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页数:256

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出版时间:2008-6

价格:24.00元

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isbn号码:9787113087746

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• 计算机基础
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• 高等教育
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• 数据结构
• 算法基础

计算机科学核心概念与实践：算法、数据结构与系统设计 本书聚焦于计算思维的培养与现代软件开发的基础构建，旨在为初学者提供一个扎实且深入的理论与实践相结合的入门路径。本书内容涵盖了计算机科学领域最核心的几个支柱，引导读者理解数字世界运行的底层逻辑，并掌握构建高效、可靠系统的基础工具。 --- 第一部分：计算的基石——算法与数据结构 本部分是理解所有高级计算概念的理论基础，重点在于如何高效地组织和处理信息。 第一章：算法分析与设计范式 本章从计算的本质——算法出发，探讨如何量化评估一个算法的优劣。 1.1 算法的定义与特性： 明确算法作为有限、清晰指令集的角色，以及其正确性、确定性、可行性等关键属性。 1.2 渐进分析（Asymptotic Analysis）： 详细介绍大O表示法（$O$）、$Omega$（Omega）和$Theta$（Theta）符号，用于描述算法在输入规模增长时的性能边界。重点分析最好、最坏和平均情况下的时间复杂度与空间复杂度。 1.3 常见性能度量： 探讨运行时间与内存消耗的实际测量方法，以及如何通过实验验证理论分析。 1.4 设计范式概述： 介绍分治法（Divide and Conquer）、动态规划（Dynamic Programming）、贪心算法（Greedy Algorithms）等核心设计思想的初步概念，为后续章节的深入学习打下基础。 第二章：基础数据结构与实现 本章深入讲解用于组织数据的基本结构，及其在实际问题中的应用。 2.1 线性结构深度解析： 数组（Arrays）与动态数组： 深入讨论内存布局、索引访问的效率，以及动态数组（如可增长列表）的底层实现机制（例如，何时触发复制和内存重分配）。 链表（Linked Lists）： 详细对比单向链表、双向链表和循环链表的操作（插入、删除、遍历）的时间复杂度，并探讨它们在需要频繁修改顺序场景中的优势。 栈（Stacks）与队列（Queues）： 基于数组和链表两种方式实现后进先出（LIFO）和先进先出（FIFO）结构，并分析其在函数调用栈管理和广度优先搜索中的应用。 2.2 树形结构（Trees）： 基础二叉树（Binary Trees）： 介绍树的术语（根、叶子、深度、高度），以及前序、中序、后序遍历的算法实现与区别。 二叉搜索树（BST）： 阐述BST的特性（左子节点小于根，右子节点大于根），并分析其最坏情况下的性能退化问题。 平衡树引言： 引入AVL树和红黑树的概念，解释它们如何通过旋转操作维持对数时间复杂度的查找、插入和删除效率。 2.3 堆（Heaps）与优先队列（Priority Queues）： 最大堆与最小堆的构建： 讲解堆的数组表示法，以及Sift-up和Sift-down操作。 堆排序（Heap Sort）： 完整实现基于堆的排序算法，并分析其稳定性和效率。 优先队列的应用： 探讨优先队列在调度算法中的关键作用。 2.4 散列表（Hash Tables）： 哈希函数的设计原则： 探讨如何设计良好的哈希函数以确保均匀分布。 冲突解决策略： 详细分析链式法（Separate Chaining）和开放寻址法（Open Addressing，包括线性探测、二次探测和双重哈希）的优缺点和实现细节。 负载因子与性能： 讨论负载因子对散列表性能的影响及动态调整（Rehashing）的必要性。 2.5 图结构（Graphs）： 表示法： 深入对比邻接矩阵（Adjacency Matrix）和邻接表（Adjacency List）在空间占用和特定操作效率上的差异。 图的遍历： 详细实现和对比广度优先搜索（BFS）和深度优先搜索（DFS）算法，并分析其在不同场景下的适用性。 第三章：核心排序与搜索算法精讲 本章聚焦于应用最广泛的几类算法，进行深度的剖析与比较。 3.1 简单排序算法的局限性： 重新审视冒泡排序、选择排序和插入排序，理解它们在$O(N^2)$复杂度下的实际应用场景（如小规模数据集或已基本有序的数据）。 3.2 高效排序算法的实现： 归并排序（Merge Sort）： 完整实现分治策略，分析其稳定性和始终保持$O(N log N)$复杂度的优势。 快速排序（Quick Sort）： 深入讨论主元（Pivot）的选择策略（如随机选择、中位数选择）对性能的影响，并对比其平均$O(N log N)$与最坏$O(N^2)$情况。 3.3 搜索算法优化： 二分查找（Binary Search）： 在有序数组上的高效应用，并讨论其在数组边界条件处理上的细节。 广度优先搜索（BFS）与最短路径： 在无权图中应用BFS寻找最短路径。 深度优先搜索（DFS）与拓扑排序： 在有向无环图（DAG）中应用DFS实现拓扑排序，用于任务调度和依赖关系解析。 --- 第二部分：系统级思维与底层机制 本部分将视角从纯粹的逻辑算法提升到对计算机系统如何执行这些算法的理解。 第四章：内存管理与程序执行模型 理解程序是如何被加载、执行和管理内存的，是优化性能的关键。 4.1 计算机体系结构基础回顾： 简要回顾CPU、寄存器、缓存（Cache）层级结构（L1, L2, L3）与主存（RAM）之间的速度差异，强调“局部性原理”。 4.2 内存层次与性能影响： 解释数据局部性（时间局部性和空间局部性）如何指导我们优化数据访问模式，以最大化缓存命中率。 4.3 虚拟内存与分页机制： 介绍操作系统如何提供虚拟地址空间，以及内存分页（Paging）和缺页中断（Page Fault）的基本概念，理解程序为何能使用大于物理内存的地址空间。 4.4 栈与堆（Stack vs. Heap）： 详细区分运行时内存的栈区（用于局部变量和函数调用）和堆区（用于动态内存分配），并讨论内存碎片化问题。 第五章：编译、链接与加载过程 探究源代码如何转化为可执行机器码并运行于硬件之上。 5.1 编译器的角色： 概述预处理、编译（生成汇编）、汇编（生成目标代码）和链接（解决外部引用）的阶段划分。 5.2 目标文件格式（如ELF/PE概述）： 了解可重定位代码段、数据段和符号表的结构，解释链接器如何解析函数调用。 5.3 动态链接与共享库： 讨论动态链接（DLL/SO）如何节省内存和磁盘空间，以及运行时库加载的过程。 5.4 机器指令与汇编语言基础： 介绍基本的指令集架构（如RISC/CISC的简化概念），理解高级语言语句在底层是如何被映射为一系列机器操作码的，为理解底层性能瓶颈提供基础视角。 第六章：并发性与并行性入门 本章引入现代多核处理器环境下的编程挑战与解决方案。 6.1 进程与线程的区别： 明确进程（拥有独立地址空间）和线程（共享地址空间，更轻量）的定义和上下文切换的开销对比。 6.2 并发访问的挑战——竞态条件： 通过实例说明多个线程同时访问共享资源导致的不可预测结果（Race Conditions）。 6.3 互斥访问控制（Mutual Exclusion）： 介绍同步原语，如互斥锁（Mutexes）和信号量（Semaphores），用于保护临界区（Critical Sections）。 6.4 死锁（Deadlock）的预防与检测： 分析发生死锁的四个必要条件（互斥、占有并等待、不可抢占、循环等待），并探讨避免和解除死锁的基本策略。 --- 总结与展望 本书的知识体系旨在构建从抽象算法思维到具体系统执行机制的完整链路。掌握数据结构和算法，是高效解决问题的核心能力；理解内存管理和并发机制，则是编写健壮、高性能软件的必要前提。本书为读者提供了坚实的计算科学理论基础，为后续深入学习操作系统、编译器设计或高级软件工程打下了不可或缺的基石。

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我是一名刚刚接触编程的文科生，面对那些复杂的概念和抽象的逻辑，常常感到力不从心。然而，这本教材的叙述方式却出乎意料地平易近人。它没有一上来就抛出晦涩难懂的专业术语，而是从我们日常生活中常见的例子入手，循序渐进地引导我们理解计算机的基本原理。比如，讲解变量和数据类型时，作者巧妙地将其比喻为不同规格的容器，这种生动的类比，让我瞬间就抓住了核心概念。章节之间的过渡也处理得非常流畅自然，知识点的衔接非常紧密，读起来一点也不觉得跳跃或生硬。更让我欣赏的是，它始终保持着一种鼓励性的语调，仿佛有一位耐心的老师在耳边指导，即便遇到困难的知识点，也不会让人产生挫败感。这种以人为本的教学理念，对于像我这样对技术心存敬畏的读者来说，无疑是巨大的鼓舞，它成功地降低了入门的心理门槛。

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在实操性方面，这本书展现出了极强的实用价值。每一个理论知识点后面，几乎都紧跟着相应的上机操作指导或者示例代码。这些示例并非那种空洞的“Hello World”式的演示，而是贴近实际应用场景的练习，比如简单的数据处理任务、文件操作基础等等。我特别喜欢它对开发环境配置和常用软件工具的详细介绍，这部分内容详尽到几乎手把手教你，对于一个连IDE都不熟悉的新手来说，这简直是救命稻草。而且，书中的代码块格式化得非常规范，缩进和命名都符合业界标准，这对于培养良好的编程习惯至关重要。我尝试着敲入了几个例子，编译和运行都非常顺利，很少出现环境配置上的幺蛾子。这种理论与实践紧密结合的编排方式，极大地增强了我的动手能力和解决问题的信心，让我感觉自己不再是单纯地在“背诵”知识，而是在真正“学习”如何使用计算机。

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这本书的语言风格非常严谨，用词精准，这在技术文档中是极为重要的品质。它避免了过多华丽的辞藻堆砌，而是力求用最简洁、最准确的语言来描述复杂的逻辑关系。阅读过程中，我很少遇到需要反反复复琢磨才能理解的句子，这极大地提高了我的阅读效率。同时，它也注意到了不同读者的学习节奏，在关键术语出现时，都会给出清晰的定义或脚注进行解释，保证了理解的准确性。对于一些容易混淆的概念，作者还会特地用“注意”或“提示”的模块进行区分和强调，这种细致的区分避免了我们在学习过程中产生误解。总而言之，这本书在内容组织、表达方式和学习引导上，都体现出了一种高度的专业性和责任感，它不仅仅是一本工具书，更像是一份精心设计的学习蓝图，指引着每一个初学者坚定地迈向计算机科学的世界。

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作为一本面向基础层次的教材，我对它在系统性上的要求是比较高的。这本书在这方面做得相当出色，它构建了一个非常扎实的知识框架。从最底层的二进制和硬件组成概念讲起，逐步过渡到操作系统的工作原理，再到编程语言的基础语法结构，每一步都如同搭积木一般，稳固地向上层构建。特别是在介绍数据结构的基础概念时，它用图示清晰地对比了不同存储方式的优劣，这种宏观的视角帮助我理解了为什么要设计特定的数据结构来解决特定类型的问题。它没有试图在基础阶段就涵盖所有前沿技术，而是专注于打牢基础，这是一种非常明智的选择。这种深厚的系统性，确保了即使未来我转向更深入的领域，也不会感到知识体系存在明显的漏洞。它教会我的，是如何从整体上去把握计算机科学的全貌，而不是仅仅停留在零散的技巧层面。

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这本书的装帧设计实在令人眼前一亮，封面采用了沉稳的深蓝色调，搭配着醒目的白色和橘色字体，整体感觉既专业又不失现代感。纸张的质感也相当不错，厚实而光滑，翻阅起来非常顺手，长时间阅读也不会觉得累眼。书脊的装订处理得也很扎实，一看就是能经得起反复翻阅的好书。内页的排版布局更是体现了编者的用心，大量的图文并茂的解释，让原本枯燥的理论知识变得生动起来。特别是那些算法流程图和代码片段的展示，清晰明了，逻辑性极强。我注意到很多地方都用了不同颜色的字体来区分重点和注释，这种细致的考量，对于初学者来说简直是福音，能有效帮助我们抓住关键点。此外，书的尺寸适中，方便携带，无论是课堂讨论还是课后自习，都能轻松应对。看得出来，出版社在制作这本书的物理实体上是下了不少功夫的，这种对细节的精益求精，极大地提升了阅读体验，让人在还没深入内容之前，就已经对学习这本书充满了期待和好感。

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