实用数据结构基础 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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isbn号码:9787113545604

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• 数据结构
• 基础
• 算法
• 编程
• 计算机科学
• 学习
• 入门
• 实践
• 代码
• 教程

深入解析现代软件构建的基石：并发编程与系统级优化 本书聚焦于高性能计算环境下的核心挑战，系统地阐述了现代操作系统、分布式系统以及多核架构对软件设计提出的严峻要求。它并非一本面向初学者的数据结构入门指南，而是为寻求突破传统单线程思维桎梏、致力于构建健壮、高效、可扩展系统的资深工程师和研究人员量身打造的深度参考手册。 --- 第一部分：现代并行计算模型与底层原理 本部分将彻底剖析处理器架构如何影响软件的性能特征。我们将从内存层次结构的微观视角出发，深入探讨缓存一致性协议（如MESI、MOESI）在多核系统中的实际运作机制，以及如何通过正确的内存访问模式来最小化缓存未命中惩罚。 关键主题包括： 1. 同步原语的细粒度分析： 不仅仅停留在互斥锁（Mutex）和信号量的表面概念，我们将详细对比硬件提供的原子操作（如Compare-and-Swap, LL/SC）在不同架构（x86-64, ARM）下的性能差异和内存屏障（Memory Fences）的精确语义。深入探讨自旋锁（Spinlock）与阻塞锁的适用场景边界。 2. 并发模型的演进： 梳理从传统的共享内存模型到消息传递模型（Actor Model, CSP）的演进路线。重点分析Go语言的Goroutine调度器和Erlang/Elixir中的进程模型如何有效地管理数百万并发任务，并比较它们在负载均衡和故障隔离方面的优劣。 3. 无锁编程（Lock-Free/Wait-Free）： 这是构建极致性能系统的关键技术。本书将详细介绍如何利用原子操作和循环等待机制，构建基于队列（如Ring Buffer）、堆栈和哈希表的无锁数据结构。我们将详细推导ABA问题的成因及其在实际应用中的规避策略，特别是针对C++ `std::atomic` 库的使用规范和潜在陷阱。 --- 第二部分：高性能并发数据结构的实现与优化 本部分将超越教科书上对线性表的讨论，直接进入高并发场景下的数据结构实现细节，重点关注如何减少锁粒度或完全消除锁竞争。 核心内容涵盖： 1. 并发哈希表的设计哲学： 对比链式分离（Separate Chaining）和开放寻址法（Open Addressing）在并发环境下的性能表现。我们将构建一个基于版本号（Versioning）或时间戳的乐观并发哈希表，分析其在读多写少场景下的吞吐量优势。 2. 并发队列与通道（Channels）： 实现高性能的有界和无界队列，如Michael & Scott 队列的C/C++高效实现。特别关注Go语言Channel的内部结构，如何通过MPMC（多生产者多消费者）模型实现高效的阻塞和唤醒机制，并探讨其在异步I/O框架中的应用。 3. 树形结构的并发化： 研究如何安全地并发地操作平衡树（如红黑树、AVL树）。我们将重点解析乐观锁技术在B+树索引结构中的应用，例如如何通过页面级别的锁和日志记录（Logging）实现高并发数据库的事务隔离。 --- 第三部分：分布式系统中的一致性、容错与扩展性 随着应用规模的扩大，单机瓶颈不可避免。本部分将视角提升至集群级别，探讨如何在网络延迟和节点故障的约束下，维护数据的正确性和系统的可用性。 重点突破方向： 1. 一致性模型与协议： 详尽解析CAP理论的实践意义，并深入研究强一致性协议的实现。重点分析Paxos和Raft协议的选举机制、日志复制流程和安全性证明。提供Raft在实际分布式存储系统（如etcd, Consul）中的应用案例，包括快照生成和日志压缩的优化。 2. 分布式事务处理： 探讨在微服务架构下如何实现跨服务的原子性。对比两阶段提交（2PC）、三阶段提交（3PC）的局限性，并详细介绍Saga模式在补偿性和最终一致性场景下的设计与落地。 3. 时间同步与顺序保证： 在缺乏全局时钟的分布式环境中，事件的顺序性是构建正确系统的基础。我们将研究逻辑时钟（如Lamport时间戳）和向量时钟的原理，以及Google Spanner中TrueTime的混合时钟方案，以理解如何获得接近绝对的全局顺序。 --- 第四部分：性能剖析与调试技术 理论的实现必须经过严格的验证和优化。本部分提供一套实用的工具链和方法论，用于诊断和解决并发系统中的性能瓶颈和隐性错误。 实用工具箱： 1. 性能分析与火焰图： 掌握使用`perf`、VTune、eBPF工具链对系统调用、上下文切换、缓存行为进行深度采样和分析的方法。如何识别并消除伪共享（False Sharing）对性能的毁灭性影响。 2. 并发错误的检测： 介绍静态分析工具（如ThreadSanitizer, Helgrind）的工作原理，并提供一套用于主动诱发和捕捉数据竞争、死锁和资源泄露的测试框架设计思路。 3. 异步I/O模型与反应式编程： 探讨Netty、io_uring等高效I/O模型如何通过事件驱动架构打破同步阻塞的性能天花板。分析反应式流编程（如RxJava, Project Reactor）在处理复杂异步数据流时的优势与心智模型。 --- 本书适合的读者群： 具备扎实的C/C++或Java/Go语言基础，对操作系统内核有一定了解的软件架构师、高级后端开发工程师，以及希望在高性能计算、大规模网络服务、数据库内核等领域进行深度研究的从业者。阅读本书需要读者具备主动钻研底层原理、敢于挑战复杂并发逻辑的决心。

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