分形算法与程序设计 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:科学出版社

作者:孙博文

出品人:

页数:342

译者:

出版时间:2004-11-1

价格:40.00

装帧:平装（带盘）

isbn号码:9787030145505

丛书系列:

图书标签:

• 分形
• 算法
• 程序设计
• 数学
• 计算机图形学
• 递归
• 几何
• 可视化
• Python
• C++

《代码的艺术：数据结构与高级算法实战指南》 导言：驾驭复杂性，洞悉数字世界的基石 在当今信息爆炸的时代，软件系统日益庞大且复杂。高效、健壮和可维护的代码已不再是奢侈品，而是生存的必需。本书《代码的艺术：数据结构与高级算法实战指南》，旨在为有志于精进编程技艺的读者提供一套系统、深入且侧重实践的知识体系。我们深知，算法是程序的灵魂，数据结构是承载灵魂的躯体。本书将带领读者从最基础的逻辑构建单元出发，逐步攀登至解决实际工程挑战所需的高级算法殿堂。 本书的定位并非停留在理论的表面，而是致力于弥合“知道”与“会用”之间的鸿沟。我们将通过大量的真实世界案例、精心设计的代码示例，以及对每种结构和算法的性能瓶颈与优化策略的深度剖析，确保读者能够真正将所学内化为解决问题的利器。 --- 第一部分：坚实的基础——重温与升华经典数据结构 本部分聚焦于构建所有复杂计算的基石——数据结构。我们不仅复习了数组、链表等线性结构，更深入探讨了它们在内存管理和特定应用场景下的优化技巧。 第一章：内存的对话——数组、链表与指针艺术 本章从内存层面剖析了静态数组和动态数组（如向量）的底层差异。重点在于缓存局部性对性能的影响，以及如何通过合理的内存布局最大化数据访问速度。对于链表，我们不仅讨论了单向、双向和循环链表，更详细分析了并发环境下链表操作的同步难题和无锁（lock-free）链表的初步设计思路。本章还包含一个小型项目：使用链表实现一个高效的内存池管理器。 第二章：树的结构与语义——从搜索到表达 树形结构是组织层次化数据的核心工具。我们从基础的二叉树出发，系统梳理了平衡二叉搜索树（AVL树、红黑树）的旋转机制、插入与删除的复杂度分析。但本书的亮点在于对B树族的深入讲解。我们详细阐述了B+树在数据库索引中的核心地位，分析了其多路搜索的效率优势，并展示了如何在内存数据库中模拟B树的结构以加速范围查询。此外，我们引入了Trie树（前缀树）的变体，如Radix Tree，在网络路由和IP查找中的应用。 第三章：图论的拓扑：连接世界的骨架 图是建模复杂关系的最通用工具。本章系统回顾了图的表示方法（邻接矩阵与邻接表）的优劣权衡。随后，我们将重点放在图遍历算法的深度优化，包括如何使用迭代加深深度优先搜索（IDDFS）来解决深度限制问题。在连通性分析上，我们详细解析了并查集（Disjoint Set Union, DSU），并展示了其在Kruskal算法和网络故障检测中的路径压缩与按秩合并（Union by Rank）的实际效能。 第四章：散列的魔法——冲突、膨胀与持久性 散列（哈希）是实现近乎$O(1)$查找的关键。本章不仅讨论了标准散列函数的设计原则，更着重于冲突解决策略的对比。除了链地址法和开放寻址法，我们深入研究了Cuckoo Hashing（布谷鸟哈希）的工作原理，以及它如何在需要保证最坏情况性能时替代传统方法。最后，我们探索了一致性哈希在分布式缓存系统（如Memcached, Redis Cluster）中的重要性，解释了它是如何最小化节点增减对缓存分布的影响。 --- 第二部分：算法的精粹——效率与优雅的追求 本部分将从算法设计范式出发，引导读者掌握解决问题的通用方法论，并深入到现代计算中不可或缺的高级技术。 第五章：排序的艺术：超越比较的极限 排序是算法教学中的常青树，但本书追求的是超越教科书的深度。我们不仅分析了快速排序和归并排序的并行化潜力，更详细剖析了非比较排序（计数排序、桶排序、基数排序）的应用边界——即在数据范围受限时，如何实现真正的线性时间复杂度。本章的难点在于对外部排序的讨论，模拟磁带存储环境，介绍多路归并排序的复杂阶段划分策略。 第六章：动态规划的魔力——最优子结构与重叠子问题 动态规划（DP）是解决优化问题的利器。我们遵循“定义状态—寻找转移方程—确定边界条件”的清晰路径。本书提供了大量非标准DP问题的实例，例如背包问题的多维扩展、编辑距离的字符集敏感优化，以及在序列比对（如BLAST算法的核心思想）中DP的应用。我们特别引入了四边形不等式优化（Knuth-Yao Speedup），展示如何将$O(N^3)$的DP问题降维至$O(N^2)$。 第七章：贪婪与回溯——局部最优与全局探索 贪婪算法和回溯法代表了两种截然不同的搜索哲学。在贪婪算法部分，我们聚焦于证明贪婪选择的正确性（即证明其具有贪心选择性质和最优子结构），并用霍夫曼编码和最小生成树算法（Prim/Kruskal）作为经典案例。回溯法部分，我们着重于剪枝策略的有效性。通过一个复杂的约束满足问题（如N皇后问题的变体），详细展示如何根据当前状态的局部约束，及时终止无效的搜索分支，显著提升效率。 第八章：高级搜索与图算法的实战应用 本章是图论应用的深化。我们详细解析了Dijkstra算法和A搜索算法的实现细节，特别强调了启发式函数的设计对A性能的决定性影响。在最短路径方面，我们对比了Bellman-Ford算法和Floyd-Warshall算法的适用场景，并讨论了SPFA算法（Shortest Path Faster Algorithm）在平均情况下的优势与最坏情况的风险。此外，我们还涵盖了拓扑排序在项目依赖管理和编译器指令调度中的关键作用。 第九章：计算复杂性与不可解性边界 为了理解算法的终极性能极限，本章探讨了P、NP、NP-完全等复杂度类。我们通过可归约性的概念，展示了如何将一个已知NP-完全问题（如旅行商问题TSP或子集和问题）转化为待解问题。理解这些边界，能帮助工程师避免在已知是指数级困难的问题上进行不切实际的优化，从而转向寻找近似解或启发式方法。 --- 第三部分：面向工程的优化与新趋势 本书的最后一部分将视角从纯理论转向高并发、大规模数据处理和现代硬件的约束。 第十章：并行化与并发设计 现代CPU拥有多核架构，算法的效率越来越依赖于并行执行的能力。本章介绍了并行归并排序和并行矩阵乘法的设计思路。我们探讨了任务分解的策略，以及在多线程环境中，如何使用锁、信号量、条件变量等并发原语来保证数据结构（如并发队列和线程安全的哈希表）的正确性。对于算法的并行化，我们重点分析了数据依赖性如何限制并行度的上限。 第十一章：内存层次与缓存感知算法 性能的瓶颈往往不在于CPU的计算速度，而在于数据在不同存储介质间的移动延迟。本章深入探讨了CPU缓存（L1/L2/L3）的工作原理和伪缓存线填充问题。我们展示了如何重写矩阵乘法以实现分块（Blocking/Tiling），从而提高缓存命中率。对于外部存储，我们讨论了磁盘I/O模型，并解释了为什么外部归并排序比内部排序需要更复杂的管理。 第十二章：数据流与在线处理算法 许多实际应用要求系统能够实时处理源源不断的数据流，而不能等待所有数据收集完毕。本章介绍了滑动窗口算法在实时统计中的应用，以及Bloom Filter（布隆过滤器）在空间受限场景下进行成员资格测试的权衡。我们还探讨了近似算法（如Count-Min Sketch）如何在牺牲极小精度的情况下，实现对大规模数据流中频率统计的快速估计。 --- 结语：持续学习的路径 本书旨在提供一个坚实的知识框架，其内容足以应对绝大多数软件工程中的核心挑战。真正的编程艺术在于选择正确的工具和方法论。我们鼓励读者将书中的原理与您日常使用的编程语言的底层实现相结合，不断探索和验证。算法与数据结构的世界广阔无垠，本书提供的只是攀登下一座高峰的起点。掌握了这些核心思想，您将能够更自信地设计出高性能、高可维护性的系统。

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