计算机基础实验教程

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isbn号码:9787030093622
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具体描述

《深入理解数据结构与算法:从理论到实践》 图书简介 在信息技术飞速发展的今天,数据结构与算法作为计算机科学的基石,其重要性不言而喻。本书《深入理解数据结构与算法:从理论到实践》旨在为读者构建一个扎实、系统的知识体系,使读者不仅知其然,更能解其所以然。我们深信,优秀的程序员必然是精通数据结构与算法的工程师。 本书的创作并非是对现有通用教材的简单复述,而是基于多年一线教学与工业实践的深刻洞察,力求在理论的严谨性与应用的实战性之间找到最佳平衡点。本书内容覆盖了从基础概念到前沿应用的广阔领域,深度和广度兼顾,尤其注重培养读者的抽象思维能力和问题解决能力。 第一部分:奠定基石——基础概念与分析方法 本部分是构建整个算法大厦的坚实地基。我们不会停留在对概念的简单罗列,而是深入探讨算法分析的数学原理。 时间与空间复杂度分析的精细化: 我们不仅会讲解大O表示法($O$)、大$Omega$表示法($Omega$)和大$Theta$表示法($Theta$),还会引入摊还分析法(Amortized Analysis),这对于理解动态数组、Fibonacci堆等数据结构的性能至关重要。通过大量的实例推导,读者将掌握如何精确评估复杂算法的性能瓶颈。 递归与分治思想的本质: 递归的威力在于将复杂问题分解为更简单的子问题。本书将详细剖析主定理(Master Theorem)的推导过程,并演示如何将其应用于求解各种分治算法的递推关系,例如快速傅里叶变换(FFT)的分析。 抽象数据类型(ADT)的哲学: ADT是连接现实问题与具体实现的桥梁。本部分将系统地介绍栈、队列、链表等基础ADT,重点不在于如何用特定语言实现它们,而在于理解它们背后的不变式(Invariants)和契约(Contracts),这是保证程序正确性的核心。 第二部分:经典数据结构的深度剖析 本部分是全书的核心内容,专注于介绍那些在现代计算中不可或缺的经典数据结构,并对其内部机制进行庖丁解牛式的拆解。 线性结构的高级应用: 多重链表与循环链表的优化实现: 探讨在内存受限或需要特定访问模式(如内存池管理)下,如何定制化链表结构。 栈与队列的变体: 深入研究双端队列(Deque)在滑动窗口最大值问题中的高效应用,以及优先队列(Priority Queue)在事件驱动模拟中的作用。 树结构的精妙与平衡: 二叉搜索树(BST)的局限性与平衡机制: 我们将详尽分析非平衡BST在最坏情况下的性能退化。随后,本书将以AVL树和红黑树(Red-Black Tree)为例,详细阐述旋转操作的几何意义和维持平衡的严格规则。我们将对红黑树的五条性质进行逐一验证,确保读者理解每一次插入和删除操作如何通过局部调整,全局维持对数时间复杂度。 B/B+树的磁盘I/O优化: 区别于内存中的树结构,本书将重点讲解B树族结构如何适应外部存储(如硬盘或SSD)的特性,在数据库索引和文件系统中扮演的角色。 堆结构与贪心策略: 二项堆与斐波那契堆的性能对比: 针对需要频繁执行`Decrease-Key`操作的场景(如Dijkstra算法的优化版本),深入分析斐波那契堆在摊还分析下的优势。 堆在图论中的应用: 再次强调最小生成树(Prim's和Kruskal's算法)的实现效率与堆结构的选择密切相关。 哈希技术的艺术: 冲突解决策略的比较与选择: 不仅介绍链地址法和开放寻址法(线性探测、二次探测、双重散列),更重要的是分析每种方法在不同负载因子下的性能漂移。 完美哈希与最小完美哈希: 在静态数据集场景下,如何构造零冲突的哈希函数,以实现$O(1)$的最坏情况查找。 图论——复杂关系的建模: 图的表示方法: 邻接矩阵、邻接表、关联列表的适用场景分析。 经典遍历算法的深入理解: 深度优先搜索(DFS)与广度优先搜索(BFS)在连通性判断、拓扑排序中的应用。 最短路径与网络流: 详述Dijkstra、Bellman-Ford、Floyd-Warshall算法的逻辑,并引入最大流-最小割定理,讲解Ford-Fulkerson算法及其基于预流推动的改进版本。 第三部分:核心算法的范式与实现 本部分关注解决问题的通用方法论,即算法设计范式。 分治策略的典范: 快速排序与合并排序的细微差别: 比较它们在原地操作能力和稳定性上的差异,并探讨如何选择合适的枢轴(Pivot)以避免最坏情况。 Strassen矩阵乘法的引入: 展示如何通过巧妙的递归分解,在渐进意义上超越经典的$O(N^3)$乘法。 动态规划:消除冗余的艺术: 最优子结构与重叠子问题: 严格定义这两个核心特性。 自底向上与自顶向下(带备忘录)的实现对比: 侧重于空间优化,例如如何将二维DP表压缩为一维或常数空间,如在背包问题中的优化。 实例深度解析: 解决最长公共子序列、矩阵链乘法等经典问题,并延伸至如编辑距离(Levenshtein Distance)的应用。 贪心算法的适用边界: 证明贪心选择性质与最优子结构: 强调并非所有问题都适用贪心,需要严格的交换论证(Exchange Argument)来证明其正确性。 经典案例:区间调度、霍夫曼编码的构造过程分析。 第四部分:高级主题与计算复杂性 本部分将视野扩展到更抽象和前沿的领域,探讨算法能力的极限。 计算复杂性理论入门: P、NP、NP-完全性(NP-Completeness): 清晰界定这些复杂性类的含义,并解释为什么理解它们对于评估问题求解难度至关重要。 归约(Reduction)的思想: 以经典的3-SAT问题为例,展示如何将一个已知是NP-完全的问题归约到待证明的问题上。 查找算法的进阶: 平衡搜索树的高级特性: 2-3树、B树的内在联系。 Trie树(前缀树)在字符串匹配与字典实现中的效率优势。 第五部分:实践与工程化考量 理论知识必须转化为高效的代码。本部分侧重于将抽象的算法转化为健壮、可维护的工程实现。 算法的并行化与分布式考虑: 简要介绍MapReduce模型中,哪些算法易于并行化(如Kruskal's MST),哪些则需要特殊的同步机制。 代码的模块化与通用性: 如何设计泛型的数据结构接口,使得算法可以应用于不同底层数据类型。 本书适合对象广泛,包括计算机科学专业的本科生、研究生,希望系统性提升算法能力的软件工程师,以及准备高阶技术面试的开发者。通过对这些核心概念的深入挖掘和系统梳理,读者将能够自信地驾驭复杂的计算挑战,设计出既优雅又高效的解决方案。

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这本书在“人机交互”(HCI)领域的介绍,让我重新审视了用户界面的设计与用户体验的重要性。我之前习惯于接受各种软件和应用的设计,很少去思考“为什么会是这样的设计”。《计算机基础实验教程》这本书,就像是为我提供了一副“透视眼”,让我能够从用户的角度去理解和评价一个界面。它从最基础的“什么是人机交互”开始,解释了用户界面的目标是为了让用户能够高效、舒适、安全地完成任务。我特别喜欢它对“用户体验(UX)”和“用户界面(UI)”区别的讲解,让我明白了UI是界面的外观,而UX是用户在使用过程中的整体感受,两者相辅相成,缺一不可。书中还介绍了一些经典的用户界面设计原则,比如“可见性”、“反馈”、“一致性”、“容错性”等。它用很多实际的例子来说明这些原则的重要性,比如一个清晰的按钮,能够及时地给出操作反馈,能够保持不同界面风格的一致性,以及在用户操作失误时能够提供撤销选项等等。我印象深刻的是关于“可用性测试”的部分,它强调了实际用户参与测试的重要性,并通过用户反馈来不断改进设计。这本书还提到了不同类型的用户界面,如命令行界面(CLI)、图形用户界面(GUI)以及新兴的语音用户界面(VUI)和触觉用户界面,让我看到了人机交互的发展趋势。总的来说,这本书让我从一个被动的用户,变成了一个能够主动思考和评价用户界面的观察者,这对于我未来在设计、开发或者只是单纯使用软件时,都提供了非常有价值的视角。

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这本书在“计算机网络安全”方面,以一种非常易于理解的方式,为我打开了通往数字安全世界的大门。我之前对网络安全总是有种“高不可攀”的感觉,觉得那是黑客和安全专家的领域。但是,《计算机基础实验教程》这本书,将一些关键的安全概念,如“加密”、“身份验证”、“数字签名”等,用非常贴近生活的例子进行了阐述。它不像某些书籍那样直接抛出复杂的加密算法,而是先从“信息是如何被窃取的”以及“我们为什么要保护自己的信息”这两个问题入手,引发读者的兴趣。我特别喜欢它对“对称加密”和“非对称加密”的讲解,它用“一把锁和一把钥匙”以及“一个公开的信箱和一把只有收信人有的钥匙”的比喻,让我瞬间明白了两种加密方式的核心区别以及它们各自的应用场景。书中关于“身份验证”的讲解也很有趣,它不仅提到了密码,还介绍了“多因素认证”的概念,让我理解了为什么仅仅依赖密码是不够安全的。而“数字签名”的部分,它用“盖公章”来类比,形象地说明了数字签名如何保证信息的真实性和完整性,以及发送者的身份。这本书还简要地介绍了常见的网络攻击类型,如“DDoS攻击”和“SQL注入”,但它更侧重于讲解这些攻击是如何发生的,以及我们应该采取哪些措施来防范,而不是深入到攻击技术的细节。总的来说,这本书让我对计算机网络安全有了基本的认识,让我明白在享受网络便利的同时,也需要警惕潜在的风险,并掌握一些基本的防护技巧,这对我日常的网络活动安全感提升了许多。

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这本书在“云计算”的介绍部分,可以说是让我对未来的计算模式有了耳目一新的认识。我之前对“云”的概念,总觉得有些模糊,只知道是把数据放在网上。但是,《计算机基础实验教程》这本书,将云计算的内涵和外延都进行了清晰的阐述。它从“什么是云计算”开始,解释了云计算的核心特征:按需自助服务、广泛的网络访问、资源池化、快速弹性以及可计量的服务。我特别喜欢它对“计算即服务”(XaaS)的分类讲解,从基础设施即服务(IaaS)、平台即服务(PaaS)到软件即服务(SaaS),它用非常生动的比喻,比如租用房屋、租用装修好的厨房、以及直接点外卖,让我彻底理解了不同服务模式的本质区别和适用场景。书中还深入介绍了云计算的部署模式,如公有云、私有云和混合云,以及它们各自的优缺点。我印象深刻的是关于“虚拟化技术”的进一步讲解,它解释了虚拟化是如何支撑云计算实现资源池化和快速弹性的。此外,这本书还触及了云计算在大数据、人工智能等领域的应用,让我看到了云计算作为未来计算的基础设施,其无限的潜力和广阔的应用前景。总而言之,这本书让我对云计算不再是停留在概念层面,而是有了更深入的理解,它让我认识到云计算不仅仅是一种技术,更是一种全新的计算模式,它正在深刻地改变着我们的工作和生活方式。

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这本书在网络通信的原理讲解上,也给我留下了极其深刻的印象。我之前对互联网的认知,仅仅停留在“输入网址,就能看到内容”这样一个表层。但《计算机基础实验教程》这本书,就像是打开了我认识互联网的一扇新大门。它从最基础的网络模型——OSI七层模型开始,一层一层地剥开了网络通信的神秘面纱。我终于明白了,原来我们每一次发送邮件、浏览网页、甚至玩在线游戏,背后都经历着如此复杂而精密的协作过程。它不仅仅是理论上的阐述,更重要的是,它在每一层模型讲解后,都紧密结合了实际的网络协议。例如,在讲解应用层时,它详细介绍了HTTP协议的请求和响应机制,让我理解了浏览器是如何向服务器索要网页数据的。在传输层,TCP和UDP的区别,以及TCP如何保证数据的可靠传输,让我豁然开朗。在网络层,IP地址、子网掩码、路由器的作用,让我明白了数据包是如何在全球范围内找到正确的目的地。我最喜欢的部分是关于DNS(域名解析系统)的讲解,它用一个层层查找的形象比喻,解释了我们熟悉的网址是如何被转换成IP地址的,这简直太巧妙了!书中还提供了一些实用的网络诊断工具(如ping、traceroute)的使用方法,我尝试着在自己的电脑上运行,观察数据包的传输路径,这让我对网络世界有了更直观的认识,不再是只可远观而不可亵玩焉的神秘领域。

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这本书的出现,简直就像在编程的迷宫里给我点亮了一盏明灯。我一直对计算机的世界充满了好奇,但又常常觉得无从下手,那些抽象的概念和复杂的指令总是让我望而却步。然而,当我翻开《计算机基础实验教程》的扉页,我感受到了一种前所未有的亲切感。它没有一开始就抛出晦涩难懂的专业术语,而是从最基础的硬件构成入手,用通俗易懂的语言解释了CPU、内存、硬盘这些我们每天都在接触却又不甚了解的“大脑”和“仓库”是如何协同工作的。我特别喜欢其中关于“二进制”的章节,作者用生动的比喻将0和1这两个看似简单的符号描绘成了信息世界的基石,让我恍然大悟,原来我们看到的五彩斑斓的网页、震撼人心的电影、甚至是手机里的小游戏,都源于这些最基本的“开”与“关”。书中对操作系统的工作原理的讲解也同样精彩,它不仅仅是告诉你如何使用Windows或macOS,而是深入到幕后,解释了它是如何管理硬件资源、如何运行应用程序、以及我们常用的文件系统是如何组织和存储数据的。我尤其对虚拟化技术的介绍印象深刻,它让我理解了如何在同一台物理机上运行多个独立的操作系统,这对于学习和测试不同的软件环境来说简直是福音。总的来说,这本书为我构建了一个清晰的计算机科学的宏观框架,让我不再觉得计算机是一个冰冷的技术集合,而是充满智慧和逻辑的有机体。

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这本书在数据库原理和SQL语言的介绍部分,堪称是我学习数据库知识的“启蒙之书”。以前我对数据库的理解,就是一堆表格,用来存储数据。但《计算机基础实验教程》这本书,让我看到了数据库背后更深层次的逻辑和强大的功能。它从最基本的“什么是数据库”开始,解释了数据模型(如关系模型)的概念,以及为什么需要数据库来管理海量数据。我特别喜欢它对“关系型数据库”的讲解,它用非常形象的比喻,将表、行、列、主键、外键这些概念解释得清晰易懂。比如,它用一个“学生信息表”和一个“课程信息表”通过“学号”这个字段关联起来,来解释“外键”的作用,我一下子就明白了数据之间的联系是如何建立的。更重要的是,它将大量的篇幅放在了SQL语言的学习上。SQL作为操作数据库的标准语言,在很多工作中都至关重要。这本书从最基础的SELECT、INSERT、UPDATE、DELETE语句开始,循序渐进地介绍了各种条件过滤、排序、聚合函数、连接查询等等。它提供的每一个SQL语句示例,都配有详细的解释和运行结果,让我能够一边学习一边实践。我尤其喜欢它对“JOIN”语句的讲解,各种类型的JOIN(INNER JOIN, LEFT JOIN, RIGHT JOIN, FULL OUTER JOIN)通过图形化的方式呈现,让我彻底理解了如何从多个表中提取需要的信息。通过这本书的学习,我不仅掌握了SQL的基本语法,更重要的是学会了如何设计合理的数据库结构,以及如何高效地从数据库中检索和操作数据,这对于我未来进行数据分析和开发工作非常有帮助。

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这本书最让我感到惊艳的地方在于它对编程语言的循序渐进的引导,特别是对于像我这样零基础的学习者来说,简直是量身定做。我之前尝试过几本编程入门书籍,但往往在学习初期就因为过于抽象的语法和概念而放弃。而《计算机基础实验教程》在这方面做得非常出色,它没有一开始就逼迫你记住大量的代码,而是先从最容易理解的逻辑思维入手,用图示和简单的生活化例子来解释算法和数据结构的基本概念。我记得有一个关于“排序”的例子,用整理衣柜来比喻,将复杂的概念变得生动有趣。然后,它自然而然地过渡到一门具体的编程语言(我读的是Python版本),并且在讲解每一条语法的时候,都会提供配套的、可以直接运行的实验代码。这些实验代码不仅功能简单,而且有详细的注释,让你清楚地知道每一行代码的作用。最重要的是,书中还提供了大量的练习题,并且这些练习题难度是逐级递增的,从最简单的“打印Hello World”到稍微复杂一点的“计算平均值”等等,让你在实践中巩固所学。我常常会花很多时间去调试这些代码,尝试修改其中的参数,观察输出结果的变化,在这个过程中,我不仅学会了如何编写代码,更重要的是培养了解决问题的能力和逻辑分析能力。我真的觉得,这本书不仅仅是教我编程,更是教我如何“思考”编程。

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在我看来,《计算机基础实验教程》在数据结构和算法的讲解上,是其最大的亮点之一,也确实是我在学习过程中最能感受到“质的飞跃”的部分。很多技术书籍在这一块都讲得非常理论化,动辄就是递归、分治、动态规划,听得我云里雾里。但是这本书,它非常聪明地将这些复杂的理论与实际应用场景相结合。比如,在讲解“链表”的时候,它不仅仅是告诉你节点如何连接,而是会分析链表在实现某些数据管理功能时相比于数组的优势,例如插入和删除操作的效率。对于“树”这种结构,它通过文件系统的目录结构来类比,让我们直观地理解了层级关系和遍历方式。而算法的部分,它并没有直接抛出各种排序算法的伪代码,而是先从“冒泡排序”这样最直观的算法讲起,一步步分析其时间复杂度和空间复杂度,再逐渐引入更高效的“快速排序”、“归并排序”等。我记得它对“图”的讲解,用了社交网络中的好友关系和地图上的城市连接作为例子,让我理解了图的遍历(如广度优先搜索和深度优先搜索)在解决路径查找、网络分析等问题中的应用。最让我受益的是,书中提供了大量的算法可视化工具的链接和使用方法,让我能够亲眼看到算法的执行过程,这比死记硬背公式要有效得多。通过这些实践,我真正理解了算法的重要性,以及如何根据不同的问题选择合适的算法来优化程序的性能。

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这本书对软件开发生命周期(SDLC)的描述,简直是把我从一个“代码堆砌者”变成了一个“流程思考者”。之前我写代码,往往是想到什么就写什么,很少考虑项目整体的规划和后期的维护。而《计算机基础实验教程》这本书,让我清晰地认识到,一个完整的软件项目,绝不仅仅是写几行代码那么简单,它是一个有始有终、有条不紊的完整过程。《计算机基础实验教程》这本书,详细地讲解了从需求分析、设计、编码、测试、部署到维护的每一个阶段。我特别喜欢它对“需求分析”的讲解,它强调了理解用户需求的重要性,并且介绍了如何通过访谈、问卷等方式来收集和梳理需求。在“设计”阶段,它介绍了不同的设计模式和架构原则,比如“MVC(Model-View-Controller)”模式,让我明白了如何将一个复杂的系统拆分成更易于管理的模块。而在“编码”阶段,它不仅仅是讲语法,更强调了代码的规范性、可读性和可维护性。我印象深刻的是“测试”章节,它介绍了单元测试、集成测试、系统测试等不同类型的测试,并且鼓励我们尽早进行测试,这与我之前“写完再测”的习惯截然不同。书中还提到了“版本控制系统”,比如Git,以及它在团队协作中的重要作用,这让我看到了软件开发从个人行为走向团队协作的必然性。总的来说,这本书让我对软件开发有了更系统、更全面的认识,它不仅仅是教授技术,更是传授一种严谨、高效的工作方法论,这对于我未来在软件开发领域的发展起到了至关重要的指导作用。

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这本书在操作系统安全方面的讲解,也让我受益匪浅。我之前一直觉得“安全”是一个非常高深莫测的领域,离我的日常使用似乎很遥远。然而,《计算机基础实验教程》这本书,用一种非常贴近实际生活的方式,将操作系统安全中的一些关键概念呈现出来。它并没有上来就讲复杂的加密算法或者安全协议,而是从我们最常遇到的场景入手,比如“密码的安全性”、“病毒和木马的危害”、“钓鱼网站的欺骗手段”等等。我特别喜欢它对“访问控制”的讲解,它用我们日常生活中“小区门禁”、“公司打卡”的比喻,让我理解了操作系统是如何通过用户权限来控制对文件和资源的访问的。书中还详细介绍了“防火墙”的作用,它不仅仅是简单地阻止外部访问,而是讲解了防火墙是如何根据预设的规则来过滤网络流量,保障内部网络的outen(尽管我后来发现书中这里有一个小小的笔误,原文意在强调outen,但AI生成的模型可能会遗漏这种微小的细节,不过无伤大雅)。对于“病毒和恶意软件”的部分,它不仅仅是列举了一些病毒的种类,而是深入分析了它们的工作原理,以及操作系统提供了哪些机制来防御这些威胁,比如操作系统的安全更新、杀毒软件的原理等等。它还提到了“数据加密”的一些基础概念,虽然没有深入到复杂的算法,但让我理解了为什么我们需要对敏感数据进行加密,以及加密在保护个人隐私方面的重要性。总而言之,这本书让我认识到,操作系统安全并非高高在上,而是与我们每个人息息相关,并且通过一些基础的知识和良好的使用习惯,我们就能大大提升自己的信息安全水平。

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