边界测试。我特别留意了书中关于版本控制和持续集成在嵌入式项目中的实践章节，它提出了使用Git Submodules来管理不同层级硬件驱动的策略，并结合Jenkins搭建自动化编译测试流水线，这对于提升团队协作效率具有极大的指导意义。这本书迫使我重新审视了自己过去几年中对“快速交付”的理解，强调了前期设计规范化的长期收益。

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