Experiments in Computer Science - C Version pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Addison Wesley Publishing Company

作者:J. Glenn Brookshear

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1994-01

价格:USD 40.60

装帧:Paperback

isbn号码:9780805346299

丛书系列:

图书标签:

• 计算机科学
• 实验
• C语言
• 编程
• 算法
• 数据结构
• 实践
• 教学
• 入门
• 代码

《计算科学实验集锦：C语言实践与理论探索》 内容提要： 本书并非对特定教材《Experiments in Computer Science - C Version》的复述或替代，而是一部专注于计算科学核心概念与前沿技术的实验性教材。它旨在通过一系列结构化的、基于C语言实现的实践项目，引导读者深入理解计算机科学的理论基础，并掌握在实际工程中解决复杂问题的能力。全书内容横跨算法设计、数据结构、操作系统原理、计算机网络、数据库系统以及并行计算等多个关键领域，力求在理论与实践之间搭建坚实的桥梁。 第一部分：计算基础与程序设计范式 本部分奠定读者在C语言环境下的程序设计基础，并引入计算思维的核心要素。 第一章：C语言高级特性与内存管理实战 本章超越了基础语法，深入探讨C语言的高级特性，如指针运算的精妙之处、复杂数据类型的结构体和联合体的灵活运用，以及函数式编程思想在C中的体现（如函数指针和回调机制）。实验重点在于手动内存管理的精细控制，包括动态内存分配器的实现（malloc/free的模拟），以及缓冲区溢出、内存泄漏等常见安全问题的预防和检测。读者将构建一个小型、自我维护的内存池，以优化特定场景下的性能。 第二章：高效算法设计与性能分析 本章聚焦于经典和现代算法的实现与性能剖析。实验内容包括但不限于： 1. 排序算法的深度比较： 实现并基准测试Merge Sort、Quick Sort（包含随机化和三向切分优化）以及非比较排序算法如Radix Sort。重点分析不同输入规模下的时间复杂度（$O(n log n)$与$O(n)$的实际差异）。 2. 图论算法实现： 构建一个通用的图结构库（邻接表与邻接矩阵），并实现Dijkstra单源最短路径算法、Floyd-Warshall多源最短路径算法，以及最小生成树算法（Prim与Kruskal）。对稀疏图和稠密图的性能差异进行量化对比。 3. 动态规划的建模与求解： 选取背包问题、最长公共子序列等经典问题，引导读者从递归到备忘录，再到自底向上的动态规划表格填充过程。 第三章：核心数据结构的构建与应用 本部分要求读者从零开始，使用纯C语言实现标准库中未直接提供的复杂数据结构，以加深对内部机制的理解。实验包括： 1. 平衡树的实现： 实现AVL树或红黑树（Red-Black Tree）。实验要求严格遵守旋转和重新着色的操作规则，并提供清晰的插入、删除和查找功能的性能验证。 2. 哈希表的优化： 实现基于开放定址法（如线性探测、二次探测）和链地址法的哈希表。核心实验是设计高效的哈希函数，并评估不同负载因子下冲突解决策略对平均查找时间的影响。 3. B/B+树的模拟： 鉴于磁盘I/O的特性，我们将模拟B树的结构，着重理解多路查找的效率优势，这为后续数据库章节的磁盘存储原理打下基础。 第二部分：系统级编程与底层交互 本部分将视角转向操作系统和硬件交互，利用C语言的系统调用能力进行低级编程。 第四章：操作系统核心概念的C语言实现 本章旨在“自制”操作系统中的关键组件。 1. 进程与线程管理模拟： 利用POSIX线程库（pthreads）或Windows API，实现同步原语（互斥锁、信号量、条件变量）的定制化封装。实验重点是解决经典的生产者-消费者问题和哲学家就餐问题，并分析不同同步机制下的死锁风险与吞吐量差异。 2. 文件系统操作与I/O重定向： 深入使用`open`, `read`, `write`, `lseek`等系统调用，实现一个简化的文件拷贝工具，并手动实现文件块的读写缓存机制，以对比标准库函数（如`fread`/`fwrite`）的效率差异。 3. 虚拟内存与分页概念的初步探索： 探讨如何使用内存映射（`mmap`）来管理大型文件或实现进程间共享内存，理解虚拟地址到物理地址转换的抽象概念。 第五章：网络编程基础：Socket与协议实现 本章聚焦于TCP/IP协议栈的实践应用。读者将使用C语言的BSD Socket API。 1. TCP/UDP客户端/服务器实现： 构建一个可靠的、基于TCP的聊天室应用，以及一个简单的、基于UDP的广播服务。重点关注字节序转换（`htonl`/`ntohl`）和错误处理。 2. HTTP协议的最小实现： 编写一个极简的HTTP服务器，能够解析GET请求的头部信息，并返回静态文件。这要求对请求/响应格式有精确的掌握。 3. 网络数据包捕获与分析（可选）： 介绍如何使用原始套接字（Raw Sockets）捕获网络流量（需管理员权限），并解析IP、TCP/UDP头部结构，直观理解网络层和传输层的数据封装。 第三部分：高级计算范式与工程实践 本部分探索并行化、高性能计算以及数据管理的应用。 第六章：并行与并发计算加速 本章将介绍如何利用多核架构提升计算效率。 1. 多线程并行加速： 将一个计算密集型任务（如大型矩阵乘法或图像处理中的滤波器应用）分解，使用OpenMP或pthreads实现并行化。实验要求严格控制数据竞争，并分析加速比（Speedup）与核心数的关系。 2. 向量化与SIMD概念（理论引入）： 虽然C语言层面直接控制SIMD指令集较为复杂，但本章会通过编译器优化标志（如`-O3`，`-march=native`）来感受编译器如何自动向量化循环，并讨论编写易于编译器优化的循环模式。 第七章：数据库接口与持久化 本章将C语言程序与外部数据存储系统连接起来。 1. SQLite嵌入式数据库应用： 使用SQLite的C API，学习如何执行SQL语句、事务管理和数据绑定。核心实验是构建一个命令行联系人管理系统，实现数据的持久化存储和高效查询。 2. CSV文件解析器与内存映射I/O： 编写一个健壮的C程序，用于高效解析大型CSV文件。通过比较传统逐行读取和使用`mmap`映射文件进行随机访问的性能，深入理解磁盘访问模式对数据处理速度的影响。 第八章：代码质量、调试与性能分析工具 本部分强调专业软件工程的实践，确保实验代码不仅能运行，而且健壮、高效。 1. 调试与错误检测： 强制要求使用GDB进行断点调试、监视变量和堆栈回溯。引入Valgrind工具集，对所有内存操作实验进行严格的内存泄漏和越界访问检查。 2. 性能剖析（Profiling）： 使用`gprof`或现代工具（如perf）对关键算法（如排序、图搜索）进行性能剖析，定位热点代码段，并指导读者进行针对性的代码优化。 3. 单元测试框架的构建： 引导读者使用简单的C宏或外部库，为自己实现的数据结构和核心函数编写自动化单元测试，确保代码的可重用性和正确性。 总结： 本书的每一项实验都设计为相互关联的模块，共同构建起一个全面的计算科学实践知识图谱。它要求读者不仅要理解“是什么”，更要动手实现“怎么做”，并通过严格的性能分析和调试流程，培养出面向系统底层、注重效率和健壮性的计算思维。完成这些实验后，读者将具备利用C语言这一强大工具，解决跨领域复杂计算问题的扎实能力。

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这本书的阅读体验，坦白说，需要一定的专注度和耐心，但回报绝对是丰厚的。我尤其欣赏作者在处理算法复杂度分析时的那种近乎偏执的严谨性。它不仅仅停留在给出大O表示法，而是深入探讨了不同优化策略对时间复杂度和空间复杂度的实际影响，这种深层次的剖析，对于准备进行高性能计算或者系统级编程的人来说，是无价的财富。我记得有一次，我为了解决一个特定的搜索问题而苦恼了很久，尝试了多种方法都感觉效率不高。后来，在书中关于图遍历算法的章节找到了灵感，作者通过对比DFS和BFS在特定图结构下的性能差异，巧妙地指出了我的瓶颈所在，并提供了一种基于启发式搜索的优化思路。这本书的伟大之处在于，它不是简单地告诉你“怎么做”，而是深刻地揭示了“为什么这样做最好”，这种知识的深度和广度，是市面上很多偏向应用层面的编程指南所无法比拟的。它强迫你跳出IDE的舒适区，去思考程序在机器层面是如何运作的，这是一种宝贵的思维训练。

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初次拿起这本书时，我略微有些担心它会过于学术化，读起来会让人昏昏欲睡，毕竟很多计算机科学的教材都存在这个问题。然而，作者似乎洞察到了读者的这种心理，在理论讲解的间隙，巧妙地穿插了一些历史性的注释和业界实践的对比。这些小插曲极大地缓解了阅读的枯燥感，也让知识的背景更加丰满。例如，在讲解结构体对齐和位域（bit-fields）的使用时，作者不仅给出了标准的C语言规范，还解释了不同编译器的历史演进和硬件架构对这些特性的影响，这使得原本有些枯燥的内存布局知识，瞬间变得鲜活起来。更值得一提的是，书中的习题设计非常精妙，它们不像那种简单的“填空题”或“代码补全”，而是常常要求读者从头设计一个数据结构或实现一个核心的系统组件，并要求在满足特定性能指标的前提下完成，这极大地锻炼了动手能力和工程思维，真正做到了理论与实践的无缝对接，而不是两张皮。

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这本书的封面设计着实引人注目，那种深邃的蓝色调，配合着简洁的白色字体，立刻就给人一种专业而又不失现代感的印象。我是在一个偶然的机会下接触到它的，当时正在寻找一本能系统梳理计算机科学基础概念，特别是那些与底层实现紧密相关的经典著作。这本书的篇幅适中，内容组织上明显经过了精心编排，从最基础的二进制运算逻辑开始，逐步过渡到复杂的数据结构和算法分析。阅读过程中，我发现作者在讲解抽象概念时，特别善于运用具体的实例来辅助理解，不像某些教科书那样干巴巴地堆砌公式和定义。比如，它对指针和内存管理的阐述，清晰得几乎能让人在脑海中勾勒出内存地址的布局，这对于理解C语言这种底层语言的精髓至关重要。此外，书中的图示设计也颇具匠心，那些流程图和结构示意图，准确地捕捉了算法执行的关键步骤，避免了读者在理解复杂逻辑时产生歧义。总体而言，这本书提供了一个非常扎实且富有条理性的学习路径，对于初学者建立起严谨的计算思维框架，无疑是一份极佳的指引，让人在翻阅的过程中，切实感受到知识是如何从零散的片段汇聚成一个有机的知识体系的。

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如果要用一句话来概括这本书的价值，我会说它是一座连接理论与工程的坚实桥梁。它不仅仅教授你C语言的语法，更重要的是，它教会你如何像一个系统级程序员那样去思考问题——如何权衡资源，如何预见潜在的性能陷阱，以及如何在有限的条件下设计出健壮的解决方案。我发现，自从系统地学习了这本书中的内容后，我在处理其他语言或框架的问题时，那种对底层原理的洞察力都有了显著的提升。比如，在处理并发编程或网络I/O时，我不再是盲目地调用API，而是能更好地理解操作系统内核是如何调度线程、管理缓冲区和处理中断的，这无疑是这本书对我的核心馈赠。它提供的不是临时的技巧，而是一套长久适用的思维框架。对于任何希望在计算科学领域走得更远、更深的人来说，这本书绝对值得反复研读，它的知识密度和启发性，使得每一次重读都能发现新的洞见。

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这本书的排版和细节处理，体现出编辑团队极高的专业素养。纸张的选择非常合适，即便是长时间在灯光下阅读，眼睛的疲劳感也比阅读其他铜版纸印刷的书籍要轻得多。更关键的是，代码块的格式化几乎无可挑剔。在C语言编程中，缩进、括号的位置、变量的命名规范，都直接影响到代码的可读性和维护性。这本书中的所有示例代码都严格遵循了一种清晰、一致的风格，这不仅本身就是一个很好的编程示范，也使得读者在跟练代码时，能够更专注于逻辑本身，而不用被格式上的小错误分散注意力。在讲解到递归和栈帧结构时，作者甚至特意设计了一系列动态追踪的示意图，用不同颜色的箭头清晰地标示出函数调用和返回的过程，这种对细节的关注，在很大程度上降低了初学者理解函数调用栈这个抽象概念的门槛。这种对读者学习体验的体贴入微，是很多追求速度和产量的教材所欠缺的。

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