數據結構

數據結構 pdf epub mobi txt 電子書 下載2026

出版者:北京郵電大學齣版社
作者:蹇強
出品人:
頁數:301
译者:
出版時間:2004-5
價格:29.50元
裝幀:平裝
isbn號碼:9787563508365
叢書系列:
圖書標籤:
  • 數據結構
  • 算法
  • 計算機科學
  • 編程
  • 數據存儲
  • 數據組織
  • 基礎
  • 教材
  • 學習
  • 考研
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具體描述

《算法的藝術與工程實踐》 內容簡介: 本書深入探討瞭計算機科學領域的核心基石——算法的設計、分析與實現。它不僅僅是一本枯燥的理論教材,更是一部融閤瞭深刻數學洞察力與前沿工程實踐的指南。全書以一種層層遞進、邏輯嚴密的方式展開,旨在幫助讀者構建起堅實的計算思維框架,無論麵對學術研究還是工業界的復雜挑戰,都能遊刃有餘。 第一部分:計算思維的基石與基礎工具 本部分奠定瞭理解高效計算的理論基礎。我們首先從可計算性理論的視角齣發,探討瞭什麼問題可以被計算,什麼問題是不可判定的,並引入瞭圖靈機和$lambda$演算等模型,為後續的效率分析打下概念基礎。 隨後,我們將重點聚焦於算法分析的數學工具。這包括漸近記號($O, Omega, Theta$)的精確定義與應用,遞歸關係式的求解方法(主定理、替換法),以及概率分析在隨機算法中的重要性。我們詳細闡述瞭如何通過嚴謹的數學證明來評估算法的時間復雜度和空間復雜度,強調瞭“好”的算法不僅要能解決問題,更要在資源消耗上具有優越性。 第二部分:經典範式與高效構造 本章是算法設計的核心篇章,係統性地介紹瞭解決各類計算難題的通用策略。 分治法(Divide and Conquer): 從經典的排序算法——快速排序(QuickSort)和歸並排序(MergeSort)的優化版本開始,深入探討瞭如何利用遞歸將大問題分解為可管理的小問題,並展示瞭其在矩陣乘法(如Strassen算法)中的應用。 貪心算法(Greedy Algorithms): 針對資源優化和決策問題,我們剖析瞭貪心選擇性質和最優子結構。通過最小生成樹(Prim's 和 Kruskal's 算法)和霍夫曼編碼的案例,演示瞭局部最優選擇如何導嚮全局最優解,並探討瞭證明貪心算法正確性的關鍵方法。 動態規劃(Dynamic Programming): 麵對重疊子問題和最優子結構,動態規劃提供瞭係統性的解決方案。我們詳細講解瞭記憶化搜索(Memoization)與自底嚮上(Tabulation)的實現方式,涵蓋瞭背包問題、最長公共子序列、矩陣鏈乘法等經典應用,並特彆強調瞭狀態轉移方程的構建過程。 第三部分:圖論算法的深度探索 圖結構是建模現實世界復雜關係的最有力工具。本部分將圖算法提升到瞭一個更高的層次。 圖的遍曆與連通性: 深度優先搜索(DFS)和廣度優先搜索(BFS)不僅是遍曆手段,更是解決拓撲排序、強連通分量(Tarjan’s 算法或 Kosaraju’s 算法)的關鍵。 最短路徑問題: 涵蓋瞭單源最短路徑(Dijkstra算法,Bellman-Ford算法及其對負權邊的處理)和所有對最短路徑(Floyd-Warshall算法)。我們詳細分析瞭每種算法的適用場景和復雜度瓶頸。 最大流與最小割: 引入瞭網絡流的概念,深入講解瞭Ford-Fulkerson方法、增廣路徑的尋找,以及最大流-最小割定理的深刻意義,這在匹配、網絡規劃等領域具有極高的工程價值。 第四部分:高級算法設計與工程實現 本部分著眼於前沿和特定領域的優化技術,強調算法與現代計算環境的結閤。 搜索與迴溯: 針對NP難題的近似求解,我們詳細介紹瞭分支限界法(Branch and Bound)和迴溯法的結構,並以八皇後問題、旅行商問題(TSP)為例進行實踐。 字符串匹配與模式識彆: 深入研究瞭高效的字符串搜索算法,如KMP(Knuth-Morris-Pratt)和Boyer-Moore算法,分析瞭它們如何通過預處理避免不必要的字符比較,極大地提升瞭文本處理效率。 計算幾何基礎: 介紹瞭凸包(Convex Hull)的求解算法(如Graham掃描),以及綫段交點檢測等基礎計算幾何原語,這些是許多現代圖形學和地理信息係統(GIS)應用的核心。 第五部分:現代計算環境下的性能優化 現代軟件性能往往受限於內存層次結構和並行性。本部分關注如何將理論算法適應於實際硬件。 外部存儲與內存層次結構: 探討瞭緩存友好性(Cache-Obliviousness)的概念。我們分析瞭如何設計算法(例如B樹和B+樹,它們在磁盤 I/O 方麵錶現優異)以最小化主存和輔助存儲之間的數據搬運。 並行與並發算法: 介紹瞭並行計算的基本模型(如PRAM模型),並討論瞭如何將排序、矩陣乘法等問題分解並分配給多個處理器。重點分析瞭同步、負載均衡和通信開銷對並行算法整體性能的影響。 隨機化算法: 探討瞭Las Vegas算法(總能給齣正確答案,但運行時間隨機)和Monte Carlo算法(可能給齣錯誤答案,但運行時間確定)的設計哲學,並以快速排序的隨機化版本為例,展示其在避免最壞情況復雜度方麵的優勢。 本書的特色: 本書的每一個核心概念都配有清晰的僞代碼描述和至少兩種不同編程語言(C++和Python)的完整實現案例。我們不僅關注“為什麼”這種方法有效,更聚焦於“如何”在工程中高效地實現它,包括內存布局優化、邊界條件處理和性能調優的實際技巧。通過大量的圖示和精心挑選的習題,讀者將能夠真正掌握算法這門將理論與實踐完美結閤的“藝術”。 適用讀者: 本書適閤有紮實離散數學和基本編程基礎的計算機科學專業學生、軟件工程師、數據科學傢,以及任何希望係統性提升解決復雜計算問題能力的專業人士。掌握本書內容,將使您能夠自信地應對軟件開發、係統設計乃至算法競賽中的高難度挑戰。

作者簡介

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讀後感

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用戶評價

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我尤其欣賞這本書在闡述字符串匹配算法時所展現齣的嚴謹與細緻。在學習之前,我對“模式匹配”的概念隻停留在非常基礎的理解層麵,以為就是簡單地在文本中查找子串。然而,這本書帶我進入瞭一個全新的視角。作者首先迴顧瞭樸素的字符串匹配算法,即通過循環逐個比較,並詳細分析瞭其在最壞情況下的時間復雜度,讓我意識到這種簡單方法在麵對長文本和重復模式時效率的低下。隨後,他循序漸進地引入瞭更高級的算法,例如KMP(Knuth-Morris-Pratt)算法。關於KMP算法,我最受啓發的是它如何通過預處理模式串,構建一個“next”數組(或稱為“失效函數”),來避免不必要的字符比較。作者對“next”數組的構建過程進行瞭非常詳盡的解釋,通過示例清晰地展示瞭如何根據模式串的自身重復性來確定跳躍的步長。這不僅僅是算法的實現,更是一種對問題根源的深入分析和優化。他還介紹瞭Boyer-Moore算法,並重點闡述瞭其“壞字符規則”和“好後綴規則”,這兩種啓發式規則是如何通過從後往前匹配,以及利用模式串的特定結構來快速跳躍,從而在實際應用中通常能獲得比KMP更優異的性能。書中對這些算法的分析,不僅僅停留在代碼層麵,而是深入到其背後的數學原理和優化思想,讓我對算法的效率和設計有瞭更深層次的認識。

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這本書的封麵設計給我留下瞭深刻的第一印象,那種簡潔而富有力量感的排版,仿佛預示著內容本身的深度與嚴謹。拿到手中,紙張的觸感溫潤而厚實,翻閱時沒有絲毫廉價感,一股知識的沉澱氣息撲麵而來,讓我對即將展開的學習之旅充滿瞭期待。作者在開篇就對數據結構這一概念的起源、發展以及其在計算機科學中的核心地位進行瞭詳盡的闡述,這對於我這樣一名初學者來說,無疑是打下堅實基礎的關鍵一步。他不僅僅是羅列概念,而是通過曆史的脈絡,清晰地勾勒齣各種數據結構是如何隨著計算需求的變化而應運而生、不斷演進的。從早期的綫性結構,到後來的樹形、圖形結構,乃至更復雜的抽象數據類型,作者都娓娓道來,仿佛在講述一個宏大的科學史詩。其中,對於“抽象”這一概念的解讀,更是讓我茅塞頓開。它解釋瞭為何我們不直接麵對底層的硬件操作,而是通過更高層次的模型來解決問題,這極大地提升瞭編程的效率和可維護性。書中對每種數據結構的引入,都伴隨著其在實際應用場景中的生動案例,例如,在描述鏈錶時,作者巧妙地引用瞭“一環扣一環”的現實比喻,使得枯燥的概念瞬間變得鮮活起來。他對“空間換時間”這一權衡的討論,更是點齣瞭算法設計中的核心思想,讓我意識到,解決問題並非隻有一種最優解,理解其中的取捨之道同樣重要。這本書的邏輯清晰,層次分明,即使是初次接觸這些概念,也能循序漸進地理解。

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在我學習瞭鏈錶、棧、隊列這些綫性結構之後,這本書在介紹遞歸和迴溯算法時,為我打開瞭新的思路。作者沒有將遞歸簡單地視為一種編程技巧,而是將其提升到瞭一種思維的高度。他通過對階乘、斐波那契數列等經典遞歸問題的剖析,詳細講解瞭遞歸的兩個核心要素:基綫條件(停止條件)和遞歸步驟。他強調瞭遞歸的“自頂嚮下”的分解思想,以及如何將一個大問題分解為若乾個相似的小問題來解決。更重要的是,作者將遞歸思想與迴溯算法緊密結閤。他解釋瞭迴溯算法是一種通過探索所有可能的候選解來找到所需解的算法,而遞歸則是實現迴溯的天然工具。通過旅行商問題、八皇後問題等經典迴溯問題的講解,我纔真正理解瞭迴溯是如何通過“試探-撤銷”的機製來逐步構建解空間的。作者對搜索路徑的錶示,以及如何用剪枝操作來避免無效搜索的詳細說明,讓我明白瞭迴溯算法的效率關鍵在於如何有效地剪枝。書中對深度優先搜索(DFS)與迴溯的關係的闡述,也讓我豁然開朗,理解瞭DFS本質上就是一種帶有迴溯思想的深度搜索。

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這本書在講解哈希錶(散列錶)這部分內容時,給我留下瞭極為深刻的印象。在此之前,我對“哈希”這個概念總覺得有些抽象,但作者通過生動形象的比喻和詳盡的步驟分解,將這一看似復雜的概念變得易於理解。他首先解釋瞭哈希錶的核心思想,即通過一個哈希函數將任意長度的鍵(Key)映射到一個固定大小的哈希錶(數組)的索引上,從而實現快速查找、插入和刪除操作。作者對各種哈希函數的特性進行瞭詳細的分析,包括一緻性、均勻性以及計算效率,並列舉瞭諸如除留餘數法、乘法散列法等幾種經典的哈希函數實現方式,讓我能夠理解如何設計一個好的哈希函數。當然,哈希錶的關鍵挑戰在於如何處理“哈希衝突”,即不同的鍵可能映射到同一個索引。書中對此提齣瞭幾種主流的衝突解決方法,包括開放地址法(綫性探測、二次探測、雙重散列)和鏈地址法。他對這些方法的原理、實現以及各自在性能上的錶現進行瞭深入的比較,並通過圖示清晰地展示瞭衝突發生時數據的存儲方式。特彆是鏈地址法,作者用“鏈錶串聯”的形象描述,讓我瞬間理解瞭其如何通過在數組的每個槽位上連接一個鏈錶來存儲衝突的鍵值對。這本書在哈希錶部分的講解,不僅讓我掌握瞭其基本原理和實現,更重要的是讓我理解瞭在實際應用中,如何根據具體需求選擇閤適的哈希函數和衝突解決方法,以達到最優的性能。

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在接觸到圖這一章節時,我感覺自己仿佛打開瞭一個全新的世界。圖作為一種比樹結構更為通用和復雜的數據模型,其在現實世界中的廣泛應用,讓我對它的學習充滿瞭好奇。作者首先對圖的基本概念進行瞭定義,包括頂點(節點)、邊(連接)、有嚮圖、無嚮圖、加權圖等,並詳細解釋瞭鄰接矩陣和鄰接錶這兩種錶示圖的常用方法,以及它們各自的優缺點和適用場景。他對這兩種錶示方法的詳細對比分析,讓我能更深刻地理解其在存儲空間和操作效率上的權衡。緊接著,這本書的重頭戲——圖的遍曆算法,如廣度優先搜索(BFS)和深度優先搜索(DFS)的講解,讓我眼前一亮。作者不僅給齣瞭算法的僞代碼,更重要的是通過詳細的步驟分解和圖形化示例,讓我能夠清晰地理解BFS是如何從起始節點開始,一層一層地嚮外擴展,以及DFS是如何沿著一條路徑盡可能深地搜索下去。他將BFS比作“水麵擴散”的形象化描述,以及DFS的“迷宮探索”類比,都極大地幫助瞭我記憶和理解。更令我稱道的是,書中還結閤瞭BFS和DFS的應用實例,比如查找最短路徑(BFS)和連通性判斷(DFS),這讓我看到瞭理論知識與實際應用之間的緊密聯係,也激發瞭我利用圖算法解決實際問題的信心。

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我對書中關於樹結構的部分進行瞭深入的學習,這部分內容是整個數據結構體係中我個人覺得最為精妙也最能體現“結構化”思想的章節。作者首先從二叉樹的概念入手,清晰地定義瞭根節點、父節點、子節點、葉子節點等基本術語,並通過各種二叉樹的遍曆方式(前序、中序、後序)的詳細講解,讓我理解瞭不同遍曆順序如何影響我們獲取信息的順序,以及這些遍曆方式在實際應用中的價值,比如中序遍曆在二叉搜索樹上的應用,可以得到有序的序列。接著,他對二叉搜索樹(BST)的插入、刪除、查找等基本操作進行瞭詳盡的描述,並配以生動的圖例,讓我能夠清晰地看到每次操作對樹結構的改變。更讓我欣喜的是,作者並沒有停留於靜態的二叉搜索樹,而是深入探討瞭平衡二叉搜索樹(AVL樹、紅黑樹)的概念和實現。他解釋瞭為什麼需要平衡,以及AVL樹和紅黑樹是如何通過鏇轉等操作來維護樹的平衡,從而保證查找、插入、刪除操作的效率始終維持在O(log n)的時間復雜度。這部分內容雖然稍顯復雜,但作者的講解思路非常清晰,邏輯嚴謹,讓我能夠一步步理解這些高級數據結構的精妙之處。書中還提及瞭堆(Heap)這一重要數據結構,並詳細闡述瞭最大堆和最小堆的定義以及堆排序的實現。他通過將數組抽象為完全二叉樹,並利用堆的性質來完成排序,讓我驚嘆於數據結構之間的聯係與轉化。

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這本書的結尾部分,關於多綫程並發和多進程編程的思想,為我提供瞭更廣闊的視野。雖然這部分內容並未深入到具體的操作係統實現細節,但作者通過清晰的類比和簡練的解釋,讓我理解瞭並發和並行這兩個概念的核心區彆,以及它們在現代計算中的重要性。他描繪瞭單綫程程序如同一個人單槍匹馬地處理所有任務,而多綫程程序則像一個團隊,能夠同時處理多個子任務,極大地提高瞭程序的響應速度和吞吐量。作者對綫程之間通信和同步的挑戰進行瞭概括性的描述,並簡單介紹瞭互斥鎖、信號量等同步機製的作用,這讓我初步認識到瞭在共享資源訪問時保證數據一緻性的必要性。關於多進程,他解釋瞭每個進程擁有獨立的內存空間,這帶來瞭更高的安全性和隔離性,但也意味著進程間通信(IPC)的復雜性。書中對死鎖和活鎖等並發編程中常見問題的簡要提及,也讓我意識到瞭這方麵的挑戰性。雖然這部分內容更多是作為對後續更深入學習的引導,但作者能夠將這些復雜且抽象的概念,以如此清晰易懂的方式呈現齣來,實屬不易。它成功地激發瞭我進一步探索操作係統和並發編程領域的興趣。

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在閱讀關於查找算法的部分時,我感覺自己對“效率”這兩個字有瞭全新的認知。書中首先從最基礎的順序查找(綫性查找)開始,詳細解釋瞭其原理,以及在列錶末尾或不存在時所麵臨的效率瓶頸。接著,作者自然而然地引齣瞭二分查找(摺半查找)的概念,並強調瞭其前提條件——數據必須是有序的。他對二分查找的遞歸和迭代兩種實現方式都進行瞭清晰的闡述,並通過圖示展示瞭每次查找過程是如何將搜索空間減半的,這直觀地讓我理解瞭為何二分查找的時間復雜度能達到O(log n)。然而,作者並沒有止步於此,而是進一步探討瞭在實際應用中,當數據量非常龐大,或者數據並非完全存儲在內存中時,我們應該如何進行更高效的查找。他引進瞭B樹和B+樹的概念,並詳細解釋瞭它們是如何通過多路查找和節點閤並/分裂來優化磁盤I/O操作,從而在大規模數據庫和文件係統中實現高效的數據檢索。雖然B樹和B+樹的結構相對復雜,但作者的講解思路清晰,邏輯性強,配閤大量的圖示,讓我能夠逐步理解它們的設計思想和優越性。他對於不同查找算法的適用場景和性能對比的分析,幫助我認識到,沒有一種查找算法是萬能的,理解它們的優缺點並根據具體需求進行選擇,纔是解決問題的關鍵。

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這本書在討論排序算法時,給我帶來的不僅僅是算法的實現,更是一種對“順序”與“無序”之間轉換的深刻理解。從基礎的冒泡排序、選擇排序、插入排序,作者都耐心地展示瞭它們工作的每一步,並分析瞭它們的特點,比如插入排序在部分有序的數據上錶現齣色。這些雖然是基礎,但它們幫助我鞏固瞭對“交換”和“比較”這兩種基本操作的理解。隨後,書中引入瞭更高級的排序算法,如快速排序和歸並排序。我特彆對快速排序的“分治”思想印象深刻。作者通過“快速劃分”的過程,生動地解釋瞭如何選擇一個“基準”元素,然後將數組分為小於基準、等於基準和大於基準的三部分,並遞歸地對左右兩部分進行排序。他對於選擇不同基準可能導緻性能差異的分析,以及如何通過三數取中法等策略來優化基準選擇,讓我看到瞭算法設計的智慧。而對於歸並排序,我對它“分而治之”的策略以及“閤並”操作的精妙性感到驚嘆。它將數組不斷分割,直到每個子數組隻有一個元素(自然有序),然後通過兩次有序的子數組閤並,最終得到完全有序的數組。作者對歸並排序穩定性(相等元素的相對順序在排序後保持不變)的強調,也讓我認識到排序算法的另一個重要特性。此外,書中還涵蓋瞭堆排序,將其與堆這一數據結構緊密聯係起來,讓我理解瞭如何利用堆的“最大(小)元素總是在根節點”的性質來進行高效排序。

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在學習的過程中,我發現這本書在講解算法時,有著一種獨特的魅力。它不僅僅是給齣代碼實現,更重要的是深入剖析瞭算法背後的邏輯推理和數學原理。例如,在討論排序算法時,作者對冒泡排序、選擇排序、插入排序等基本算法的原理講解,細緻到每一步的操作,並配以清晰的圖示,讓我能夠直觀地理解它們的工作方式。更令人印象深刻的是,他對各種排序算法的時間復雜度和空間復雜度進行瞭深入的分析,通過大O符號的引入,我纔真正理解瞭算法效率的衡量標準,以及不同算法在處理大規模數據時性能上的巨大差異。他並沒有止步於此,而是進一步探討瞭快速排序、歸並排序等更高效的算法,並詳細解釋瞭它們是如何通過分治策略來優化性能的。這種由淺入深、循序漸進的講解方式,極大地減輕瞭我的學習負擔,也讓我對算法的理解更加透徹。書中對遞歸思想的闡釋也尤為精彩,作者通過數學歸納法的類比,解釋瞭遞歸的定義、基本要素和停止條件,並通過計算階乘、斐波那契數列等經典案例,讓我逐步掌握瞭如何設計和實現遞歸函數。他對遞歸的潛力和局限性也進行瞭客觀的分析,提醒我在使用遞歸時要注意棧溢齣的風險。總而言之,這本書在算法的講解上,做到瞭既有深度,又不失易懂性,充分激發瞭我進一步探索算法世界的興趣。

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