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出版者:水利水电

作者:杨德芳

出品人:

页数:314

译者:

出版时间:2007-1

价格:29.00元

装帧:

isbn号码:9787508439051

丛书系列:

图书标签:

• 编译原理
• 编译器构造
• 程序语言
• 语法分析
• 语义分析
• 目标代码生成
• 词法分析
• 中间代码
• 教学
• 计算机科学

《高级数据结构与算法优化实践》 书籍简介 本书深入探讨了现代计算机科学中至关重要的两个核心领域：高级数据结构的设计与应用，以及复杂算法的性能优化策略。我们聚焦于超越基础教科书范畴的实用技术，旨在为软件工程师、系统架构师以及对计算效率有极高要求的开发者提供一套全面、可操作的知识体系。 第一部分：前沿数据结构构建与性能分析 本部分着眼于传统结构（如数组、链表、树）的局限性，引入了当前工业界和学术界前沿的高效数据组织模型。 第一章：自适应与动态数据结构 我们首先剖析了需要频繁进行在线更新和查询的场景，这催生了对动态数据结构的迫切需求。 1.1 B+ 树与 LSM-Tree 深度解析：详细对比了传统 B+ 树在磁盘I/O限制下的性能瓶颈，并重点讲解了日志结构合并树（LSM-Tree）的设计哲学。我们将从其核心组件——内存表（MemTable）和磁盘级（SSTable）的合并策略、Compaction 算法（如 Size-Tiered、Leveled Compaction）的实现细节及其对写入放大和读取延迟的影响进行深入分析。实践案例将涉及如何利用 LSM-Tree 优化高写入吞吐量的数据库系统。 1.2 跳跃表（Skip List）的概率分析与应用：尽管红黑树和AVL树是平衡二叉树的代表，但在并发环境下，其复杂的旋转和重平衡操作带来了较高的同步开销。跳跃表以其结构简单和极佳的并发友好性脱颖而出。本章将提供详尽的概率证明，阐释其$O(log n)$平均时间复杂度的来源，并教授如何设计无锁或低锁的并发跳跃表，应用于高性能缓存和分布式锁服务。 1.3 空间效率型数据结构：Trie 变体与压缩结构：针对大规模文本和图数据存储，我们探讨了如何压缩数据结构以节省内存。重点介绍 Patricia Trie（Radix Tree）在 IP 路由表和前缀匹配中的应用，以及结合位向量（Bitmaps）的压缩技术，用以实现对大规模稀疏集合的高效位操作。 第二章：图论的高级建模与处理 图结构是描述复杂关系网络的基础，本章侧重于超大规模图的实际处理难题。 2.1 高性能图遍历算法的实现：超越基础的 DFS/BFS，我们将关注如何利用并行计算框架（如 OpenMP 或 GPU）加速最短路径算法（Dijkstra, A 及其变种）。内容包括如何优化邻接列表的内存布局以提高缓存命中率，以及处理动态图（边集频繁变化）的挑战。 2.2 社区发现与图嵌入：在社交网络分析和推荐系统中，识别隐藏的结构至关重要。本章详细介绍 Louvain 算法的迭代过程及其局限性，并引入现代的图嵌入技术（如 Node2Vec, DeepWalk），探讨如何将高维图结构映射到低维向量空间，以便进行机器学习任务。 2.3 流式图算法（Streaming Graph Algorithms）：在数据量远超内存限制的场景下，算法必须在单次或少数几次对数据流的扫描中完成任务。我们将研究如何使用近似算法来估计图的连通性、中心性指标，并讨论有限内存约束下的图存储和查询策略。 第二部分：算法设计与系统级优化 本部分的核心是将理论算法转化为具有卓越性能的工程实现，尤其关注计算密集型和I/O受限的场景。 第三章：并行计算与高性能数值算法 现代计算已离不开并行化，本章致力于系统化地介绍如何将算法分解并映射到多核CPU和GPU上。 3.1 并行化策略的深度剖析：对比数据级并行（SIMD/SIMT）和任务级并行。详细解析 CUDA/OpenCL 编程模型中的线程束（Warp/Wavefront）管理、内存层次结构（共享内存、全局内存、寄存器）对性能的影响，以及如何有效避免内存合并（Coalescing）和分支发散。 3.2 线性代数运算的优化：专注于矩阵乘法（GEMM）作为核心算子。讲解 Strassen 算法在理论上的意义与工程实践中的局限性，并深入研究基于块（Tiling）的缓存优化策略，如何通过精确的循环重排（Loop Tiling/Blocking）最大化 L1/L2 缓存的利用率。 3.3 快速傅里叶变换（FFT）的实际部署：FFT 广泛应用于信号处理和卷积计算。本章将聚焦于如何针对特定硬件架构（如 AVX-512 指令集）优化 Cooley-Tukey 算法的蝶形运算，并讨论 Rader 算法等针对素数阶的优化方案。 第四章：I/O 效率与磁盘优化算法 在许多应用中，算法的瓶颈并非计算速度，而是数据传输速度。 4.1 外部存储排序与合并：详细分析外部排序（External Sorting）中的 K 路合并策略，包括如何根据磁盘寻道时间、连续读取带宽来动态确定最佳的合并路数 $K$，以最小化 I/O 次数。 4.2 近似查询与容错机制：在海量数据集中，精确查询往往代价过高。本章介绍 HyperLogLog 算法在内存受限下估计基数（Cardinality Estimation）的原理，以及 Bloom Filter 在快速成员资格测试中的应用，并讨论在分布式环境中实现这些近似结构的容错和一致性问题。 4.3 延迟敏感型算法设计：针对网络通信和实时系统，我们探索如何使用预测性调度和预取技术来隐藏延迟。内容包括基于操作系统的 I/O 调度器对算法性能的影响分析，以及如何设计事件驱动模型以最大化资源利用率。 第五章：算法的随机化与近似技术 并非所有问题都有高效的确定性解。本章探讨在 NP-Hard 问题求解中的实用化随机化策略。 5.1 概率算法与蒙特卡洛方法：深入理解蒙特卡洛方法在积分计算、组合优化中的应用。重点在于如何控制误差界限和提高收敛速度，而非仅仅依赖于大量的随机采样。 5.2 启发式搜索与元启发式算法：对于旅行商问题（TSP）、背包问题等组合优化难题，我们将介绍遗传算法（GA）、模拟退火（SA）和蚁群优化（ACO）的工程实现技巧，强调参数调优（如温度调度、交叉变异率）对找到高质量解的关键作用。 5.3 随机化在数据摘要中的应用：讨论 Count-Min Sketch 等用于流数据分析的概率数据结构，它们能够在极低的内存占用下提供对高频项的有效估计。 全书通过大量的 C++ 伪代码、性能基准测试结果，以及真实的工业界案例分析，确保读者能够将理论知识迅速转化为高性能的软件模块。本书面向具备扎实算法基础，并渴望解决大规模、高复杂度计算挑战的专业人员。

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这本书给我最大的感受就是“化繁为简”，它真的把一个原本可能让人望而生畏的学科，讲得如此清晰易懂。我尤其喜欢书中对“运行时环境”的阐述。以前我只知道程序运行需要内存，但具体是怎么分配的、局部变量和全局变量有什么区别，以及函数调用栈是如何工作的，这些我都模糊不清。这本书用生动的图示和简洁的语言，详细解释了栈帧的概念、参数传递的方式、局部变量的存储位置，以及如何通过栈指针和帧指针来管理内存。这就像是给我打开了一扇新世界的大门，让我对程序的运行机制有了全新的认识。此外，书中对“符号表”的讲解也非常到位。我一直觉得符号表只是一个简单的“名字到地址”的映射，但通过这本书，我才了解到符号表在类型检查、作用域管理、代码生成等各个环节都扮演着至关重要的角色。作者还提供了不同类型的符号表实现方式及其优缺点对比，这让我能根据实际需求选择最合适的方案。读完这些内容，我感觉自己对程序的生命周期有了更深的理解，也对如何编写更健壮、更高效的代码有了新的启发。

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这本书的深度和广度都让我感到惊喜。我原本以为它只是一本介绍编译基本流程的教材，但没想到它在很多细节上也做得非常出色。例如，在讲到目标代码生成时，书中不仅介绍了常见的指令集架构，还对指令选择、寄存器分配等关键问题进行了深入的探讨。作者通过分析不同指令的特点和计算资源（如寄存器）的限制，详细阐述了如何进行高效的指令调度和寄存器分配，以最小化程序执行时间。我印象特别深刻的是，书中对“数据流分析”的讲解，它把一个看似复杂的概念，通过一系列递进的例子，变得豁然开朗。从简单的“活跃变量分析”到更复杂的“常数传播”和“杀死常量”，我都能够逐步理解其中的逻辑和推理过程。这种循序渐进的讲解方式，让我觉得学习过程充满了成就感。而且，书中还讨论了一些高级的编译技术，比如多处理器编译和并行代码生成，这让我意识到编译原理在现代软件开发中的重要性和前沿性。

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这本《编译原理实用教程》简直是为我量身定做的！我之前对编译原理一直知其然而不知其所以然，看到各种理论公式和抽象概念就头疼。但这本书的讲解方式让我眼前一亮。它没有一开始就抛出晦涩难懂的术语，而是从一个非常直观的例子入手，就像剥洋葱一样，一层层地揭示编译的奥秘。比如，在讲词法分析的时候，作者用日常生活中我们识别单词的逻辑来类比，让我一下子就抓住了“标记”和“模式”的概念。然后，在介绍语法分析时，又通过构建简单的句子结构，生动地解释了“递归下降”和“LL(1)分析”等方法的可行性。最让我惊喜的是，书中穿插了大量的代码示例，而且都是用我熟悉的语言（虽然书中没有明确说明是哪种语言，但代码风格很像），看得我手痒痒，恨不得立刻跟着敲一遍。更重要的是，这些代码示例不仅仅是为了展示理论，而是真正地解决了实际问题，让我在学习过程中随时可以验证自己的理解。我感觉我终于不再是被动地接受知识，而是主动地探索和实践。读完前几章，我对编译器的基本流程已经有了清晰的认识，这让我对后续更深入的内容充满期待。

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说实话，我一开始抱着试试看的心态买的这本书，因为“编译原理”这个主题听起来就挺硬核的，我怕自己看不懂。但这本书的叙事方式非常巧妙，它没有把我当成一个需要被填鸭式的学生，而是把我当成一个有一定基础、渴望深入理解的开发者。作者在讲解抽象概念时，会不断地引入实际的应用场景，让我明白为什么我们需要这些理论。比如，在讲中间代码生成时，作者详细地对比了不同中间代码表示（如三地址码、抽象语法树）的优劣，以及它们在优化过程中的作用。这让我不再觉得中间代码只是一个“过渡”，而是整个编译流程中至关重要的一环。书中对代码优化的讲解也让我受益匪浅，从常量折叠到循环不变代码外提，每一种优化手段的原理和效果都被分析得条分缕析，甚至还给出了具体的优化前后代码的对比。这让我深刻理解了编译器是如何让我的代码运行得更快的。我感觉这本书不仅仅是在教我“怎么做”，更是在教我“为什么这样做”，让我从一个“代码使用者”变成了一个能更深层次理解代码执行过程的人。

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我一直觉得，一本好的技术书籍，不仅仅是传递知识，更能激发读者的思考和兴趣。而这本《编译原理实用教程》恰恰做到了这一点。它并没有止步于理论的陈述，而是非常注重实践性。书中大量的练习题和项目建议，让我能够在学习过程中不断地巩固和应用所学知识。我尝试着跟着书中的例子，自己动手实现了一个简单的词法分析器，虽然过程有些曲折，但最终成功运行的那一刻，真的让我非常有成就感。更重要的是，通过这些实践，我才真正体会到理论知识的价值，也发现了自己理解上的盲点。书中对于错误处理的讲解也让我印象深刻，它详细分析了各种编译错误（如词法错误、语法错误、语义错误）的产生原因，以及编译器如何进行错误检测和报告。这让我明白，一个好的编译器不仅仅是能生成代码，更能帮助开发者快速定位和解决问题。读完这本书，我感觉自己对编程语言的本质有了更深的认识，也对如何设计和实现自己的语言工具产生了浓厚的兴趣。

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