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頁數:290

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出版時間:2008-4

價格:28.00元

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isbn號碼:9787115176110

叢書系列:

圖書標籤:

• C++
• 程序設計
• 編程
• 計算機科學
• 算法
• 數據結構
• 麵嚮對象
• 軟件開發
• 教材
• 入門
• 學習

《數據結構與算法分析：C++實現》 前言 在計算機科學的廣袤領域中，數據結構與算法是構建高效、可靠軟件係統的兩大基石。它們如同建築的鋼筋骨架與設計藍圖，決定瞭程序在處理海量信息時的性能上限與邏輯嚴謹性。本書旨在為渴望深入理解這些核心概念的讀者提供一套係統、嚴謹且極具實踐指導意義的教程。我們選擇 C++ 作為實現語言，正是因為它在性能、抽象能力和對底層硬件的控製力之間取得瞭絕佳的平衡，非常適閤用於精確地演示和分析復雜數據結構和算法的運作機製。 本書的編寫哲學是“理論與實踐並重，深度與廣度兼顧”。我們不僅會闡述每種結構和算法背後的數學原理和邏輯推導，更會聚焦於如何在實際工程環境中利用 C++ 的特性（如模闆、麵嚮對象編程、STL 容器的應用）來實現它們，並對其時間復雜度和空間復雜度進行深入的剖析和比較。 目標讀者 本書麵嚮的對象是具有一定 C++ 基礎（熟悉指針、類、對象和基本麵嚮對象概念）的計算機專業學生、軟件工程師、以及任何希望係統性提升自身算法設計與分析能力的自學者。掌握本書內容，將使讀者能夠從“能跑就行”的初級編程思維，躍升至“高效、可擴展”的專業工程思維。 全書結構概覽 本書共分為六大部分，循序漸進地引導讀者探索數據結構與算法的精妙世界： --- 第一部分：基礎迴顧與性能分析（Fundamentals and Performance Analysis） 本部分首先快速迴顧 C++ 中與算法實現緊密相關的基礎特性，如模闆編程、RAII 原則在資源管理中的應用。隨後，我們將著重探討算法分析的數學基礎——大 O、Ω、Θ 符號的精確含義、漸進分析的技巧，以及如何通過性能測試來驗證理論分析的準確性。我們將分析常見操作的攤還分析（Amortized Analysis）方法，這是理解某些動態數據結構（如動態數組）性能的關鍵。 重點內容示例： C++ 標準庫（STL）中與性能相關的部分解析。 遞歸與非遞歸算法的復雜度轉換方法。 常數因子對實際運行時間的影響辨析。 --- 第二部分：綫性數據結構的高效實現（Efficient Linear Structures） 綫性結構是最常見的數據組織形式，但其高效的實現卻大有學問。我們將超越對基礎數組和鏈錶的簡單介紹，深入探討它們的變體及其在特定場景下的優化。 數組與嚮量： 深入理解動態數組的底層內存分配策略、擴容機製的效率瓶頸及優化。 棧（Stack）與隊列（Queue）： 重點討論基於鏈錶和基於循環數組的實現，分析它們在多綫程環境下的潛在並發問題（但不深入並發編程細節）。 雙端隊列（Deque）： 探究其分塊存儲結構如何實現 O(1) 的兩端操作。 鏈錶深度剖析： 詳細比較單嚮、雙嚮和循環鏈錶的內存開銷與操作復雜度，並實現一個健壯的、帶哨兵節點的鏈錶類。 --- 第三部分：非綫性結構：樹與圖的廣度探索（Non-linear Structures: Trees and Graphs） 樹和圖是錶達復雜關係和層級結構的核心工具。本部分將詳盡地介紹各類樹結構的構造、遍曆與應用。 3.1 樹結構（Trees） 二叉樹與遍曆： 遞歸與非遞歸的前序、中序、後序遍曆的精確實現與性能對比。 二叉搜索樹（BST）： 深入分析其最壞情況下的性能退化問題。 平衡搜索樹的精髓： 詳細講解 AVL 樹的鏇轉操作（單鏇與雙鏇）和紅黑樹（Red-Black Tree）的插入與刪除的顔色調整和重平衡機製。我們將用 C++ 實現一個可用的紅黑樹節點管理係統。 堆（Heaps）： 講解二叉堆的結構特性，實現 Dijkstra 算法中必需的優先隊列。介紹 B 樹和 B+ 樹（僅作結構介紹，不深入磁盤 I/O 層麵）。 3.2 圖論基礎（Graph Theory） 圖的錶示法： 鄰接矩陣與鄰接錶的優劣比較及 C++ 模闆化實現。 基礎遍曆算法： 深度優先搜索（DFS）和廣度優先搜索（BFS）的迭代與遞歸實現，重點分析它們在判斷連通性、拓撲排序中的應用。 --- 第四部分：高級圖算法與最短路徑（Advanced Graph Algorithms） 本部分專注於解決圖論中的經典優化問題，這些算法是網絡路由、資源分配等領域的基石。 最小生成樹（MST）： 詳細實現 Kruskal 算法（基於並查集優化）和 Prim 算法（基於優先隊列優化），並比較兩者的漸進復雜度。 最短路徑算法： 單源最短路徑： Dijkstra 算法在非負權重圖中的應用及實現細節。 所有對最短路徑： 介紹 Floyd-Warshall 算法的動態規劃思想。 Bellman-Ford 算法： 專門用於處理含負權邊的圖，並分析其檢測負權環的能力。 拓撲排序（Topological Sort）： 結閤 DFS 和 Kahn 算法（基於入度）進行實現。 --- 第五部分：排序算法的精細化比較（Refined Sorting Algorithms） 排序是算法學習的重中之重。我們不僅要實現它們，更要理解不同算法背後的思想轉變。 基礎排序迴顧： 插入排序、選擇排序、冒泡排序（重點在於分析其適用於小規模數據的特性）。 分治策略： 深入分析快速排序（Quick Sort）的樞軸選擇策略對平均性能的關鍵影響，以及應對最壞情況的隨機化處理。 閤並排序（Merge Sort）： 分析其穩定性與 O(N log N) 的保證性，以及其空間開銷。 綫性時間排序： 介紹計數排序（Counting Sort）、基數排序（Radix Sort）的原理，並討論它們適用和不適用的場景（例如，何時能突破比較排序的理論下界）。 --- 第六部分：數據結構與算法的高級主題（Advanced Topics） 本部分涵蓋瞭需要較高抽象思維纔能掌握的高級技術，它們是構建復雜係統的關鍵。 散列錶（Hash Tables）： 深度探討哈希函數的構造原則（如除法、乘法、通用哈希）。重點分析解決衝突的各種方法：開放定址法（綫性探測、二次探測、雙重哈希）和鏈地址法，精確計算探測次數的平均性能。 並查集（Disjoint Set Union - DSU）： 介紹其核心操作（Find 和 Union），以及路徑壓縮和按秩閤並（Union by Rank/Size）如何將操作復雜度降至近乎常數時間 $O(alpha(N))$。 迴溯法與分支限界法： 以八皇後問題、旅行商問題（TSP）為例，講解如何使用這些技術來解決組閤優化問題，並關注剪枝的有效性。 結語 學習數據結構與算法，並非為瞭應付考試，而是為瞭在麵對未知且復雜的工程問題時，能夠從容地設計齣兼具效率與優雅的解決方案。本書中的每一個 C++ 代碼示例都經過精心設計，旨在清晰地映射到背後的理論模型。我們鼓勵讀者親手編譯、運行並修改這些代碼，尤其是在分析性能瓶頸時，應積極使用性能分析工具。掌握本書內容，您將真正擁有洞察程序運行深層機製的能力。

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拿到這本《C++程序設計》時，我正處於一個對編程充滿好奇，但又對C++的復雜性感到無從下手的階段。這本書的封麵設計簡潔而專業，沒有花哨的圖案，給人一種沉穩可靠的感覺。我最先翻閱的是前言部分，作者用非常平實的語言闡述瞭C++這門語言的魅力與挑戰，沒有故作高深的術語堆砌，這讓我感到非常親切。在初步瀏覽目錄時，我注意到章節安排的邏輯性極強，從最基礎的語法概念，逐步過渡到麵嚮對象的設計思想，再到後期的內存管理和模闆編程，似乎為我構建瞭一個清晰的學習路綫圖。尤其是對指針和引用的章節，我特地留意瞭一下，發現作者采用瞭大量的圖示和代碼片段來輔助解釋，這一點非常關鍵，因為這些底層概念往往是初學者最大的絆腳石。這本書的排版也相當齣色，字體大小適中，行距舒服，即便是長時間閱讀也不會感到視覺疲勞。整體來看，它給我的第一印象是：這是一本旨在踏踏實實教會你C++核心知識，而不是僅僅停留在錶麵介紹的教材。它的重量和厚度也暗示瞭其內容的深度，讓人有信心去啃下這塊“硬骨頭”。

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從閱讀體驗的角度來看，這本書的難度梯度控製得非常精妙，堪稱教科書級彆的典範。初期的章節（如數據類型、流程控製）寫得極其平易近人，即便是對計算機科學背景不深的讀者也能迅速上手，建立起編程的信心。然而，隨著內容的深入，例如進入到多重繼承、虛繼承、模闆元編程的領域時，作者的筆鋒立刻變得專業而犀利，開始要求讀者具備更強的抽象思維能力。這種從易到難的平滑過渡，有效避免瞭讀者在學習中途因難度驟升而産生的挫敗感。我尤其欣賞作者在關鍵概念的引入上所使用的類比手法，它們常常能將抽象的概念具象化。比如，對虛函數錶的講解，如果完全脫離圖形輔助，很容易讓人頭暈腦脹，但作者巧妙地引入瞭一個“查找錶”的概念，瞬間就讓虛函數的多態性原理變得豁然開朗。這種尊重讀者的認知麯綫的設計理念，使得這本書成為一本真正可以陪伴讀者長期學習的工具書，而不是一本讀完一遍就束之高閣的參考手冊。

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坦率地說，作為一本技術書籍，我很少會關注到“藝術性”這個維度，但這本書在某些方麵的處理確實體現瞭作者對編程美學的追求。例如，在討論到操作符重載時，作者不僅僅是羅列瞭重載的規則，而是著重強調瞭“何時不應該重載”的原則，強調代碼的可讀性和直觀性高於“能做什麼”。這種強調良好編程規範和設計倫理的內容，讓我意識到編程不僅僅是實現功能，更是一種嚴謹的工程活動。書中對於C++11、C++14等新標準的引入也處理得十分自然，並非生硬地堆砌新特性，而是將它們融入到對舊有機製的改進和優化中去講解，使人能清晰地看到C++語言自身發展的脈絡和迭代的理由。我很少見到一本技術書籍能將嚴謹的工程知識與清晰的敘事風格結閤得如此完美，它讓人感覺像是在聽一位經驗豐富的資深工程師娓娓道來他的獨傢心得，而不是被動地接收一堆冷冰冰的規則定義。這本書無疑為我後續的專業C++開發工作打下瞭堅實而深厚的基礎。

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這本書的實戰性部分處理得非常到位，特彆是關於標準模闆庫（STL）的講解，簡直可以說是一次酣暢淋灕的梳理。我過去在學習STL時總是感覺零散和碎片化，知道有`vector`、`map`這些容器，但對於它們背後的迭代器模型和時間復雜度分析總是模糊不清。而這本《C++程序設計》將STL視為一個整體來係統講解，從容器的內部結構（比如紅黑樹、哈希錶的基本原理）入手，再到算法的泛型編程實現，邏輯鏈條非常清晰。我記得有一章專門講解瞭如何根據不同的應用場景選擇最閤適的容器，這對我解決實際項目中的性能瓶頸提供瞭直接的指導方針。更難得的是，書中提供的代碼示例不僅僅是教科書式的“Hello World”，而是包含瞭許多經過優化的、接近工業標準的代碼片段。這些例子往往通過一個小型的、完整的功能模塊來展示知識點的應用，而不是孤立的函數調用，這極大地提升瞭我將書本知識轉化為實際編碼能力的速度。我甚至嘗試著去復現書中一些稍復雜的算法實現，過程非常順暢，得益於作者清晰的代碼注釋和邏輯流程描述。

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深入閱讀瞭其中的一些章節後，我發現這本書最讓我驚喜的地方在於其對“為什麼”的深入探討。很多教材隻是告訴你“怎麼做”，比如某個關鍵字的用法，某個函數的調用格式，但這本書卻花費瞭大量篇幅去解釋“為什麼必須這樣做”以及“這樣做背後的設計哲學”。例如，在講解類的構造函數和析構函數時，作者不僅僅是給齣瞭語法示例，更是穿插講解瞭RAII（資源獲取即初始化）這一重要的C++設計範式，並將它與C語言中的資源管理模式進行瞭鮮明對比。這種對比極其有效，幫助我理解瞭C++相對於C語言的進步和設計上的精妙之處。我特彆欣賞作者在處理異常處理部分時的嚴謹態度，他沒有草草帶過，而是用多個復雜的應用場景來模擬真實世界中的錯誤發生機製，並展示瞭如何使用`try-catch`塊構建健壯的代碼結構。這種注重實踐和理論結閤的講解方式，讓我感覺自己不僅僅是在學習一門編程語言的語法，更是在學習一種解決問題的思維方式。對我這個希望從初級程序員邁嚮中級水平的讀者來說，這種深度的剖析是極其寶貴的養分。

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