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出版者:全華

作者:蔡明志

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:20040504

价格:NT$ 450

装帧:

isbn号码:9789572144220

丛书系列:

图书标签:

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• 計算機科學
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深入理解计算机底层：程序设计与系统交互的基石 图书名称：《高效算法与编程实践：从基础到优化》 目标读者群： 本书旨在为具有一定C语言或类C语言（如C++、Java等）基础的程序员、计算机科学专业的学生，以及希望系统性提升程序设计能力和算法理解深度的技术人员提供一本兼具理论深度与实践广度的指南。特别适合那些希望突破“代码实现”层面，深入探究程序运行机制和数据组织方式的开发者。 --- 第一部分：程序设计的底层逻辑与范式构建 本部分聚焦于构建稳固的程序设计思维框架，强调对计算机内存模型、指令集效率以及代码可维护性的深刻理解。 第一章：现代编程范式的演进与C语言的定位 本章将追溯编程语言的发展历程，分析面向过程、面向对象以及函数式编程等主要范式之间的异同及其适用场景。重点探讨在系统级编程、嵌入式开发和高性能计算领域，为何对底层细节有深入掌控的C语言依然扮演着不可替代的角色。我们将讨论抽象层次与控制粒度之间的平衡艺术，并介绍如何利用C语言的特性，构建清晰、模块化的代码结构。 核心内容： 1. 抽象的层次性： 从硬件寄存器到高级语言抽象的映射。 2. 内存模型的深入解读： 堆（Heap）、栈（Stack）与静态存储区的精确管理与生命周期。 3. 编译与链接过程初探： 理解源代码到可执行文件的完整路径，为后续的性能调优打下基础。 4. 编码规范与可读性： 探讨如何编写出符合工程标准的、易于团队协作的代码风格。 第二章：程序执行效率的量化分析与基准测试 代码的“正确性”是基础，而“效率”则是衡量专业水平的关键。本章将教授读者如何像编译器一样思考，量化评估代码性能，并识别性能瓶颈。 核心内容： 1. 时间复杂度的严格界定： 不仅仅是$O(n)$，更要关注常数因子和实际运行环境的影响。 2. 性能分析工具的应用： 介绍如`gprof`、Valgrind等工具在函数调用分析和内存泄漏检测中的实际操作。 3. 缓存友好性（Cache-Friendliness）： 深入解析L1/L2/L3缓存的工作原理，讲解如何通过数据布局优化来最大化缓存命中率，避免“伪共享”等问题。 4. 循环展开与指令级并行： 探讨现代CPU流水线的工作机制，以及如何通过代码结构引导编译器生成更高效的机器码。 --- 第二部分：高效数据组织与抽象实现 本部分将完全跳脱出基本数据类型的使用，专注于如何根据应用需求，设计和实现最优化的数据组织结构，并提供一套严谨的验证和测试方法。 第三章：动态内存的精细控制与风险规避 虽然现代语言提供了垃圾回收机制，但理解手动内存管理是理解系统开销和避免资源耗尽的前提。本章将侧重于高级内存分配策略和错误处理。 核心内容： 1. 自定义内存池（Memory Pooling）： 针对特定大小对象的快速分配与释放策略，减少系统调用的开销。 2. 内存碎片化分析： 探讨不同分配器（如`dlmalloc`的基本思想）如何应对内存碎片问题。 3. 引用计数与智能指针的原理模拟： 深入理解自动资源管理的底层逻辑，为跨语言交互做准备。 4. 健壮性编程： 边界条件检查、内存越界保护的编程实践。 第四章：高级抽象：集合的组织与搜索优化 本章探讨如何在内存中高效地组织信息以支持快速的查找、插入和删除操作，并着重于平衡树和哈希表的实际工程应用。 核心内容： 1. B树族结构在数据库中的应用： 讲解B+树如何服务于磁盘I/O的最小化，这是处理大规模持久化数据的关键。 2. 哈希函数的设计原则： 不仅仅是模运算，深入研究完美哈希（Perfect Hashing）和最小完美哈希的构建方法，以消除冲突。 3. 位运算的高效集合管理： 使用位图（Bitmaps）和位字段（Bit Fields）来表示布尔集合或紧凑的整数范围，极大地节省空间。 4. 前缀树（Trie）的变体与压缩实现： 在自然语言处理（NLP）和路由查找中的实际部署，如Radix Tree。 --- 第三部分：并发、交互与系统接口 本部分将视野从单线程的程序内部，扩展到多核环境下的协作以及与操作系统的接口交互。 第五章：并发编程中的同步原语与非阻塞设计 在多核时代，并发是提升性能的必经之路。本章侧重于如何安全、高效地协调多个执行流，避免死锁与竞态条件。 核心内容： 1. 原子操作与内存屏障（Memory Barriers）： 解释编译器和CPU重排序对并发代码的影响，以及如何使用严格的内存屏障来保证操作顺序。 2. 锁的粒度设计： 读写锁、自旋锁的适用场景，以及何时应避免使用重量级锁。 3. 无锁编程（Lock-Free Programming）基础： 引入CAS（Compare-and-Swap）操作，设计简单的无锁队列和计数器，理解其复杂性和优势。 4. 并行任务分解策略： 如何将复杂计算安全地拆分成可并行执行的子任务，并讨论工作窃取（Work Stealing）模型。 第六章：系统接口与外部资源管理 程序并非孤立运行，它需要高效地与操作系统、文件系统和网络进行通信。本章关注这些系统级交互的最佳实践。 核心内容： 1. 文件I/O的缓冲机制： 理解标准库的缓冲（如`stdio`）与内核级的直接I/O之间的性能差异，并学会优化大文件读写。 2. 进程间通信（IPC）的高效选择： 比较管道、消息队列、共享内存和Socket的性能特点，并给出在不同负载下的选择建议。 3. 基本网络编程接口： 简要回顾Socket API，重点在于阻塞与非阻塞I/O的性能权衡，以及如何利用多路复用（如`select`/`poll`）处理高并发连接。 4. 资源清理与错误恢复： 编写健壮的退出处理程序，确保系统资源（文件句柄、锁）在任何情况下都能被正确释放。 --- 本书总结与展望： 本书的最终目标是培养读者构建“自解释性”和“高性能”代码的能力。通过对程序执行的底层细节、数据组织的数学原理以及系统交互的工程实践的深入剖析，读者将能够超越框架和库的表层，真正掌握解决复杂计算问题的核心能力，从而在系统软件开发、高性能计算和底层算法优化领域走得更远。

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这本书的习题部分，简直是一场智力上的马拉松。我至今还记得那个关于平衡二叉树自旋操作的习题，需要结合好几页的理论推导才能最终写出健壮的代码，稍微一点点逻辑上的疏漏，编译通过了也逃不过运行时的崩溃。它显然不是为应付考试而设计的，更像是为培养真正的“软件工程师”而非“代码搬运工”而准备的。书中对指针和结构体的精妙组合运用，简直是教科书级别的展示。很多现代编程范式倾向于使用面向对象的方式来封装数据和行为，但这本书强迫你回到C语言的核心，用最基本的`struct`和函数指针来模拟复杂的行为，这对于理解面向对象语言底层如何实现多态和封装至关成了关键的跳板。我花了大量的精力去调试那些与内存对齐和边界条件相关的代码，过程虽然痛苦，但每当程序成功跑出预期的结果时，那种成就感是无以复述的。这本书不给你现成的答案，它只提供锤子和钢板，剩下的铸造工作全凭你自己完成，这对磨练编程韧性有着不可替代的作用。

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这本书的整体价值，体现在它对“基础功”的极致强调上。在如今这个充斥着高级框架和抽象工具的时代，我们很容易忘记底层数据结构是如何被精心构造出来的。这本书就像一剂清醒剂，提醒我们，无论上层建筑多么宏伟，其基石依然是那些看似简单的数组、栈和队列。作者在描述递归和迭代实现时的对比分析，尤其引人深思。他不仅仅是展示了两种实现方式，更深入探讨了编译器对尾递归优化的可能性，以及栈帧在函数调用过程中实际占据的空间。这使得我们对于性能瓶颈的定位和优化，有了一个更微观的视角。这本书的排版虽然朴素，但图示的运用却是克制而精准的，每一张图表都精确地服务于核心概念的阐述，没有丝毫的装饰性浪费。它对初学者的友好度不高，但对于有一定C语言基础，渴望将自己的程序设计能力提升到系统底层理解层次的进阶者而言，它提供的知识深度和工程实用性，是毋庸置疑的。读完它，你会对“效率”二字有了更深刻、更实际的体会。

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从阅读节奏上来说，这本书的难度曲线非常陡峭，它对读者的预备知识有较高的要求，基本上预设了读者对C语言的基础语法和内存模型已经有了相当程度的熟悉。如果仅仅是刚接触C语言的新手，很可能会在最初的几章就被晦涩的术语和复杂的类型定义劝退。然而，一旦熬过了前期的铺垫，尤其是在处理高级数据结构如B树或散列表的章节时，你会发现作者的讲解如行云流水般顺畅。他对于抽象数据类型（ADT）的定义和接口设计有着极其清晰的界限划分，这使得在C语言这种过程式语言中实现抽象概念成为可能。我最欣赏的是，书中几乎所有的示例代码都是完整的、可编译的，而不是那种零散的片段。这极大地降低了读者将理论转化为实际运行代码的门槛。它不是一本“轻阅读”的书籍，它更像是需要你泡一杯浓茶，在深夜里，伴随着键盘敲击声，逐字逐句地去啃食和消化的。这种深度参与感，是当代很多快速浏览式教程所无法比拟的。

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这本书的封面设计得相当朴实，可以说是直奔主题，那种带着点年代感的排版，让人一看就知道这不是那种哗众取宠的新潮教材。我第一次翻开它的时候，就被那种扎实的学术气息给镇住了。作者的叙述方式非常严谨，几乎没有一句废话，每个概念的引入都像是精密仪器的校准，力求准确无误。尤其是对于链表和树这种基础但容易混淆的数据结构，他引入的例子和伪代码都清晰得令人赞叹。我记得当时啃指针那一块内容时，感觉像是重新接受了一次C语言底层逻辑的洗礼，每一个内存地址的指向和释放，都被描绘得井井有条。很多其他教材为了追求“易懂”而过度简化了底层细节，结果反而让初学者对内存管理一知半解，但这本书完全没有这个问题，它逼着你直面C语言的精髓，让你不仅知道“是什么”，更明白“为什么是这样”。对于那些真正想深入理解程序运行机制，而不是只想套用模板的读者来说，这无疑是一座宝库。它需要的耐心和投入是巨大的，但一旦跨过那道坎，你会发现自己对后续学习算法和系统编程的理解都上升到了一个全新的高度。它更像一位经验丰富的老教授，不带感情地陈述事实，但这些事实的重量足以支撑起你整个计算机科学的知识体系。

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说实话，这本书的阅读体验，与其说是在“读”，不如说是在“解谜”。作者的行文风格带着一种近乎固执的逻辑连贯性，每一个章节的过渡都像是严丝合缝的齿轮咬合，你几乎不可能跳着读。我尤其欣赏他对算法效率分析的处理方式，那种对大O表示法的层层剖析，不是简单地给出公式，而是结合具体的结构操作场景，让你体会到时间复杂度和空间复杂度的实际代价。比如，在讲解图的遍历算法时，书中不仅对比了DFS和BFS的实现差异，还巧妙地穿插了实际应用场景的限制条件，比如在网络爬虫和迷宫求解中的适用性差异，这种“学以致用”的引导非常到位。虽然语言风格略显古板，缺乏现代教材那种活泼的图示和色彩，但这种朴素恰恰使得内容本身的光芒更加突出，所有的精力都会集中在代码的逻辑和理论的推导上。我个人认为，这本书更适合作为参考手册，当你遇到某个特定的数据结构实现难题时，翻开相应的章节，你会找到最底层的、最少妥协的C语言实现范例，那种踏实感是其他高级语言的封装库无法给予的。它教会你的不只是如何实现，而是如何在资源受限的环境下，用最纯粹的逻辑去构建最优的解决方案。

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