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出版者:清华大学

作者:张莉 编

出品人:

页数:318

译者:

出版时间:2007-10

价格:26.00元

装帧:

isbn号码:9787302161332

丛书系列:

图书标签:

• 计算机基础
• 大学教材
• 实验教程
• 高等教育
• 计算机科学
• 信息技术
• 实践教学
• 编程入门
• 数据结构
• 算法基础

算法设计与实现：面向计算思维的实践指南 图书简介 本书旨在为读者提供一套全面且深入的算法设计与实现方法论，重点培养读者的计算思维能力和解决复杂问题的实践技能。它并非传统意义上侧重于特定编程语言语法或纯理论推导的教材，而是专注于算法的思想内核、结构设计以及在真实场景下的高效部署。 第一部分：计算思维的基石 本部分构建了理解和分析算法的基础框架。我们首先探讨什么是计算思维（Computational Thinking），强调其作为现代信息科学核心素养的地位，并将其分解为抽象、分解、模式识别和算法设计四个核心要素。 抽象的艺术： 介绍如何从现实世界的复杂问题中剥离出问题的本质特征，构建数学模型或逻辑模型。这包括数据抽象（如链表、树、图的结构抽象）和过程抽象（如面向对象设计中的封装与继承）。我们将通过经典案例，如交通网络优化中的节点与边抽象，来展示抽象过程的严谨性。 问题的分解与重构： 详细阐述分治策略（Divide and Conquer）和迭代细化方法。重点分析如何将一个看似庞大的问题分解为若干个可独立解决的子问题，并探究子问题间依赖关系的管理，避免冗余计算。 模式识别与归纳推理： 讨论如何在大量数据或不同问题实例中发现重复出现的结构或规律。这为后续选择合适的算法范式（如动态规划中的最优子结构识别）提供了理论支撑。 第二部分：核心算法范式与性能分析 本部分深入剖析几种主流的算法设计范式，并严格引入算法分析的定量工具。 搜索与排序的深化： 不仅限于基础的二分查找和冒泡排序，本书着重分析平均时间复杂度与最坏时间复杂度的差异，并引入基准测试方法。重点讨论了高级排序算法如堆排序（Heap Sort）的空间优化潜力，以及外部排序在处理海量数据时的挑战与解决方案。 贪心算法的局限与适用性： 通过一系列精心挑选的实例（如霍夫曼编码、最小生成树的Prim/Kruskal算法），清晰界定贪心选择性质和最优子结构的应用边界。尤其强调如何证明一个贪心解是全局最优的，这是贪心算法实践中最常被忽视的关键步骤。 动态规划的精妙构建： 动态规划（Dynamic Programming, DP）被视为算法设计中的“王冠”。本书将DP的讲解分为三个层次：识别重叠子问题、定义状态转移方程、以及空间优化（如使用滚动数组）。我们将详细解析背包问题（Knapsack Problem）的多种变体以及最长公共子序列（LCS）的实现细节，引导读者掌握自底向上（Bottom-Up）和自顶向下（Top-Down with Memoization）两种实现路径的权衡。 回溯法与分支限界： 针对组合爆炸问题，本书详细介绍了回溯法（Backtracking）的剪枝技巧。分支限界法（Branch and Bound）则被引入作为优化回溯的工具，通过设计有效的界限函数（Bounding Function），实现对搜索空间的有效裁剪。八皇后问题、N皇后问题及旅行商问题（TSP）的精确解法将作为核心案例。 第三部分：图论算法的结构化应用 图结构是建模现实世界复杂关系的核心工具。本部分将图算法视为解决连接性、路径和流问题的通用语言。 图的遍历与连通性： 深入比较广度优先搜索（BFS）和深度优先搜索（DFS）在不同场景下的适用性，如最短路径的初步探索和拓扑排序的实现。讨论强连通分量（SCC）的Tarjan算法和Kosaraju算法的原理与效率对比。 最短路径算法的深度解析： 详细讲解Dijkstra算法（单源最短路）的原理及其对权重非负的要求，并与Bellman-Ford算法（处理负权边）进行对比。对于处理多源最短路问题，Floyd-Warshall算法的矩阵乘法视角将被单独讨论。 最小生成树（MST）： 重点剖析Prim和Kruskal算法，从数据结构（如优先队列和并查集）的角度分析其性能瓶颈，特别是并查集在MST算法中的高效性。 网络流基础： 引入最大流-最小割定理，并以Ford-Fulkerson方法及其基于增广路径的实现（如Edmonds-Karp）作为入门。这为读者理解更高级的匹配和调度问题奠定基础。 第四部分：高级主题与算法工程化 本部分将视野扩展到当代计算科学的前沿领域，并关注算法在工程实践中的落地问题。 数据结构与算法的融合： 探讨如何利用特定数据结构来优化算法性能。例如，使用Trie树优化字符串匹配，使用B树/B+树在数据库索引中的应用，以及布隆过滤器（Bloom Filter）在空间受限环境下的近似查询。 概率性算法基础： 引入蒙特卡洛方法（Monte Carlo Methods）和拉斯维加斯算法（Las Vegas Algorithms）的概念。通过随机化算法（如快速排序的随机化选择主元）的例子，说明如何用概率保证换取确定性算法的性能提升。 计算复杂性导论： 简要介绍P、NP、NP-完全等复杂性类，帮助读者理解哪些问题可能不存在高效（多项式时间）的精确解法，从而引导他们转向启发式算法或近似算法。 算法的实现与调试： 强调算法实现中的常见陷阱，如整数溢出、递归深度限制、浮点数精度问题。同时，引入基于性能分析工具的实践环节，指导读者识别算法中的热点（Hotspot）并进行针对性的优化。 本书的特色在于强调“为什么”和“如何做”，而非仅仅“是什么”。它要求读者不仅要记住算法的步骤，更要理解其背后的数学逻辑和设计哲学，最终形成一套严谨、高效的计算思维体系，能够灵活应对各种算法挑战。

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这本《大学计算机基础实验教程》真是让我大开眼界，尤其是在讲解数据结构与算法的那一部分，作者似乎有着将复杂概念化繁为简的魔力。我记得之前看其他教材时，光是理解链表和树的结构就得花上好几天，各种指针的跳转和内存的分配总是让人一头雾水。然而，这本书通过一系列精心设计的实验案例，将这些抽象的概念具象化了。比如，在模拟哈希表冲突解决的实验中，我们不是简单地写几行代码就算完事，而是亲手观察数据在不同散列函数下的分布情况，以及线性探测和链式溢出的实际效果。这种“手把手”的教学方式，极大地增强了我的直观感受。更让我欣赏的是，实验步骤的引导非常细致，每一步都有明确的目标和预期结果，即便是初学者也能按图索骥，逐步构建起完整的知识体系。通过这些实践操作，我深刻体会到了算法效率的重要性，尤其是在处理大规模数据时，时间复杂度和空间复杂度的权衡不再是纸面上的公式，而是实际运行中感受到的性能差异。这本书真正做到了理论指导实践，实践反哺理论的良性循环。

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我必须承认，这本书在操作系统基础方面的章节设计，简直是一场对传统教学模式的颠覆。过去学习进程管理和内存分配，总觉得像是隔着一层厚厚的玻璃在看别人操作，抽象而遥远。但有了这本实验教程的引导，我们被要求去“触碰”这些底层机制。例如，书中关于分段存储和分页管理的实验，它没有仅仅停留在概念介绍，而是要求我们编写小程序来模拟地址翻译过程。我清楚地记得，当第一次成功地将一个逻辑地址映射到正确的物理地址时，那种成就感是无与伦比的。我们甚至可以手动设置页表，观察缺页中断是如何发生的，以及操作系统内核是如何处理这些“错误”并加载新页面的。这种沉浸式的学习体验，让我对操作系统的“黑盒子”内部结构有了前所未有的清晰认知。对比其他侧重于概念背诵的教材，这本书显然更注重培养读者的系统思维能力和动手解决实际问题的能力，真正让我理解了“计算机是如何工作的”这个核心命题。

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如果说计算机科学是一门严谨的学科，那么这本实验教程就像是授予我们一把精确丈量世界的尺子。我对其中关于程序设计与调试技巧的探讨印象深刻。它超越了简单的语法教学，而是着重于培养一种健壮的编程习惯。比如，在处理输入验证和异常捕获时，书中强调的“防御性编程”理念，要求我们在编写任何程序时，都必须预设所有可能的“坏输入”。通过几个涉及文件I/O和复杂流程控制的实验，我学会了如何有效地使用断点、观察变量状态、单步执行，以及如何阅读和解析编译器产生的警告信息，而不是一味地依赖`print`语句来调试。这种系统化的调试方法论，极大地缩短了我过去那种“盲目试错”式的开发周期。它教会我们，一个优秀的程序员不仅要能写出能跑的代码，更要能写出易于维护、不易出错的健壮代码。这本书的价值在于，它不仅教你“如何做”，更教你“如何思考”，这对于任何未来的技术工作者来说，都是最宝贵的财富。

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网络基础这部分内容，坦率地说，是我认为这本书的精华所在。在当前的数字化时代，网络知识的重要性不言而喻，但很多教材对TCP/IP协议栈的讲解往往是蜻蜓点水，或者过于侧重于协议规范的罗列。而这本书的处理方式则完全不同，它将网络想象成一个复杂的工厂流水线，然后让我们去搭建和调试这个流水线。通过一系列涉及Socket编程的实验，我们不仅学会了如何使用`send()`和`recv()`函数，更重要的是，我们被迫去理解三次握手和四次挥手的每一个数据包的意义。在实现一个简单的客户端/服务器通信时，我第一次真切地体会到了“阻塞”与“非阻塞”调用的区别，以及为什么需要多线程来处理并发连接。实验中提供的调试工具和日志分析环节也非常到位，当我的数据包丢失或超时时，书中的指引能迅速将我的注意力引向协议栈的哪个层次，是应用层的数据构造有问题，还是传输层的确认机制出了错。这种对网络通信全景的把握，远非单纯的理论学习所能企及。

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数据库管理系统的实验模块，让我对“数据持久化”有了全新的理解。在此之前，我对数据库的认知可能仅限于SQL查询语句的熟练运用，认为只要能写出正确的`SELECT * FROM table WHERE condition`就足够了。然而，这本书带我们深入到了关系代数和范式的层面，并通过实验展示了数据冗余和更新异常的实际危害。书中关于事务处理和并发控制的实验尤为精妙，我们被要求设计一个简单的银行转账场景，然后引入多个并发事务去操作同一个账户。起初，我的程序结果经常出现不一致，数据莫名其妙地“丢失”或“重复”。正是通过书中的指导，我开始理解隔离级别（如Read Committed, Serializable）在实际运行中的意义，并学会了如何利用锁机制来保证ACID特性。这种从“使用者”到“设计者”视角的转变，极大地提升了我对数据完整性和系统稳定性的重视程度。这本书没有放过任何一个容易被忽略的细节，对于希望精通数据库原理的人来说，这是不可多得的实践指南。

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