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出版者:Jones & Bartlett Pub

作者:Dale, Nell B.

出品人:

页数:211

译者:

出版时间:2003-1

价格:$ 20.28

装帧:Pap

isbn号码:9780763723699

丛书系列:

图书标签:

• C++
• 数据结构
• 算法
• 编程
• 计算机科学
• 数据存储
• STL
• 面向对象编程
• 代码实现
• 学习
• 教程

《深入理解现代C++：从底层原理到高效编程实践》 图书简介 在当今软件开发领域，C++ 仍然是构建高性能、高可靠性系统的中流砥柱。然而，随着 C++ 标准的不断演进，尤其是 C++11 之后的重大变革，掌握这门语言的精髓比以往任何时候都更加关键。本书《深入理解现代C++：从底层原理到高效编程实践》并非一本面向初学者的入门指南，也不侧重于讲解基本的数据结构实现，而是为那些已经熟悉 C++ 基础语法，渴望将自己的技能提升到专家级别的开发者量身定制的深度技术手册。 本书的核心目标是揭示现代 C++ 语言背后那些常常被忽视的、但对性能和代码质量至关重要的底层机制，并提供一套系统化的、基于新标准的编程范式。我们将完全避开对标准库中特定数据结构（如 `std::vector`、`std::map` 的具体实现细节或教科书式的数据结构算法讲解）的详述，而是聚焦于语言特性、内存模型、并发机制以及如何利用这些来编写极致优化的代码。 --- 第一部分：C++ 内存模型与底层优化 本部分是全书的基石，旨在彻底解构 C++ 的内存布局和编译优化行为，为后续的高级主题打下坚实的基础。 第一章：细致入微的内存布局与对齐 我们将深入探讨对象在内存中的确切布局。内容涵盖结构体和类的字节对齐规则（Structure Packing），理解填充（Padding）的产生原因及其对缓存效率的影响。我们将分析不同编译目标（32位与64位）下的指针大小差异，以及在特定硬件架构下，如何通过控制成员变量的顺序来最小化内存占用并最大化 L1/L2 缓存命中率。本章不涉及如何实现一个哈希表或二叉树，而是关注这些数据结构在内存中占据的物理空间如何影响程序的整体吞吐量。 第二章：值语义、引用语义与移动语义的深度剖析 现代 C++ 的核心在于其精妙的值语义体系。本章将超越 `std::move` 的基本用法，深入探究移动构造函数和移动赋值运算符的实现原理，特别是它们如何与资源管理（如 RAII）机制协同工作。我们将详细讨论纯右值（prvalue）、将亡值（xvalue）等 G-value 分类的细微差别，以及编译器在不同上下文（如函数返回、临时对象销毁）中进行隐式或显式的移动操作的决策过程。我们还会分析引用折叠规则（Reference Collapsing Rules），这是理解完美转发（Perfect Forwarding）的先决条件。 第三章：易失性（`volatile`）与内存屏障 本章专门处理与并发编程和硬件交互相关的内存可见性问题。我们将清晰地区分 C++ 标准内存模型（Memory Model）与 C 编译器中的 `volatile` 关键字之间的历史和现代差异。重点在于理解原子操作（Atomic Operations）如何提供同步保证，并探讨在无锁编程（Lock-Free Programming）的场景中，何时以及如何显式插入内存屏障（Memory Barriers/Fences）来确保跨核心的数据一致性，而不是简单地讨论线程的创建与同步。 --- 第二部分：编译期编程与模板元编程的边界探索 本部分将带领读者进入 C++ 最具表达力的领域：编译期计算和泛型编程的极限。 第四章：类型系统、Concepts 与元编程基础 我们将系统地梳理 C++ 类型系统的演变。重点放在 C++20 引入的 Concepts (概念) 上。本书将展示如何利用 Concepts 来约束模板参数，编写出更加清晰、错误信息友好的泛型代码，从而替代复杂的 SFINAE 技巧。我们不讲解如何设计特定的容器类模板，而是专注于如何利用模板特化（Template Specialization）、可变参数模板（Variadic Templates）以及类型萃取（Type Traits）来实现编译期类型检查和代码生成。 第五章：编译期计算与表达式模板 本章深入探讨如何利用模板的递归实例化机制执行复杂的编译期算法。我们将展示如何构建一个能够进行编译期数值计算的框架，例如在编译期计算斐波那契数列或进行简单的矩阵代数运算。讨论的重点是表达式模板（Expression Templates）的概念，这是一种允许我们将一系列操作（如向量相加和缩放）推迟到编译期进行优化，从而消除中间对象创建的代码优化技术。 --- 第三部分：现代 C++ 的并发与并行编程 本部分将聚焦于 C++ 标准库如何提供强大的工具来管理多线程环境下的复杂性。 第六章：现代并发模型与数据竞争 我们将彻底梳理 C++11/17/20 中引入的并发抽象层。内容包括 `std::thread` 的生命周期管理、异步操作 (`std::async`) 的执行策略，以及标准库提供的同步原语，如互斥量（Mutexes）、条件变量（Condition Variables）和未来（Futures）。本书的重点在于数据竞争（Data Races）的定义、未定义行为（Undefined Behavior, UB）的避免，以及如何使用 `std::atomic` 来实现高性能的无锁同步结构。 第七章：协程（Coroutines）的底层工作原理 C++20 引入的协程机制代表了异步编程的范式转变。本章将深入剖析协程的挂起（Suspend）和恢复（Resume）机制。我们将详细解析 `promise_type`、`coroutine_handle` 以及编译器如何将代码转换为状态机。读者将学会如何编写自定义的Awaitable对象，理解协程与传统回调（Callbacks）或 Futures 模型在栈管理上的根本区别，从而能够设计出更高效、更易维护的异步I/O或任务调度系统。 --- 第四部分：性能分析、工具链与代码质量 本书最后一部分关注于如何将理论知识转化为实际生产力，确保代码不仅正确，而且性能卓越。 第八章：编译器的优化与违背假设 了解编译器如何优化代码是编写高性能 C++ 的关键。本章将探讨优化级别（-O1, -O2, -O3, -Os）对代码生成的影响，包括内联（Inlining）、循环展开（Loop Unrolling）和函数提升。更重要的是，我们将探讨如何通过遵守严格的别名规则（Strict Aliasing Rules）、避免指针混用，以及何时应该明确告知编译器某些假设（如使用 `[[likely]]` 或 `[[unlikely]]` 属性）来帮助优化器生成最优机器码。 第九章：诊断、分析与调试高级技术 本章提供一套实用的工具和技术栈，用于定位生产环境中的性能瓶颈和内存错误。我们将讨论如何有效利用性能分析工具（如 perf, VTune），结合内存调试器（如 Valgrind）来识别未预期的缓存未命中、分支预测错误以及隐藏的内存泄漏。此外，还将介绍使用 AddressSanitizer (ASan) 和 ThreadSanitizer (TSan) 来自动化发现复杂错误的方法，这些工具能够捕获到传统调试器难以发现的深层错误。 --- 目标读者： 本书适合有至少三年 C++ 开发经验的软件工程师、系统程序员、游戏引擎开发者以及需要深入理解底层性能瓶颈的领域专家。读者应具备扎实的 C++ 基础，并对操作系统和计算机体系结构有基本的了解。 本书的承诺： 《深入理解现代C++》旨在提供教科书之外的知识深度，帮助读者超越“能用”的阶段，真正掌握现代 C++ 的设计哲学和底层控制能力，从而构建出下一代高性能、高可靠性的软件系统。本书不会浪费篇幅在基础语法复述或标准数据结构实现细节上，而是专注于驱动性能和抽象能力的那些核心语言特性。

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初次翻开这本《C++ Data Structures》，我内心是既期待又带着一丝谨慎的。市面上关于数据结构的入门书籍汗牛充栋，但真正能将理论与实践完美结合，同时又兼顾初学者友好度的，却凤毛麟角。这本书的封面设计简约而不失专业感，字体选择沉稳大气，初步印象是作者在内容组织上会力求清晰和逻辑性。当我深入阅读前几章时，立刻感受到了作者在基础概念阐述上的功力。例如，在讲解链表和数组的区别时，作者没有止步于简单的定义对比，而是通过一系列精心设计的对比图和生活化的类比，将内存分配的底层逻辑剖析得淋漓尽致。对于指针的操作，很多初学者望而却步，但这里的讲解却是层层递进，从最基础的地址引用到复杂的动态内存管理，每一步都配有详尽的代码示例和运行结果分析，甚至细致到了操作系统的视角下内存是如何被调度的。我尤其欣赏作者在引入抽象数据类型（ADT）时所采用的“自顶向下”的方法论，这使得读者能够先建立起对“功能”的认知，再深入探究“实现”，极大地降低了学习曲线的陡峭程度。总的来说，前几章给人的感觉是扎实、严谨，仿佛有一位经验丰富的老教授在身边耐心指导，为后续更复杂的图论和树结构的学习打下了坚实的基石。

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这本书的章节组织结构非常值得称赞，它并非简单地罗列各种数据结构，而是构建了一个循序渐进的知识体系。让我印象深刻的是它对算法效率分析的深度和广度。很多教材在讲解时间复杂度和空间复杂度时，往往只停留在 $O(n)$ 这种符号层面上，但《C++ Data Structures》则花了大量的篇幅去解释大O符号背后的数学原理，如何通过最坏情况、最好情况和平均情况分析来评估一个算法的健壮性。特别是当涉及到二叉搜索树（BST）的平衡化问题时，作者没有直接跳到红黑树或AVL树，而是先详细展示了病态树（Degenerate Tree）可能导致的性能灾难，这种“先制造问题，再解决问题”的叙事手法，极大地增强了读者对平衡树必要性的直观理解。在实现部分，作者严格遵循了现代 C++ 的标准，大量使用了模板（Templates）来保证数据结构的可重用性，这对于希望将所学应用到实际项目中的读者来说，无疑是巨大的加分项。代码块的排版清晰，注释到位，即使是复杂的递归算法，也能通过流程图和伪代码的对照阅读，变得豁然开朗。这种将理论深度、工程实践和教学艺术完美融合的编排，让人感觉这不是一本死板的教科书，而更像是一本高级程序员的私家笔记。

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坦白说，这本书在细节处理上的一些坚持，可能会让追求“极速入门”的读者感到略微吃力，但这恰恰是我认为它价值所在的原因。它在处理模板元编程（Template Metaprogramming）以实现通用容器时，所涉及的代码复杂度已经超出了普通初学者的舒适区。例如，在实现一个可调整大小的动态数组（类似于 `std::vector`）时，书中对构造函数、析构函数和拷贝/移动语义的讲解极其详尽，甚至深入到了浅拷贝和深拷贝的陷阱中，这要求读者必须对 C++ 的对象生命周期有非常透彻的理解。但正是这种对“边界情况”和“陷阱”的深入剖析，确保了读者最终构建出的数据结构是健壮且高性能的。这种严谨性使得这本书更像是一本“从入门到精通”的桥梁书，而不是一本速查手册。对于那些已经掌握了基础语法，渴望理解底层原理，并希望未来能参与到高性能库开发中的读者而言，这本书的深度是恰到好处的。它不仅教会了我如何实现一个栈，更让我明白了为什么这个栈的实现方式是最优的，以及在什么情况下需要修改它。

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阅读体验中，最让我感到惊喜的是它对“为什么”的探讨，而不是仅仅停留在“是什么”和“怎么做”。在处理堆结构（Heaps）时，书中不仅详细讲解了如何使用数组来实现一个最大堆或最小堆，更深入地探讨了优先队列在操作系统任务调度、Dijkstra 算法等实际场景中的应用案例。这些案例选取得非常巧妙，既贴近计算机科学的核心领域，又不会过于晦涩难懂。比如，在讲解哈希表（Hash Tables）时，作者并没有满足于线性探测和链式法，而是花了一整节来对比这些方法在处理高负载因子时的性能衰减曲线，并引入了诸如双重散列（Double Hashing）等更高级的冲突解决策略，这对于希望精进底层优化技术的读者来说，提供了宝贵的参考价值。我甚至发现，书中对某些历史上有过重要影响但现在已不常用的数据结构（例如 B-Tree 的早期变种）也有简要提及，这极大地丰富了我的知识广度和历史视野。整体来看，这本书的行文风格非常自信而富有洞察力，它假设读者具备一定的 C++ 基础，但绝不傲慢，总能在关键点上提供足够的上下文支撑，让人感觉每读完一个章节，自己的技术栈就拓宽了一圈。

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这本书在图论部分的讲解，可以说是全书的一个亮点，也达到了我个人对一本优秀数据结构书籍的最高期望。图算法通常是学习曲线的又一个高峰，因为其抽象层次更高，结构更为复杂。然而，作者成功地将图的表示方法——邻接矩阵与邻接表——的优劣势，置于具体算法（如 BFS 和 DFS）的执行效率对比之下，使得选择哪种表示法不再是凭感觉，而是基于性能分析的科学决策。特别值得一提的是，在讲解最小生成树（MST）时，对 Prim 算法和 Kruskal 算法的并列阐述，并辅以实际网络拓扑图的示例，清晰地展示了贪心策略在不同图结构下的应用效果。更令人称道的是，作者没有跳过对负权环处理的复杂性，详尽讲解了 Bellman-Ford 算法的迭代原理及其如何有效检测这些环。这种对复杂算法细节的毫不回避，反而让我更加信赖这本书的专业性。阅读这些章节时，我能感受到作者深厚的学术背景和丰富的教学经验，他不仅传授了知识，更传授了系统地解决复杂图论问题的思维框架。

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