数据结构基础

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出版者:北京大学出版社
作者:张乃孝
出品人:
页数:0
译者:
出版时间:1900-01-01
价格:7.9
装帧:
isbn号码:9787301013311
丛书系列:
图书标签:
  • 数据结构
  • 基础
  • 算法
  • 计算机科学
  • 编程
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具体描述

计算机科学:理论基石与前沿探索 本书导读: 在信息技术飞速发展的今天,计算机科学已不再是少数专业人士的专属领域,而是渗透到社会生活的方方面面。本书旨在为读者构建一个坚实、全面的计算机科学知识框架,超越单一数据结构或算法的范畴,深入探讨支撑现代计算系统的核心理论、体系结构以及新兴的前沿技术。我们相信,理解这些基石,是驾驭未来技术变革的关键。 --- 第一部分:计算的本质与逻辑基础 本部分聚焦于计算机科学最底层的抽象和推理工具,它们是构建一切复杂系统的逻辑骨架。 第一章:离散数学与形式逻辑的严谨性 本章深入探讨离散数学在计算中的核心地位。我们将详细解析集合论的基本运算、关系与函数在数据建模中的应用。重点内容包括:图论的深度剖析——涵盖图的连通性、遍历算法(如Dijkstra、Floyd-Warshall的理论基础)、网络流理论及其在资源分配问题中的应用。此外,我们将用严谨的数学语言阐述命题逻辑和一阶谓词逻辑,展示如何将自然语言描述的问题转化为可被计算机验证的形式化模型,这是软件正确性证明和人工智能推理的基石。我们还将介绍组合数学中的计数原理、生成函数及其在算法复杂度分析中的实际应用。 第二章:计算模型与可计算性理论 理解“计算机能做什么”和“不能做什么”至关重要。本章从理论层面构建计算的抽象模型。我们将详细介绍图灵机的构造、工作原理及其与现代冯·诺依曼体系的映射关系。核心内容是可计算性理论:通过停机问题(Halting Problem)的不可判定性,阐明计算的内在局限。随后,我们将区分不同层次的可判定性问题,并引入复杂性理论的初步概念,如时间与空间复杂度的严格定义,为后续的算法效率分析打下理论基础。 第二部分:硬件与系统架构的底层实现 本部分将读者的视角从抽象的数学模型拉回到真实的物理机器,解析指令如何在硅片上执行,以及操作系统如何管理这些资源。 第三章:数字逻辑与计算机组织原理 本章从最基本的晶体管和逻辑门开始,逐步构建出完整的计算机硬件系统。内容涵盖布尔代数化简、组合逻辑电路(如加法器、多路选择器)和时序逻辑电路(如触发器、寄存器组)的设计与分析。我们将详细剖析CPU的微架构,包括指令集架构(ISA,对比RISC与CISC的设计哲学)、数据通路、控制单元的设计(硬布线控制与微程序控制)。重点讨论流水线技术的原理、风险(如数据冒险、控制冒险)及消除技术,以实现更高的指令级并行性。 第四章:操作系统:资源管理与抽象层 操作系统是连接硬件与应用程序的桥梁。本章深入探讨操作系统的核心职能。进程与线程管理是重点,包括进程状态转换、上下文切换的开销分析、以及各种调度算法(如时间片轮转、优先级调度、多级反馈队列)的性能权衡。内存管理部分将详尽介绍虚拟内存的概念,深入分页(Paging)和分段(Segmentation)机制的实现细节,以及TLB(快表)在地址翻译中的作用。此外,同步与互斥(信号量、管程)是并发编程的难点,本章将提供详尽的实例分析。文件系统的组织结构、磁盘调度算法(如SCAN、LOOK)的效率对比也将被纳入讨论范围。 第三部分:高级算法范式与工程实践 在理解了底层逻辑和硬件约束后,本部分聚焦于解决复杂问题的通用策略和工程实现考量。 第五章:高级算法设计范式与分析 本章超越基础排序与搜索,聚焦于解决NP难问题的策略。我们将系统地介绍动态规划的思想精髓,通过最优化原理构建最优子结构,并用实际案例(如背包问题、最长公共子序列的矩阵链乘法优化)深化理解。贪心算法的适用性边界将被清晰界定。针对搜索问题,我们将深入研究回溯法与分支限界法,并探讨如何利用剪枝优化大幅提升搜索效率。对于不可行解的问题,我们将介绍近似算法的设计思想,并分析其近似比的界限。 第六章:编译原理与程序执行流程 本章揭示高级语言代码如何转化为机器可执行的二进制文件。我们将详细梳理编译器的各个阶段:词法分析(正则表达式与有限自动机)、语法分析(LL, LR, LALR解析技术)、语义分析(类型检查与属性文法)。代码生成部分将侧重于中间代码表示(如三地址码)以及代码优化的技术,包括常量折叠、死代码消除和循环不变量外提等经典优化手段。理解编译过程有助于编写出更高效、更符合目标机器特性的代码。 第四部分:网络通信与分布式计算 在当今互联的世界中,理解信息如何在不同计算单元间高效、可靠地流动至关重要。 第七章:计算机网络:协议栈与可靠传输 本章遵循OSI和TCP/IP模型,系统地解析网络协议的每一层。重点解析IP协议的路由机制和地址规划(IPv4/IPv6)。在传输层,我们将深入对比TCP的拥塞控制算法(如Tahoe, Reno, CUBIC)如何动态调节网络吞吐量,以及UDP的无连接特性。应用层协议如HTTP/2的帧结构、DNS的查询机制、以及网络安全中的基本加密原理由浅入深地展开。 第八章:分布式系统的理论与实践 分布式系统引入了新的挑战:一致性、容错性与并发性。本章探讨CAP定理的权衡,并介绍实现强一致性的经典算法,如Paxos和Raft协议的数学模型和状态转换。我们将分析分布式事务的处理模式(如两阶段提交2PC),以及在无中心化架构中如何处理时钟同步和消息传递的顺序性问题。缓存一致性协议(如写穿透、写回)在大型系统中的部署策略也将被详细阐述。 --- 总结与展望: 本书的结构旨在构建一个从晶体管到大规模分布式系统的完整知识链条。通过对逻辑基础的严谨推导、对硬件结构的深入剖析、对算法范式的灵活运用,以及对网络通信的全面掌握,读者将不仅能熟练使用现有的计算工具,更能理解其背后的设计哲学和局限性,从而具备解决未来未知计算挑战的能力。本书强调理论的深度与工程实践的广度相结合,是计算机科学进阶学习者的理想参考。

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读后感

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用户评价

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阅读这本《数据结构基础》的过程,感觉就像进行了一次严谨的学术漫步。作者的文笔非常克制和精准,每一个句子都似乎经过了千锤百炼,去除了所有不必要的冗余信息。我在学习图论的连通性和拓扑排序时,深切体会到了这种清晰带来的效率提升。例如,在讲解Kosaraju算法时,作者不仅清晰地描述了两次DFS的步骤,还配上了状态转换图,让人一眼就能捕捉到其核心思想——利用反向图来确定强连通分量的边界。这本书的特点在于其高度的内聚性,各个章节之间相互呼应,比如对数组和链表的讨论,会自然地引向内存访问局部性和缓存友好的概念,而不是孤立地讲解。不过,对于零基础的读者来说,这本书的门槛设置得有点高,它假设读者已经对指针、内存管理和基本的计算理论有一定的了解,否则初期的阅读体验可能会非常晦涩和受挫。

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这本《数据结构基础》真是让人又爱又恨,爱的是它深入浅出地讲解了那些晦涩难懂的算法原理,恨的是里面的习题简直是地狱难度,尤其是关于图遍历那几章,我感觉自己就像在迷宫里绕圈圈,每道题都得花上好几个小时才能理清思路。不过,一旦攻克下来,那种成就感是无与伦比的。作者在讲解树的结构时,用了非常形象的比喻,让我一下子就理解了二叉搜索树的精髓,不像我之前看的那本,满篇的公式和抽象定义,看得我头昏脑胀。特别是关于堆的应用部分,作者的讲解非常细致,甚至连堆排序的每一步操作都用流程图画了出来,这对于我这种视觉型学习者来说简直是福音。虽然书中的代码示例主要以C语言为主,对我这个Java用户来说稍显不便,但我还是能从中窥见其设计思想的精妙之处。总的来说,这是一本适合有一定编程基础,并且不畏惧挑战的读者的进阶参考书,绝对不是那种能让你轻松“速成”的入门读物,它要求你投入时间和精力去真正理解数据在内存中的排列组合与逻辑关系。

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我给这本《数据结构基础》的评价是:一本需要耐心打磨、方能品出真味的“技术茶经”。它最大的亮点在于对“抽象数据类型”(ADT)的强调,作者花费了大量篇幅来区分概念上的ADT和实现上的具体结构,这对于建立正确的面向对象思维至关重要。我之前总是混淆“队列”这个概念的本质和用数组或链表去“实现”队列的过程,这本书通过清晰的契约和操作集定义,帮我彻底厘清了界限。书中对各种排序算法的稳定性分析非常到位,表格对比一目了然,让我能够根据实际需求快速选择最合适的排序方法。此外,本书对算法复杂度的最好、最坏和平均情况分析得极为透彻,每一个O(n)或O(log n)的得出都有清晰的数学依据支撑,这对于想要在面试中从容应对复杂度提问的读者来说,是极大的加分项。唯一的遗憾是,我希望能有更多的篇幅讨论C++模板或现代语言特性如何更好地封装这些数据结构,以进一步提升代码的健壮性和可维护性。

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这本书的理论深度远远超出了我预期的“基础”范畴。我原以为它会像我大学里用的教材那样,仅仅停留在链表、栈、队列这些基本结构的实现上,但这本书明显面向的是希望深入理解底层原理的进阶学习者。作者对算法的数学分析部分下足了功夫,严谨且毫不含糊,特别是对于动态规划和贪心算法的证明,引用了多篇经典论文的思路,这让我在做算法竞赛的准备时,能够更自信地应用这些高级策略。我特别喜欢作者在介绍递归和迭代的转化时所采用的“栈帧模拟”手法,通过对程序执行过程的微观视角剖析,彻底打消了我对递归可能导致栈溢出的那种模糊恐惧。然而,这本书的实战性略显不足,它更偏向于理论推导和概念辨析,很少涉及如何将这些数据结构高效地整合到大型软件项目中去解决实际工程问题,如果能增加一些面向对象设计模式与数据结构结合的案例,那就更完美了。

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说实话,当我翻开这本书时,我原本的期望值并不高,毕竟市面上关于数据结构的教材汗牛充栋,大多都是翻来覆去地介绍那些老生常谈的内容。但这本书给我带来了惊喜,尤其是在讲解哈希表和冲突解决策略时,作者的论述角度非常新颖。他没有直接堆砌复杂的数学证明,而是从实际应用场景入手,比如数据库索引和缓存设计中的痛点,反向推导出各种开放寻址法和链地址法的优劣,这种“问题驱动”的教学方式极大地激发了我的学习兴趣。我记得有一章专门探讨了B树在文件系统中的实际应用,配有大量的磁盘I/O效率对比图表,让我深刻体会到为什么在需要高效范围查询的场景下,它会比二叉树更具优势。书的排版设计也值得称赞,章节之间逻辑过渡自然,关键术语的加粗和注释清晰明了,即使是初次接触这些复杂概念的读者,也能跟随作者的思路一步步深入。唯一美中不足的是,部分算法的时间复杂度分析略显保守,对于一些优化后的变种算法探讨得不够深入,不过瑕不掩瑜,作为打基础的教材已经绰绰有余了。

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