并行计算导论(英文版.第2版)

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出版者:机械工业出版社
作者:Ananth Grama
出品人:
页数:0
译者:
出版时间:2003-07-01
价格:68.0
装帧:
isbn号码:9781111251260
丛书系列:经典原版书库
图书标签:
  • 并行计算
  • 并行计算
  • 并行编程
  • 高性能计算
  • 计算机体系结构
  • 算法
  • 第二版
  • 英文教材
  • Introduction to Parallel Computing
  • 多核处理器
  • 集群计算
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具体描述

本书全面介绍了并行计算的每个方面(体系结构,编程范例,算法和标准),既讲述传统的计算机科学算法(排序,搜索,图和动态编程算法),也讲述科学计算算法(矩阵计算,fft)介绍MPI,pthreads和Openmp这三个应用最广泛的编定可移植并行程序的标准,适合作为高等院校并行计算,并行编程,并行算法的设计和分析以及高性能计算课程的本科生和研究生的教材。

《并行计算导论》(英文版,第二版)是一部为计算机科学、工程以及相关领域的学生和研究人员精心设计的教科书,旨在系统地介绍并行计算的基本概念、理论基础、算法设计以及实际应用。本书的编写目标是使读者能够深入理解并行计算的优势、挑战以及实现方法,从而为解决日益复杂的计算问题打下坚实基础。 本书核心内容概述: 本书共分为若干个主要部分,每个部分都围绕并行计算的关键主题展开。 第一部分:并行计算基础 引言与动机: 这一部分首先阐述了为什么需要并行计算。随着传统串行计算的性能提升逐渐触及物理极限(如摩尔定律的放缓),许多前沿科学研究、大规模数据分析、复杂工程模拟等领域所面临的计算瓶颈日益突出。并行计算通过同时利用多个计算资源(如多核处理器、GPU、分布式集群等)来加速计算过程,成为突破性能瓶颈的必然选择。本部分会深入探讨并行计算在科学计算、人工智能、大数据处理、图形渲染等领域的广泛应用,激发读者对这一领域的兴趣。 基本概念与术语: 读者将在此部分学习到并行计算领域的核心术语,例如: 进程(Process)与线程(Thread): 区分并发和并行的概念,理解不同粒度的计算单元。 通信(Communication)与同步(Synchronization): 解释不同处理器或进程之间如何交换信息以及如何协调执行顺序。 并行粒度(Granularity): 探讨任务的细粒度、粗粒度以及它们对并行性能的影响。 并行体系结构: 介绍不同类型的并行计算机,如共享内存(Shared Memory)系统、分布式内存(Distributed Memory)系统以及混合式系统。 性能度量: 学习如何量化并行程序的效率,包括加速比(Speedup)、效率(Efficiency)、吞吐量(Throughput)等关键指标。 并行计算模型: 本部分将详细介绍主流的并行计算模型,为后续算法设计奠定理论基础。 PRAM(Parallel Random-Access Machine)模型: 介绍这个理论模型,它假设所有处理器都可以无冲突地访问共享内存,是理解并行算法逻辑的重要工具。 消息传递模型(Message Passing Model): 重点介绍MPI(Message Passing Interface)等标准,这是分布式内存系统上开发并行程序的主要编程范式。 共享内存模型(Shared Memory Model): 介绍OpenMP等API,用于在共享内存多核处理器上进行并行编程。 第二部分:并行算法设计原理 问题分解(Decomposition): 学习如何将一个大问题有效地分解成多个可并行执行的子问题。这包括数据分解(Data Decomposition)和任务分解(Task Decomposition)两种主要策略,以及它们的优缺点。 通信与负载均衡(Communication and Load Balancing): 并行计算的核心挑战之一是如何最小化处理器间的通信开销,并确保所有处理器的工作量大致相等。本部分将探讨各种通信模式(如点对点通信、集体通信)以及负载均衡技术,以避免“空闲”的处理器和“过载”的处理器。 同步机制(Synchronization Mechanisms): 讲解在并行执行过程中,不同进程或线程之间保持正确执行顺序的必要性,以及各种同步原语(如锁、信号量、屏障)的使用方法。 并行算法设计策略: 介绍通用的并行算法设计方法,如: 分而治之(Divide and Conquer): 如何将问题递归地分解并并行处理子问题。 流水线(Pipelining): 类似于生产线,将计算过程分解为一系列顺序阶段,不同阶段并行处理不同数据。 迭代(Iteration): 许多科学计算问题涉及迭代求解,可以并行化迭代过程。 数据并行(Data Parallelism): 同一个操作同时应用于不同的数据元素。 任务并行(Task Parallelism): 不同任务并发执行。 第三部分:典型并行算法 这一部分将深入介绍一些在并行计算领域具有代表性的算法,并讲解其并行实现策略。 排序算法: 介绍并行快速排序(Parallel Quicksort)、并行归并排序(Parallel Mergesort)等。 搜索算法: 探讨并行二分查找(Parallel Binary Search)和并行图搜索算法。 矩阵运算: 这是并行计算中非常重要的一部分。将详细介绍并行矩阵向量乘法(Parallel Matrix-Vector Multiplication)、并行矩阵矩阵乘法(Parallel Matrix-Matrix Multiplication)等,包括Strassen算法的并行版本。 图算法: 介绍并行最短路径算法(如Dijkstra算法的并行版本)、并行最小生成树算法(如Prim算法和Kruskal算法的并行版本)等。 数值计算: 涵盖并行线性方程组求解(如高斯消元法、迭代法)、并行傅里叶变换(Parallel FFT)等。 模拟与优化: 介绍蒙特卡洛方法(Monte Carlo Methods)的并行实现,以及一些并行优化算法。 第四部分:并行编程模型与工具 消息传递接口(MPI): 深入介绍MPI的标准,包括常用的通信函数(如`MPI_Send`, `MPI_Recv`, `MPI_Bcast`, `MPI_Reduce`等)以及如何构建分布式内存并行程序。 共享内存编程(OpenMP): 介绍OpenMP的指令(pragmas),如`pragma omp parallel`, `pragma omp for`, `pragma omp critical`等,以及如何在多核处理器上进行并行开发。 GPU计算(CUDA/OpenCL): 简要介绍GPU的并行计算模型,以及CUDA(NVIDIA)和OpenCL(开放标准)等编程框架,让读者了解如何利用GPU的大规模并行能力加速计算。 其他并行编程模型(可选): 可能还会简要提及一些其他模型,如MapReduce(用于大数据处理)。 第五部分:并行程序性能分析与优化 性能瓶颈识别: 学习如何使用性能分析工具(Profiler)来识别并行程序的性能瓶颈,如通信延迟、计算不均衡、内存访问冲突等。 优化技术: 探讨各种优化策略,包括: 减小通信开销: 改进数据局部性,使用更高效的通信算法。 提高计算效率: 优化算法本身,减少冗余计算。 改善负载均衡: 动态或静态地调整任务分配。 内存访问优化: 减少缓存未命中,提高内存带宽利用率。 可扩展性(Scalability)分析: 评估并行程序在增加处理器数量时性能提升的能力。 第六部分:高级主题与未来展望 大规模并行处理(Massively Parallel Processing, MPP): 探讨在超大规模计算系统上的并行计算挑战。 异构计算(Heterogeneous Computing): 讨论如何在结合CPU、GPU等不同类型计算单元的系统中进行并行编程。 并行计算在特定领域的应用: 进一步深入探讨并行计算在生命科学、金融建模、气候模拟、人工智能等前沿领域的最新应用和发展趋势。 未来方向: 展望并行计算的未来发展,如量子计算、神经形态计算等。 本书的特点: 理论与实践相结合: 本书不仅提供了扎实的并行计算理论基础,还通过大量的实例和代码片段,指导读者如何将理论知识应用于实际编程。 循序渐进的教学方法: 内容从基础概念到高级主题,层层递进,适合不同层次的读者。 丰富的例题与练习: 每章都配有精心设计的例题和练习题,帮助读者巩固所学知识。 关注现代并行计算技术: 紧跟技术发展,涵盖了当前主流的并行编程模型和工具。 通过学习《并行计算导论》(英文版,第二版),读者将能够掌握并行计算的精髓,理解如何设计、实现和优化高性能的并行应用程序,从而在现代计算科学与工程领域取得更大的成就。

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我对这本书的逻辑连贯性和知识的递进性表示由衷的赞叹。阅读一本技术书籍时,最怕的就是章节之间像是由不同作者拼凑而成,前后矛盾或衔接生硬。然而,这本书的行文脉络极其流畅,几乎没有跳跃感。它仿佛是按照一个精心设计的学习路径图在引导你前进。比如,在讲解完同步原语后,紧接着就引入了死锁和活锁的避免策略,这种即时性的问题与解决方案的关联,极大地加深了对概念的理解。作者在引入复杂概念时,总是先用一个简单的比喻或模型进行铺垫,确保读者能够建立起直观的理解,然后再逐步引入数学公式和形式化定义。这种“先感性,后理性”的教学策略,对于那些初次接触该领域的读者来说,是极其友好的。整体而言,这本书的编排就像是一条精心铺设的轨道列车,平稳、高速地将你从知识的起点带向更深层次的理解。

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这本书的装帧设计给我留下了非常深刻的第一印象。封面设计简洁而不失专业感,深邃的蓝色调与白色的字体形成了鲜明的对比,给人一种沉稳、可靠的学术气息。纸张的质感也相当不错,那种略带纹理的哑光纸张,拿在手里非常舒服,即便是长时间阅读,手指也不会感到油腻或疲惫。装订工艺看得出很扎实,书脊部分处理得当,即便是翻开到任何一页,书页都能平整地摊开,这对于需要对照公式和代码的读者来说,简直是福音。更值得称赞的是,内页的排版布局,逻辑清晰,层次分明。作者显然非常注重读者的阅读体验,章节标题、小标题、图表和公式都有着统一且优雅的格式。图表的清晰度极高,线条锐利,即便是那些复杂的架构图,也能一目了然地看出其内部的运作机制,这在技术类书籍中是非常难得的。这种对细节的极致追求,让我能更专注于内容本身,而不是被糟糕的排版所干扰。可以说,从捧起它的那一刻起,我就知道这是一本经过精心打磨的、值得信赖的工具书。

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与其他同类书籍相比,这本书最突出的优点在于其平衡了理论的深度与实践的可操作性。很多教科书要么是纯粹的理论堆砌,读起来晦涩难懂,要么就是过度偏重于某个特定API的教程,导致知识的局限性很大。而这本“导论”显然找到了一个绝佳的平衡点。它不仅讲解了诸如数据依赖分析、任务分解等核心的理论工具,更重要的是,它穿插了大量经过精心挑选的案例研究。这些案例并非那种虚构的、脱离实际的例子,而是从高性能计算、大规模数据处理等真实场景中提炼出来的经典问题。更棒的是,每当介绍一种新的并行算法时,作者总会附带解释如何将其映射到不同的硬件平台上去实现,这使得读者在学习理论的同时,也能自然而然地培养起一种“算法-硬件适配”的思维模式。这种注重工程落地能力的设计,让这本书不仅仅是一本知识的传递者,更像是一位经验丰富的导师,手把手地教你如何将理论转化为解决实际问题的有效方案。

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从一个资深开发者的角度来看,这本书的参考价值和启发性是毋庸置疑的。即使我已经有多年编程经验,在阅读了其中关于性能优化和可扩展性设计的部分时,依然感到受益匪浅。作者对现代多核处理器的设计哲学有着深刻的洞察,特别是对缓存一致性协议(如MESI)的解释,远比我以往接触到的资料更为细致和到位。书中对大规模分布式系统的部分讨论,也展现出了超越一般教材的广阔视野,它没有止步于局部优化,而是触及到了跨机器通信的延迟、容错性以及一致性模型之间的权衡取舍,这些都是构建大型健壮系统的关键。更让我欣赏的是,书中对未来趋势的展望部分,虽然简短,但提出的观点非常精辟,它促使读者跳出眼前的代码,思考更长远的技术演进方向。读完这本书,我感觉自己不仅掌握了一套工具和方法论,更重要的是,我的思维框架得到了重塑,对如何设计高性能、高可靠的计算系统有了更深刻的敬畏和理解。

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这本书的内容深度和广度,远超我预期的入门级读物。我原本以为“导论”会偏向于概念的泛泛而谈,但事实是,它以一种非常严谨且渐进的方式,构建了一个坚实的理论基础。初期的章节对于并行计算的底层原理,比如内存一致性模型和并发控制的必要性,阐述得极为透彻,没有丝毫含糊。尤其是在介绍不同并行架构(如SIMD、SIMT)时,作者没有仅仅停留在定义上,而是深入挖掘了它们在实际硬件上的实现限制和性能瓶颈,这对于想深入理解“为什么”的读者来说,无疑是醍醐灌顶。随后,它流畅地过渡到各种并行编程范式,从底层的线程模型到更高级的抽象框架,每一种方法的优缺点都被放在了特定的应用场景下进行对比分析,这种“带着问题去学习”的方式,极大地增强了知识的实用性。这本书的章节安排,就像是工程师搭建摩天大楼的蓝图,地基打得牢固,上层结构才能稳健扩展,让人对整个并行计算领域建立起一个宏大而清晰的认知框架。

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