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出版者:清华大学出版社

作者:许增伟 张强

出品人:

页数:438

译者:

出版时间:2002-1

价格:42.00元

装帧:

isbn号码:9787302050865

丛书系列:

图书标签:

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《深入理解C++标准库与性能优化实战》 本书聚焦于C++标准模板库（STL）的底层实现、高级特性运用以及面向高性能计算的优化策略。 本书旨在帮助中高级C++开发者和系统程序员，从“会用”STL转向“精通”STL，并掌握将C++语言特性转化为极致性能的关键技术。 --- 第一部分：STL的底层架构与内存管理精解 本部分将彻底剖析C++标准库的基石——容器、迭代器和算法的内部工作原理，重点关注性能瓶颈的根源与规避之道。 第一章：容器的内存布局与性能权衡 本章深入探究标准库中各类容器的内存分配策略及其对程序性能的直接影响。 `std::vector`的底层实现与动态扩展机制： 详细分析`realloc`的原理、容量管理（Capacity Management）的触发条件，以及移动语义（Move Semantics）在容器扩容和赋值中的关键作用。我们将通过源码级视角，展示如何避免不必要的内存拷贝和碎片化。 `std::deque`的块状结构与随机访问优化： 阐述双端队列如何通过分块数组结构实现常数时间复杂度（O(1)）的头部和尾部插入/删除，并对比其在缓存一致性（Cache Coherency）方面与`std::vector`的差异。 关联容器（`std::map`, `std::set`）的平衡树变体： 不仅仅停留在红黑树（Red-Black Tree）的理论层面，而是深入剖析GCC（libstdc++）和Clang（libc++）中实际采用的平衡策略（如AVL、红黑树的特定变体），以及节点分配器（Node Allocator）对性能的隐藏影响。 哈希容器（`std::unordered_map/set`）的冲突解决策略： 详细对比链式法（Separate Chaining）和开放寻址法（Open Addressing）的性能特征。重点剖析加载因子（Load Factor）的动态调整机制，并给出在不同数据分布场景下自定义哈希函数和等价性判断的实战指导。 第二章：迭代器、智能指针与内存分配器（Allocators） 内存的获取和释放是性能优化的核心战场。本章将揭示STL组件间如何协同管理资源。 迭代器的严格分类与优化陷阱： 区分随机访问、双向、输入/输出迭代器的性能等级。探讨在迭代过程中使用`std::distance`或无效的解引用操作可能导致的性能衰退。 智能指针的开销分析： 深入剖析`std::unique_ptr`、`std::shared_ptr`和`std::weak_ptr`的内存开销（控制块大小、原子操作成本）。特别关注多线程环境下`shared_ptr`的引用计数同步（Atomic Operations）所带来的同步开销，并提供替代的资源管理方案。 自定义分配器的力量： 讲解标准内存分配器`std::allocator`的工作方式（通常是对`operator new/delete`的简单包装）。随后，重点介绍如何实现和集成高性能的内存池（Memory Pools）或Thread-Caching Malloc（如jemalloc, tcmalloc）到STL容器中，以消除高频小对象分配的系统调用开销。 --- 第二部分：算法的复杂度、并行化与数值稳定性 本部分超越了STL算法的简单应用，着眼于如何在复杂场景下确保算法的效率、正确性及并发性。 第三章：高级算法的实现细节与性能调优 分析STL中复杂度较高的算法，并提供超越标准库默认实现的优化方案。 排序算法的混合策略： 深入分析`std::sort`如何结合快速排序、堆排序和插入排序（Introsort）。在特定数据集（如接近有序、小规模数据）上，展示如何通过传入自定义比较器或切换到`std::stable_sort`来获得更优表现。 搜索与查找的边界条件： 探讨`std::binary_search`在不同数据类型上的性能表现。引入查表法（Lookup Tables）作为在特定结构化数据上替代基于比较的搜索的优化手段。 泛型编程与SFINAE在算法中的应用： 讲解C++模板元编程如何影响算法的实例化和编译时间，并讨论如何利用SFINAE（Substitution Failure Is Not An Error）来为特定容器类型定制优化版本。 第四章：并发与并行STL（C++17/20）的性能陷阱 随着多核时代的到来，并行算法的正确使用至关重要，但其性能提升并非必然。 并行算法的执行策略（Execution Policies）： 详细解析`std::execution::par`, `std::execution::par_unseq`的工作原理。重点在于理解数据依赖性对并行加速的限制。 数据分割与同步开销： 分析`std::for_each`或`std::transform`并行化时，数据分区（Partitioning）带来的开销，以及内部同步机制（如Thread Barriers）对性能的侵蚀。 避免数据竞争与伪共享（False Sharing）： 针对并行算法，解释伪共享如何导致缓存行失效（Cache Line Thrashing）。提供结构体填充（Padding）和数据对齐技术，以优化多线程环境下的算法执行效率。 --- 第三部分：STL在高性能计算中的定制与扩展 本部分面向需要突破标准库限制，为特定应用场景（如高频交易、科学计算）定制高性能数据结构的开发者。 第五章：构建领域特定的容器与数据结构 当标准容器无法满足低延迟或高吞吐要求时，如何利用STL的思想构建新结构。 固定大小容器（Fixed-Size Containers）： 针对内存布局要求严格的场景，设计基于静态数组或环形缓冲区（Ring Buffer）的容器，消除动态内存分配的延迟。 基于Trie和Radix树的特殊映射： 在字符串或IP地址查找场景中，设计比`std::unordered_map`更高效的查找结构，重点讨论迭代器设计如何保持与标准库的兼容性。 结构化绑定（Struct Binding）与高维数据： 探讨如何为多维数组或结构化数据设计支持随机访问迭代器的适配器，以优化数据局部性。 第六章：性能剖析与工具链集成 掌握工具是发挥STL性能潜能的最后一步。 利用性能分析器追踪STL调用： 实践使用Valgrind (Callgrind/Massif) 和 Linux perf 等工具，准确识别容器操作（如插入、查找）中的热点代码和内存压力点。 编译器优化与STL： 探究不同优化级别（O2, O3, Ofast）对内联（Inlining）STL函数的影响。讨论如何利用`[[no_inline]]`或`__attribute__((always_inline))`来精确控制编译器对关键算法的优化行为。 面向CPU架构的内存访问优化： 结合具体CPU特性（如Cache大小、预取机制），调整STL容器的使用模式，确保数据访问模式对流水线友好，最大化指令级并行（ILP）。 --- 目标读者： 拥有3年以上C++开发经验，需要深入理解底层机制以优化延迟敏感型应用（如游戏引擎、金融系统、嵌入式实时系统）的工程师。本书假设读者已熟练掌握C++11/14/17的基础语法及面向对象概念。 本书承诺： 不提供任何肤浅的“如何使用”教程，每一章节都将深入到标准库实现细节，并提供可直接应用于生产环境的性能优化代码示例。

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我必须得说，这本书在实战案例的选取和组织上做得非常成功，它摆脱了那种脱离实际的“玩具式”示例。书中所举的每一个案例，都像是从真实的项目需求中提炼出来的，贴近生产环境的复杂性和多样性。无论是从数据交互的性能优化，还是到复杂的业务流程建模，书中都提供了清晰的步骤指导和完整的解决方案。更值得称赞的是，作者在讲解案例时，不仅仅是展示“怎么做”，更深入地分析了“为什么这么做”，以及“如果换一种方法会有什么后果”，这种批判性的思维引导，极大地提高了读者的应变能力和架构设计能力。对于那些渴望快速将理论知识转化为生产力的工程师来说，这本书无疑是一本行之有效的“实战手册”。

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这本书的排版和设计简直是一场视觉的盛宴，装帧精美，纸张的质感也相当不错，拿在手里沉甸甸的，让人立刻感受到它作为一本技术书籍的分量。尤其是封面设计，那种简洁中透露着专业的气息，让人在众多技术书籍中一眼就能被它吸引。内页的字体选择和行距处理得非常到位，阅读起来毫不费力，即使是长时间盯着屏幕后的眼睛，在翻阅纸质书时也能得到很好的放松。而且，书中大量的插图和代码示例的排版布局，都经过了精心考量，逻辑清晰，重点突出，很多复杂的概念通过图文并茂的方式呈现出来，极大地降低了理解的门槛。对于像我这样对视觉体验有较高要求的读者来说，光是翻阅的过程就已经是一种享受，这绝对是一本值得收藏的书籍，无论是放在书架上展示，还是平时随手翻阅，都能给人带来愉悦的心情。

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这本书的理论深度和广度确实让人眼前一亮，它并没有停留在对基础概念的简单罗列上，而是深入剖析了核心原理和底层逻辑。作者在讲述每一个技术点时，都展现了扎实的理论功底和对行业趋势的深刻洞察。比如，在讨论到某些设计模式的应用时，书中不仅仅是给出了标准化的实现方式，更结合了实际项目中的痛点和优化思路进行了深入的探讨，提出了很多独到的见解。这种由表及里、层层递进的讲解方式，非常适合希望从“会用”提升到“精通”的进阶开发者。读完几章下来，感觉自己的知识体系得到了极大的补充和重构，很多之前模糊不清的概念都有了清晰的脉络，不再是零散的知识点堆砌，而是形成了一个有机的整体，这对日后解决更复杂的技术难题无疑是大有裨益的。

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这本书的语言风格非常具有个人特色，用词既专业又带着一种恰到好处的幽默感，读起来完全没有传统技术书籍那种枯燥乏味的腔调。作者似乎非常擅长将那些晦涩难懂的专业术语，用生动、易懂的日常语言进行阐释，仿佛一位经验丰富的前辈在耳边手把手地指导你。这种亲切且富有活力的叙述方式，极大地增强了阅读的连贯性，让人几乎无法停下来。特别是当遇到一些技术难点时，作者总能及时地给出一些形象的比喻或者小故事来帮助理解，使得学习过程充满了乐趣，而不是一种负担。这表明作者在编写过程中，真正站在了初学者的角度去思考，努力消除技术学习的心理障碍。

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这本书在对新技术趋势的把握和前瞻性论述上，展现了作者超越一般技术书籍的视野。它不仅仅是巩固现有的主流技术栈，更大胆地探讨了行业未来可能的发展方向以及我们应该如何提前布局。书中对未来架构演进的预测和分析，显得尤为深刻且具有参考价值，让人在学习当前技能的同时，也对自己的职业发展有了更长远的规划。这种“着眼当下，更要展望未来”的编写思路，让这本书的价值超越了单纯的技术参考书，更像是一份具有前瞻性的行业发展路线图。对于那些希望走在技术前沿，不断迭代自身知识结构的人来说，这种引导是极其宝贵的，它教会我们不仅要掌握工具，更要理解工具背后的时代背景和未来趋势。

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