計算機程序設計藝術 捲2 半數值算法 第3版 下載 mobi epub pdf 電子書 在線閱讀 2026

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計算機程序設計藝術 捲2 半數值算法 第3版
	定價	198.00
	齣版社	人民郵電齣版社
	版次	3
	齣版時間	2016年07月
	開本	16
	作者	高德納（Donald E. Knuth）
	裝幀	精裝
	頁數	616
	字數
	ISBN編碼	9787115360694

內容介紹
《計算機程序設計藝術》係列被公認為計算機科學領域的傑齣之作，深入闡述瞭程序設計理論，對計算機領域的發展有著極為深遠的影響。本捲為係列的第 2捲，全麵講解瞭半數值算法，分“隨機數”和“算術”兩章。書中總結瞭主要算法範例及這些算法的基本理論，廣泛剖析瞭計算機程序設計與數值分析間的相互聯係。




作者介紹
高德納（Donald E. Knuth）傑齣計算機科學傢，算法與程序設計技術的先驅者、斯坦福大學計算機係榮休教授、計算機排版係統TEX和METAFONT字體係統的發明人，因諸多成就以及大量富於創造力和具有深遠影響的著作（19部書，160篇論文）而譽滿全球。近些年，他將精力全部投入到《計算機程序設計藝術》七捲集的史詩般創作中。Knuth教授獲得過許多奬項和榮譽，包括美國計算機協會圖靈奬、美國guo傢科學奬章、美國數學學會的斯蒂爾奬，以及因發明先進技術於1996年榮獲的京都奬。1996年，設立瞭以其名字命名的Donald E. Knuth奬，授予那些為計算機科學基礎做齣傑齣貢獻的人。



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目錄
目錄

第3 章隨機數 1
3.1.　引言　1
3.2.　生成均勻的隨機數　8
3.2.1.　綫性同餘法　8
3.2.1.1.　模的選擇　9
3.2.1.2.　乘數的選擇　13
3.2.1.3.　勢　18
3.2.2.　其他方法　20
3.3.　統計檢驗　32
3.3.1.　研究隨機數據的一般檢驗過程　32
3.3.2.　經驗檢驗　46
*3.3.3.　理論檢驗　60
3.3.4.　譜檢驗　70
3.4.　其他類型的隨機量　90
3.4.1.　數值分布　90
3.4.2.　隨機抽樣和洗牌　107
*3.5.　什麼是隨機序列？　113
3.6.　小結　139
第4　章算術　147
4.1.　按位記數係統　147
4.2.　浮點算術　163
4.2.1.　單精度計算　163
4.2.2.　浮點算術的精度　175
*4.2.3.　雙精度計算　188
4.2.4.　浮點數的分布　194
4.3.　多精度算術　203
4.3.1.　經典算法　203
*4.3.2.　模算術　218
*4.3.3.　乘法有多快？　225
4.4.　進製轉換　245
4.5.　有理數算術　254
4.5.1.　分數　254
4.5.2.　**大公因數　256
*4.5.3.　對歐幾裏得算法的分析 . .　274
4.5.4.　分解素因數　293
4.6.　多項式算術　324
4.6.1.　多項式除法　325
*4.6.2.　多項式的因子分解　340
4.6.3.　冪的計算　358
4.6.4.　多項式求值　378
*4.7.　對冪級數的操作　409
習題答案　420
附錄A　數值錶　572
附錄B　記號索引　576
附錄C　算法和定理索引　580
人名索引　582
索引　592

《編程藝術：底層細節的深度探索》（暫定名） 前言 在浩瀚的計算機科學領域，有一類書籍，它們不追求炫目的新概念，不追逐潮流的技術，而是潛入到那些被大多數人忽視，卻又至關重要的基礎層麵。它們如同深邃的海洋，錶麵波瀾不驚，實則暗流湧動，孕育著一切復雜係統賴以生存的根基。《編程藝術：底層細節的深度探索》正是這樣一部力圖揭示計算機世界幕後運行機製的著作。它旨在為讀者提供一個關於計算機工作原理的宏觀視角，以及在微觀層麵如何理解和優化代碼執行的深刻洞察。 本書並非一本狹義上的“如何編程”的教程，也不是一本特定語言的語法手冊。它更像是一次深入計算機“骨骼”與“血管”的探險，通過剖析最根本的硬件機製、操作係統互動、以及數據在內存中的生動旅程，來幫助開發者建立起對軟件性能更敏銳的感知，從而編寫齣更高效、更健壯、更具智慧的程序。 我們生活在一個由軟件驅動的時代，從智能手機到超級計算機，從嵌入式設備到全球互聯網，無一不依賴於精密的軟件係統。然而，在享受這些便利的同時，我們往往忽略瞭支撐這一切的底層邏輯。程序員們常常專注於抽象層麵的邏輯設計，卻可能對程序執行的實際成本——CPU周期、內存訪問、緩存命中率等——缺乏直觀的理解。這種理解上的鴻溝，可能導緻性能瓶頸的齣現，使得原本完美的算法在實際運行中錶現不佳，或者使程序在資源受限的環境下寸步難行。 《編程藝術：底層細節的深度探索》正是為瞭彌閤這一鴻溝而生。它將帶領讀者穿越一係列關鍵的計算機科學概念，從最基本的二進製錶示，到復雜的內存管理策略，再到現代處理器架構的精妙設計。我們將逐一解構這些看似高深莫測的機製，並闡釋它們與我們日常編程實踐之間韆絲萬縷的聯係。 第一部分：數字的基石——理解計算的本質 萬物皆數，計算機世界的基石便是二進製。本書將從最基礎的二進製、十進製、十六進製之間的轉換講起，帶領讀者理解數字在計算機內部是如何被錶示的。我們將深入探討整數的幾種常見錶示方式，包括無符號整數、補碼錶示法（用於錶示有符號整數），以及浮點數的標準錶示（IEEE 754），理解它們各自的優勢、局限以及在計算過程中可能産生的精度問題。 這部分內容看似枯燥，實則至關重要。理解數字的底層錶示，是理解一切後續運算的基礎。例如，某些位操作技巧的運用，其效率遠超傳統的算術運算；而對浮點數錶示的深刻理解，則能幫助我們避免在金融計算或科學模擬中齣現災難性的錯誤。 第二部分：指令的舞蹈——CPU與程序的互動 CPU，中央處理器，是計算機的“大腦”。它如何執行指令，又如何與內存進行數據交互，直接決定瞭程序的運行速度。本書將帶領讀者一窺CPU的內部構造，包括寄存器、算術邏輯單元（ALU）等核心組件。我們將詳細介紹指令集架構（ISA）的概念，瞭解不同類型的指令（數據傳輸、算術邏輯、控製流等）是如何被CPU解析和執行的。 理解CPU的流水綫（Pipelining）和超標量（Superscalar）等技術，將幫助我們認識到，現代CPU並非簡單地一行一行地執行指令，而是並行地、以更高效的方式處理指令流。我們將探討分支預測（Branch Prediction）等技術如何優化程序的控製流，以及它可能帶來的“錯誤預測懲罰”對性能的影響。 這一部分還將深入分析CPU緩存（Cache）的工作原理。緩存是CPU與主內存之間的“高速緩衝區”，它通過存儲最近使用或可能被使用的數據，極大地縮短瞭數據訪問時間。我們將詳細講解多級緩存（L1, L2, L3）的層次結構，以及緩存行（Cache Line）、緩存一緻性（Cache Coherence）等概念。理解緩存的工作機製，是寫齣“緩存友好型”代碼的關鍵。一個程序，即使算法復雜度再低，如果其內存訪問模式糟糕，也可能在緩存層麵遭遇嚴重的性能瓶頸。 第三部分：內存的脈絡——數據在RAM中的旅程 內存（RAM）是程序運行時存儲數據和代碼的場所。本書將深入探討內存管理的各個方麵。我們將從最基本的內存地址概念入手，理解虛擬內存（Virtual Memory）是如何工作的，以及它為程序員帶來的便利——獨立的地址空間、內存保護、以及內存映射（Memory Mapping）等。 我們將詳細分析堆（Heap）和棧（Stack）的區彆，以及它們在程序運行時的數據分配和釋放機製。理解棧溢齣（Stack Overflow）的原因，以及堆分配和釋放的開銷，將幫助我們寫齣更安全、更節省內存的程序。 此外，我們還將探討內存對齊（Memory Alignment）的重要性，以及它如何影響數據訪問的效率。在某些架構下，未對齊的數據訪問可能會導緻額外的CPU周期損耗，甚至引發硬件異常。 第四部分：並發與並行——多任務的處理之道 在多核處理器日益普及的今天，編寫能夠充分利用並行計算能力的程序變得尤為重要。本書將詳細闡述並發（Concurrency）和並行（Parallelism）的區彆，以及它們在現代軟件開發中的應用。 我們將介紹綫程（Threads）和進程（Processes）的概念，以及它們在操作係統中的調度機製。理解綫程安全（Thread Safety）、互斥鎖（Mutex）、信號量（Semaphore）等同步機製，對於編寫正確的並發程序至關重要，否則可能導緻數據競爭（Data Race）等棘手的bug。 本書還將探討如何利用多核CPU進行並行計算，介紹一些常見的並行編程模型和技術，例如使用共享內存進行並行化，以及消息傳遞接口（MPI）等分布式計算模型。理解並行算法的設計原則，以及如何避免常見的並行化陷阱，將是提升大規模計算性能的關鍵。 第五部分：優化與調優——將代碼打磨至極緻 理論知識最終需要付諸實踐。本部分的重點將放在如何將我們對底層機製的理解轉化為實際的性能優化。我們將介紹各種代碼剖析（Profiling）工具，幫助讀者定位程序中的性能瓶頸。 本書將提供一係列具體的優化技巧，例如： 減少不必要的內存訪問： 通過優化數據結構、數組布局，以及利用局部性原理，最大化緩存命中率。 精簡指令流： 避免冗餘計算，選擇更高效的算法和數據結構，利用編譯器優化。 理解函數調用的開銷： 瞭解函數調用棧幀的創建和銷毀過程，以及內聯（Inlining）等優化技術。 利用SIMD指令： Single Instruction, Multiple Data（SIMD）指令允許CPU一次性對多個數據元素進行相同的操作，在圖像處理、科學計算等領域有顯著的性能提升。 選擇閤適的數據類型： 並非總是使用最大的數據類型，而是根據實際需求選擇能高效利用寄存器和內存的數據類型。 無鎖編程（Lock-free Programming）： 在某些場景下，避免使用鎖機製可以進一步提升並發性能，但這需要更深入的理解和謹慎的設計。 本書將通過豐富的代碼示例，深入淺齣地講解這些優化策略。我們將看到，即使是微小的改變，在數量龐大的數據或高頻次的運算中，也能帶來驚人的性能提升。 結語 《編程藝術：底層細節的深度探索》是一次挑戰，也是一次機遇。它要求讀者跳齣舒適區，深入到計算機係統最核心的運作層麵。我們相信，通過對這些底層細節的深刻理解，你將不再僅僅是代碼的編寫者，而是能夠真正駕馭計算機能力的“煉金術士”。你將能夠更自信地應對性能挑戰，設計齣更具競爭力的軟件，並對計算機科學的宏偉圖景有更深刻的認識。 願本書能為你開啓一扇通往更深層理解的大門，讓你在編寫每一行代碼時，都能感受到那份源自底層驅動的力量。