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出版者:Prentice Hall India

作者:By William Stallings

出品人:

頁數:0

译者:

出版時間:2004

價格:0

裝幀:Paperback

isbn號碼:9788120327962

叢書系列:

圖書標籤:

• 操作係統
• 計算機科學
• 計算機係統
• 內核
• 進程管理
• 內存管理
• 文件係統
• 並發
• 虛擬化
• 係統編程

深入理解數據結構與算法的藝術 書名：《數據結構與算法的藝術》 作者： [此處填寫一位知名計算機科學傢的假名，例如：阿德裏安·福斯特] 齣版社： [此處填寫一傢專業技術齣版社的假名，例如：藍海科技齣版社] --- 內容簡介： 在這個數字洪流席捲一切的時代，計算機科學的基礎——數據結構與算法——其重要性不言而喻。然而，許多入門書籍往往將這些核心概念以枯燥的理論形式呈現，使得學習者在麵對實際工程挑戰時，依然感到力不從心。《數據結構與算法的藝術》旨在徹底改變這一現狀。 本書並非一本簡單的算法速查手冊，而是一部緻力於揭示算法設計思維、雕琢數據組織哲學的深度探索之作。我們相信，優秀的代碼源於深刻的理解，而深刻的理解來自於對底層機製的精妙把握。本書將帶您走過數據結構設計的精妙之處，領略算法實現的優雅之美，並最終培養齣您作為一名頂尖軟件工程師所需的洞察力與解決問題的能力。 第一部分：構建數字世界的基石——數據結構的精妙組織 本部分聚焦於支撐現代計算體係的各種核心數據組織範式。我們不滿足於停留在概念層麵，而是深入探討每種結構的設計哲學、時間與空間復雜度的權衡，以及它們在實際應用場景下的局限性與適用範圍。 1. 數組與動態列錶的底層奧秘： 我們從最基礎的靜態數組開始，詳細剖析內存連續性帶來的性能優勢，並引齣動態數組（如 `ArrayList` 或 `Vector`）在大小調整時的開銷與優化策略。重點探討緩存局部性（Cache Locality）對迭代速度的決定性影響，這是高性能編程的隱形推手。 2. 鏈錶傢族的柔韌性： 從單嚮鏈錶到雙嚮鏈錶，再到循環鏈錶，本書不僅解釋瞭插入和刪除操作的 $O(1)$ 優勢，更深入探討瞭在並發環境下，如何安全地進行鏈式結構的操作，引入無鎖（Lock-Free）鏈錶的基本思想及其復雜性。 3. 棧、隊列與遞歸的優雅： 棧（Stack）與隊列（Queue）是程序控製流的直接映射。我們將詳細解析它們在函數調用棧管理、錶達式求值（如逆波蘭錶示法）以及廣度優先搜索（BFS）中的核心作用。同時，通過實例演示，如何利用棧結構巧妙地解決復雜的遞歸問題。 4. 樹結構的演化與平衡之道： 樹是描述層次關係和高效查找的利器。本書將樹的介紹分為幾個層次： 二叉樹與遍曆策略： 深入分析前序、中序、後序遍曆的實際意義。 二叉搜索樹（BST）的性能陷阱： 揭示其最壞情況下的 $O(n)$ 性能風險。 自平衡的藝術——AVL 樹與紅黑樹（Red-Black Trees）： 這是本書的重點之一。我們將詳盡解析紅黑樹的五個嚴格性質，並結閤圖形化演示，解釋鏇轉（Rotations）和顔色翻轉（Color Flips）是如何保證操作的對數時間復雜度，這是理解操作係統的文件係統和數據庫索引的關鍵。 B 樹與 B+ 樹： 專門開闢章節討論它們在磁盤 I/O 優化中的地位，這是理解現代數據庫係統（如 MySQL InnoDB）索引結構的基礎。 5. 圖論的廣闊疆域： 圖作為最通用的數據結構，是網絡、社交關係、路徑規劃的核心模型。我們不僅介紹鄰接矩陣和鄰接錶等錶示法，更側重於圖算法的實際應用：Dijkstra 算法在路由選擇中的應用、Prim/Kruskal 算法在最小生成樹構建中的比較，以及拓撲排序在依賴關係解析中的威力。 第二部分：算法的邏輯與效率——解決問題的藝術 本部分將視角從數據的組織轉嚮瞭操作數據的流程——算法。我們強調的不是死記硬背代碼，而是理解算法設計範式的核心思想。 1. 排序的精細比較： 快速排序（QuickSort）與歸並排序（MergeSort）是教科書的標配，但本書將深入比較它們在遞歸深度、內存占用（尤其是原地排序的實現）上的差異。同時，對堆排序（HeapSort）的深入剖析，幫助讀者理解優先隊列（Priority Queue）的底層實現原理。對於超大規模數據集，還將介紹外部排序的思想。 2. 遞歸、分治與迴溯： 分治法（Divide and Conquer）是現代高效算法的靈魂。我們將通過“主定理”（Master Theorem）來係統分析分治算法的復雜度。同時，迴溯法（Backtracking）將被應用於解決約束滿足問題，如八皇後問題和數獨求解，強調剪枝（Pruning）策略對效率的決定性影響。 3. 動態規劃：消除冗餘的智慧： 動態規劃（Dynamic Programming, DP）是算法設計中最具挑戰性但也最強大的工具之一。本書將 DP 分解為兩個核心步驟：最優子結構和重疊子問題。通過經典的背包問題、最長公共子序列等案例，展示如何從自頂嚮下（帶備忘錄）和平鋪自下而上（Tabulation）兩種方法構建狀態轉移方程，實現指數級到多項式級的性能飛躍。 4. 貪心算法的局限與適用性： 貪心策略以其簡潔高效著稱，但其正確性並非普適。我們將通過霍夫曼編碼等成功案例說明貪心選擇的性質，並用反例展示其在旅行商問題（TSP）中的失敗，從而加深讀者對算法適用範圍的判斷力。 5. 搜索優化：超越蠻力： 深度優先搜索（DFS）與廣度優先搜索（BFS）的應用場景被細緻區分。更進一步，本書介紹瞭A 搜索算法，重點解釋啓發式函數（Heuristic Function）的設計如何有效地指導搜索方嚮，實現路徑尋找的效率最大化。 第三部分：高級主題與工程實踐 理解瞭基礎後，本書引導讀者進入更貼近現代工程實踐的領域。 1. 散列錶（Hash Table）的碰撞處理藝術： 散列錶是現代編程中最常用的查找結構。我們詳細分析瞭鏈地址法（Separate Chaining）和開放尋址法（Open Addressing）的優劣。尤其關注如何設計優秀的哈希函數以最大程度地分散數據，並探討在負載因子過高時，動態重哈希（Resizing）的性能開銷與實現技巧。 2. 空間數據結構簡介： 為處理幾何查詢和空間索引，本書簡要介紹瞭K-D 樹和四叉樹/八叉樹，這些是地理信息係統（GIS）和碰撞檢測引擎的關鍵組件。 3. 算法分析的嚴謹性： 本書貫穿始終地強調漸近分析（Asymptotic Analysis），使用大 O、大 $Omega$ 和大 $Theta$ 符號進行嚴謹的性能評估。我們鼓勵讀者在編碼前，就對算法的潛在瓶頸有清晰的預判。 本書的獨特價值： 《數據結構與算法的藝術》並非僅關注“是什麼”，更緻力於探索“為什麼”和“如何做得更好”。它是一本麵嚮渴望深入理解底層機製的軟件開發者、係統工程師、以及有誌於進入尖端技術領域（如高性能計算、編譯器設計、數據庫內核）的學生的實踐指南。通過大量的僞代碼、C++ 和 Python 的實現示例，以及對常見麵試題背後的結構性思考的剖析，本書旨在將數據結構與算法從抽象的概念提升為手中可塑的工程利器。閱讀本書，您將學會的不僅僅是實現算法，更是像架構師一樣思考數據流。

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這本書，說實話，我剛翻開的時候，心裏其實是有點打鼓的。我通常更偏愛那些講實際操作、代碼寫得滿滿當當的技術手冊，那種能讓我立刻上手敲鍵盤解決問題的書。可這本《Operating Systems》的開篇，卻像是帶我走進瞭一個宏大的理論殿堂。它沒有急著告訴我“如何”編譯內核，反而是花瞭大量的篇幅去闡述抽象的概念——比如，進程與綫程的區彆，在它筆下不再是簡單的定義，而更像是一種哲學思辨：它們是如何在有限的計算資源中，共同構建起我們所見數字世界的“時間”與“空間”。我記得有那麼一章，專門講授瞭內存管理中的頁置換算法，作者沒有簡單地羅列 LRU、FIFO，而是通過一個極其生動的比喻，將CPU比作一個焦急的工匠，而內存則是他的工作颱，每一次置換都牽動著效率與延遲的微妙平衡。我甚至能想象到，在那個虛擬的工坊裏，一塊塊內存頁如同樂高積木般被重新排列。讀完那一章，我感覺自己不僅僅是學會瞭一個算法，更像是理解瞭底層硬件設計者們在麵對資源稀缺時的那種權衡與取捨。這本書的行文流暢度很高，即使是初學者，隻要願意沉下心來，也能感受到那種從混沌中提煉齣秩序的美感。它不是那種讓你看完就能立刻修復Bug的速成指南，但它能為你未來深入研究分布式係統或者高性能計算打下無比堅實的基礎，讓你知道你正在操作的“東西”背後，究竟運行著怎樣一套精妙的邏輯。

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這本書最讓我欣賞的一點，是它貫穿始終的“安全與可靠性”的視角。在當今這個數據安全和係統韌性日益重要的時代，操作係統絕不應該僅僅是提高效率的工具，更應該是抵禦惡意攻擊和意外故障的堡壘。本書的後半部分，大量篇幅聚焦於安全模型。作者沒有停留在簡單的用戶權限管理，而是深入探討瞭內核的安全加固技術，比如地址空間布局隨機化（ASLR）的工作原理，以及如何通過微內核架構來隔離關鍵服務以減小攻擊麵。特彆是關於係統調用接口的分析，作者以一種近乎“偵探”的口吻，剖析瞭曆史上著名的幾個係統漏洞，展示瞭錯誤的係統調用接口設計是如何為攻擊者打開大門的。讀完這些內容，我開始重新審視自己過去寫的代碼：我不再僅僅關注程序是否能正常運行，而是會下意識地問自己：“這個輸入是否可能被濫用？我的內存邊界檢查是否足夠嚴密？”它成功地將一種安全思維植入到瞭對操作係統原理的學習之中，這比單純學習如何打補丁要深刻得多。這本書讓你明白，一個優秀的操作係統設計，本質上就是對風險的精妙管理。

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我必須承認，這本書的某個部分讓我感到瞭極大的挑戰——那就是對I/O子係統的深度剖析。我通常習慣於將文件係統和網絡棧視為一個相對“黑箱”的層級，隻要調用標準API就能工作。然而，這本書毫不留情地撕開瞭這個麵紗。作者對塊設備驅動程序、中斷處理機製的描述細緻入微，幾乎到瞭“源碼級”的精度。我記得有一章專門講瞭磁盤調度算法，它不僅分析瞭SSTF和LOOK算法的理論性能差異，還結閤瞭現代固態硬盤（SSD）與傳統機械硬盤（HDD）的物理特性，解釋瞭為什麼在某些場景下，傳統的調度算法已經不再適用，以及現代內核是如何通過更復雜的策略來管理閃存的磨損均衡問題。老實說，讀到那部分時，我不得不頻繁地返迴去查閱相關的硬件架構手冊，以確保我完全理解瞭DMA（直接內存訪問）是如何繞過CPU進行數據傳輸的。這本書的難度麯綫是陡峭的，但這種陡峭恰恰是它價值所在——它迫使你跳齣應用程序的舒適區，真正去理解數據是如何從磁盤物理磁頭（或閃存單元）最終被可靠地送達用戶空間的。這是一次對技術深度極限的探索。

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這本書的深入程度，簡直令人咋舌。我本以為我對操作係統的理解已經足夠紮實瞭，畢竟在我的日常工作中，處理I/O調度和文件係統調用是傢常便飯。然而，當我翻到關於並發控製的那幾個章節時，我發現自己過去的經驗，很多都停留在“能用”的層麵，而非“精通”。作者對鎖的講解，簡直是教科書級彆的範本，他沒有滿足於互斥鎖（Mutex）的簡單介紹，而是追溯到瞭硬件層麵的原子操作，詳細剖析瞭Compare-and-Swap（CAS）指令是如何在不依賴特定硬件支持的情況下，構建齣無鎖數據結構的。更讓我印象深刻的是，他對死鎖預防、檢測和恢復的論述，簡直就是一部微縮的博弈論史。他不僅僅展示瞭銀行傢算法的數學模型，還結閤瞭現實世界中資源競爭的案例，比如數據庫事務的隔離級彆，如何通過精細控製鎖的粒度來避免係統性能的災難性下降。我甚至停下來，拿起筆在一張白紙上畫齣瞭好幾次資源分配圖，試圖在腦海中模擬那些復雜的鎖等待鏈。這本書的妙處在於，它總是能將最晦澀的並發問題，通過嚴謹的邏輯推理，還原成可以被理解的因果關係。對於那些渴望優化係統性能，想知道程序為何會偶爾“卡住”而不響應的工程師來說，這本書絕對是一劑猛藥，它讓你不再恐懼那些復雜的同步原語，而是能夠自信地去駕馭它們。

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說真的，這本書的排版和案例選擇，充滿瞭匠氣。我收到實體書時，第一印象是它有點厚重，但翻開後發現，那些復雜的圖錶和僞代碼塊的間距處理得恰到好處，閱讀起來絲毫不費力。與其他同類書籍動輒堆砌晦澀難懂的C代碼片段不同，這本書大量使用瞭類Pascal或僞代碼（Pseudo-code），這極大地降低瞭不同編程語言背景讀者的理解門檻。比如，在講解虛擬內存與TLB（快錶）交互時，它沒有直接展示某個特定CPU架構的匯編指令，而是用一套清晰的、步驟化的僞代碼邏輯來描述地址翻譯的過程，每一步的判斷和跳轉都像是在看一個流程圖，直觀到讓人拍案叫絕。而且，書中穿插的曆史視角也令人著迷。例如，在討論到早期UNIX係統如何應對多用戶並發需求時，作者會簡略提及當時的硬件限製，從而解釋為什麼某些設計決策（比如單內核的傾嚮性）在當時是如此的閤理。這種將技術發展融入曆史背景的敘事方式，讓冰冷的技術原理鮮活瞭起來，你不會覺得你在讀一本過時的教材，而是在參與一場關於計算史的深度對話。它提供的不僅僅是知識，更是一種對技術演進路徑的敬畏感。

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