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页数:141

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出版时间:2008-2

价格:16.00元

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isbn号码:9787302160304

丛书系列:

图书标签:

• 面向对象
• 程序设计
• C++
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• 学习
• 教学

算法之道：数据结构与底层优化实践 图书简介 《算法之道：数据结构与底层优化实践》并非一本面向对象编程的入门或进阶教程，它将读者从高层抽象的类与对象设计中抽离出来，深入到计算机科学最核心的领域——数据结构与算法效率的精妙构建与极致优化。本书旨在培养工程师对计算效率的敏锐嗅觉，理解程序运行的真正瓶颈所在，并提供一套系统化的工具集，以应对海量数据处理和实时计算的挑战。 第一部分：基石的重塑——数据结构的深度剖析 本书的第一部分聚焦于构建高效程序的基石：数据结构。我们不会仅仅停留在教科书式的定义上，而是深入探讨每种结构在不同应用场景下的实际性能表现及其背后的内存模型。 1. 数组与链表的性能悖论： 我们将详尽分析静态数组和动态数组（如C++中的`std::vector`或Java中的`ArrayList`）的内存连续性带来的缓存友好性优势，以及动态扩容的成本。随后，深入剖析单向、双向、循环链表的实现细节，重点讨论它们在随机访问和插入/删除操作上的性能权衡。更进一步，我们将引入跳跃表 (Skip List)，探讨它如何通过概率性地增加索引层级，以接近平衡树的性能实现有序集合的快速查找，同时保持相对简单的实现复杂度。 2. 树结构的演化与精调： 平衡二叉搜索树（AVL树、红黑树）是本书的重点章节。我们将详细推导旋转操作的逻辑，阐明它们如何保证 $O(log n)$ 的时间复杂度。此外，本书会花费大量篇幅介绍B树和B+树，重点分析它们在磁盘I/O受限环境（如数据库索引）中的结构设计哲学，解释为何页大小的对齐是其性能优化的关键。对于特定问题，例如表达式解析或前缀匹配，我们将讨论Trie (前缀树) 的空间优化变体，如Radix Tree。 3. 哈希技术的极致应用： 哈希函数不再只是一个简单的取模操作。本书将探讨一致性哈希（Consistent Hashing） 的原理及其在分布式系统（如缓存一致性、负载均衡）中的应用，阐述它如何最小化数据迁移。针对哈希冲突，我们将对比开放寻址法（线性探测、二次探测、双重哈希）与链地址法，并介绍 Cuckoo Hashing，分析其在保证最坏情况下$O(1)$查找时间上的独特机制。 4. 图论的实践映射： 图结构是建模复杂关系的核心。本书不满足于DFS和BFS的基础遍历。我们将深入讲解最小生成树（MST） 算法（Prim与Kruskal）的底层实现，并侧重于Dijkstra、Bellman-Ford及Floyd-Warshall算法在实际网络路由、最短路径计算中的具体场景优化。此外，还会介绍拓扑排序在项目依赖管理和指令调度中的核心作用。 第二部分：算法的效率革命——从理论到极致优化 第二部分将焦点从“存储什么”转向“如何高效处理”。这里，我们将探讨经典算法的现代优化手段，并引入并行化和内存层级的概念。 1. 排序算法的现代舞台： 尽管快速排序（Quick Sort）和归并排序（Merge Sort）是标准，本书会分析它们在现代CPU架构下的弱点。我们将深入内省排序（Introsort） 的混合策略，以及Timsort（Python和Java中广泛使用的LSD/MSD混合策略）的优势。重点是分析算法的时间复杂度在不同数据规模下的实际表现，并探讨并行排序的实现思路。 2. 动态规划与记忆化搜索的精妙权衡： 动态规划（DP）是解决重叠子问题和最优子结构问题的利器。本书将通过经典的背包问题、最长公共子序列等案例，推导出DP的状态转移方程。更重要的是，我们将讨论自底向上（Bottom-Up） 与自顶向下（Top-Down，带有记忆化） 两种实现方式的性能差异，以及如何通过空间优化（如滚动数组）来降低内存占用。 3. 字符串匹配的高速公路： 朴素的字符串搜索效率低下。本书将详细介绍KMP (Knuth-Morris-Pratt) 算法中的前缀函数（Next数组）的构建过程，以及Boyer-Moore算法中“坏字符”和“好后缀”启发式的原理，展示其在实际文本处理中超越线性时间的潜力。对于基因测序等特定领域，还会引入Aho-Corasick 自动机。 4. 内存层级与缓存优化： 这是本书区别于传统算法书的关键所在。我们将探讨CPU L1, L2, L3缓存的工作机制和局部性原理。算法的性能瓶颈往往不在于CPU周期数，而在于缓存未命中（Cache Miss）。我们将展示如何通过数据布局重排（Data Layout Transformation）、循环展开（Loop Unrolling） 和分块（Blocking/Tiling） 技术，将算法重新设计，以最大化数据在高速缓存中的驻留时间，实现数量级的性能提升。 5. 并行化基础与原子操作： 在多核时代，算法必须学会“分工”。本书将介绍分治策略的并行化，讨论如何安全地划分任务。重点讲解在无锁（Lock-Free）数据结构设计中，CAS (Compare-and-Swap) 等原子操作的原理，及其在实现高性能并发队列和栈时的重要性，避免传统锁机制带来的上下文切换开销。 结语 《算法之道》旨在将读者从“能跑就行”的编程思维提升到“高效运行”的工程境界。它要求读者具备扎实的计算机底层知识，并愿意投入时间去理解数据在内存中的流动与转换。掌握这些底层优化策略，是构建下一代高性能系统的必备技能。

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