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出版者:人民邮电

作者:卢政宏

出品人:

页数:236

译者:

出版时间:2003-3

价格:32.00元

装帧:

isbn号码:9787900091741

丛书系列:

图书标签:

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编程语言与数据结构：C++ 进阶实践 图书简介 本书深入探讨现代软件开发中至关重要的 C++ 编程语言的高级特性、底层原理及其在复杂系统设计中的应用。它并非面向初学者的入门手册，而是为已经掌握 C++ 基础语法，并希望迈向精通级别，能够驾驭高性能、高可靠性软件构建的工程师量身定制的深度实践指南。全书以工程实践为核心驱动力，旨在将理论知识转化为解决实际工程难题的有效能力。 第一部分：C++ 现代特性与内存模型精修 本部分将对 C++17/20 标准引入的关键特性进行全面、深入的解析，并着重于理解其对程序性能和安全性的影响。 1. 模板元编程 (Template Metaprogramming, TMP) 的深度挖掘： 我们超越了简单的泛型编程，深入到类型特征（Type Traits）的定制与应用。详细介绍了如何利用 `constexpr if`、编译期反射（如果编译器支持，探讨其未来趋势与现有替代方案）以及变长参数模板（Variadic Templates）来构建高度优化的、零运行时开销的库组件。重点分析了如何使用 TMP 实现编译期校验、错误报告以及动态多态的替代方案——静态分发，包括 CRTP（Curiously Recurring Template Pattern）的实际应用场景及其限制。 2. 内存管理与并发的底层透视： 理解 RAII（Resource Acquisition Is Initialization）的真正含义不仅仅是使用智能指针。本书将详述 `std::unique_ptr`, `std::shared_ptr`, 和 `std::weak_ptr` 在不同场景下的性能权衡。我们深入剖析了内存分配器（Allocators）的工作原理，如何自定义分配器以适应特定硬件或缓存结构（例如，栈式分配器、池分配器）以消除内存碎片和提升局部性。 在并发控制方面，我们不再停留于 `std::mutex` 的基本使用。重点讲解了 C++ 内存模型（C++ Memory Model）的严格定义，特别是 `volatile` 关键字在现代多核环境中的误区与正确用法。深入探讨原子操作（Atomics）的底层实现机制，例如如何利用无锁（Lock-Free）数据结构（如基于 CAS 循环的栈和队列）来构建高性能的并发原语，并提供严格的验证方法（如使用 Hazard Pointers 或 RCU 模式的变体）来保证其正确性。 3. 表达式 SFINAE 与概念（Concepts）的演进： 详细分析了 SFINAE（Substitution Failure Is Not An Error）的工作原理，以及它是如何被用来进行复杂的重载解析和类型萃取的。随后，转向 C++20 引入的“Concepts”——现代 C++ 如何通过明确的约束语义来替代复杂的 SFINAE 表达式，从而极大地提升模板代码的可读性和编译时错误报告的质量。本书将提供将遗留 SFINAE 代码迁移到 Concepts 的实用策略。 第二部分：高性能计算与系统级编程实践 本部分关注 C++ 如何在资源受限或对延迟极其敏感的场景中发挥最大效能，特别是在系统编程和数值计算领域。 4. 异常安全与资源零开销抽象： 异常的抛出和捕获在性能敏感的代码路径中可能带来不可预测的开销。本书倡导“强异常安全保证”的设计哲学，并提供工具和模式（如`std::scope_guard` 的自定义实现）来确保资源释放的确定性。我们探讨了如何在不牺牲安全性的前提下，通过设计接口来最小化异常抛出的可能性，实现“零开销抽象”的目标。 5. 编译期优化与指令集利用： 深入探讨编译器优化器的行为（如 LTO, PGO），以及如何通过代码结构（数据布局、循环展开、函数内联控制）来“引导”优化器达到最佳效果。更进一步，本书介绍了如何安全地集成特定硬件的指令集扩展（如 SSE, AVX），包括使用内联汇编（Inline Assembly）的边界和替代方案（如编译器内置函数 Intrinsics），确保代码的可移植性与性能的平衡。 6. 现代数据结构与缓存友好性： 软件性能瓶颈往往在于内存访问延迟而非 CPU 运算速度。本章聚焦于如何设计和实现“缓存友好”的数据结构。分析 L1/L2/L3 缓存的工作机制，以及如何通过结构体对齐、消除假共享（False Sharing）和优化数据访问模式（例如，使用基于数组的结构（AoS）到结构体数组（SoA）的转换）来最大化缓存命中率。探讨 B 树、跳表等复杂数据结构的变体如何在实际应用中进行修改以适应特定工作负载的内存访问特性。 第三部分：软件架构与工程化挑战 本部分将视角从单个函数提升到整个软件系统的设计与维护层面。 7. 动态加载与插件化架构： 在需要热更新或功能模块化的大型应用中，动态链接库（DLL/SO）的管理至关重要。本书详细讲解了在不同操作系统下实现安全、版本兼容的插件加载和卸载机制。重点讨论如何解决符号冲突、依赖管理以及在运行时安全地进行版本升级，确保主程序在加载或卸载插件时不会破坏其核心状态。 8. 测试、调试与代码度量： 强调超越单元测试的工程实践。深入探讨如何构建集成测试框架，以及使用模糊测试（Fuzz Testing）来发现边界条件错误。在调试方面，讲解如何利用底层工具（如 Valgrind, AddressSanitizer, UndefinedBehaviorSanitizer）来检测未定义行为、内存泄漏和数据竞争，这些是 C++ 中最隐蔽的错误来源。最后，讨论如何定义和跟踪关键的性能度量指标，并将其集成到持续集成流程中。 9. 互操作性与外部接口： 在现代混合系统中，C++ 代码需要与 C、Python 或其他语言进行高效通信。本书提供了实现稳定 C 接口（ABI 兼容性保证）的详细步骤，以及使用绑定生成器（如 pybind11）进行高级对象和异常安全传递的最佳实践。讨论了如何设计清晰的边界层（Boundary Layer）以隔离语言特性，保证系统的模块化和可维护性。 本书的每一章都伴随着大量经过实战检验的代码示例和性能分析报告，旨在帮助读者构建出既快速、又健壮，且易于维护的下一代 C++ 应用。

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