The Art of Parallel Programming

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出版者:Prentice Hall
作者:Bruce P. Lester
出品人:
页数:464
译者:
出版时间:1993-01
价格:USD 62.00
装帧:Hardcover
isbn号码:9780130459237
丛书系列:
图书标签:
  • 计算机
  • 并行编程
  • 多核处理器
  • 并发
  • OpenMP
  • MPI
  • CUDA
  • GPU编程
  • 高性能计算
  • 算法
  • 计算机科学
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具体描述

深入理解并行计算的艺术:理论、技术与实践 引言 在当今数字化的浪潮中,计算能力的提升已成为推动科学研究、技术创新乃至社会进步的关键驱动力。然而,随着单处理器性能增长的瓶颈日益显现,如何充分利用多核处理器、分布式系统以及图形处理器(GPU)等并行计算资源,已成为软件开发和高性能计算领域的重中之重。本书旨在为读者提供一个全面且深入的指南,探索并行编程的艺术,揭示其背后的核心原理、关键技术以及在实际应用中的最佳实践。我们不仅关注“如何”进行并行编程,更强调“为何”要采用特定的并行策略,以及“何时”它们最为适用。 第一章:并行计算的基石 本章将为读者构建坚实的理论基础,理解并行计算的核心概念。我们将从计算范式的演变出发,追溯从串行计算到并行计算的必然转变。深入剖析并行性的不同层次,包括指令级并行、数据级并行、任务级并行以及线程级并行,并阐述它们各自适用的场景和硬件支持。 计算范式的演进: 探讨摩尔定律的局限性,以及多核处理器和分布式系统的崛起如何催生并行计算的需求。 并行性的粒度: 详细介绍不同粒度的并行性,例如向量化(SIMD)指令如何处理大量数据,多线程如何同时执行不同任务,以及分布式计算如何跨越物理界限。 并行架构概览: 介绍主流的并行硬件架构,包括多核CPU、GPU(流处理器)以及大规模集群,并解释它们的工作原理和并行优势。 并行模型的分类: 区分共享内存模型与分布式内存模型,探讨它们在数据访问、同步机制和编程模型上的差异。 第二章:共享内存并行编程模型 共享内存模型是当前绝大多数个人电脑和服务器的核心并行计算范式。本章将聚焦于基于共享内存的并行编程技术,特别是Pthreads和OpenMP,帮助读者掌握在多核环境中有效地分配任务、管理数据以及处理并发问题的能力。 Pthreads:细粒度线程控制: 线程的创建与管理: 学习如何使用Pthreads API创建、终止和管理线程,理解线程的生命周期。 同步机制: 深入探讨互斥锁(mutex)、条件变量(condition variables)、读写锁(read-write locks)等核心同步原语,以及它们在避免竞态条件(race conditions)和死锁(deadlocks)中的作用。 线程间通信: 研究如何通过共享变量、消息传递(尽管Pthreads本身更侧重于共享内存)等方式实现线程间的数据交换。 Pthreads编程实践: 通过具体的示例,展示如何在实际问题中应用Pthreads,例如并行求和、矩阵乘法等。 OpenMP:简化共享内存并行: 指令级并行与循环并行: 学习OpenMP的`pragma omp parallel`、`pragma omp for`等指令,如何轻松地将串行代码转化为并行代码,特别是针对循环结构的并行化。 任务并行与数据共享: 掌握OpenMP的任务并行指令,以及如何使用`shared`、`private`、`reduction`等子句来精确控制数据在线程间的访问和计算。 同步与协作: 学习OpenMP提供的同步机制,如`critical`、`atomic`、`barrier`等,以及它们如何协同工作。 OpenMP的高级特性: 介绍`sections`、`single`、`master`等指令,以及如何构建更复杂的并行任务。 性能优化与调优: 讨论OpenMP代码的性能瓶颈,包括缓存一致性(cache coherence)问题、负载均衡(load balancing)以及数据局部性(data locality)的优化。 第三章:分布式内存并行编程模型 随着计算规模的不断扩大,分布式内存系统(如高性能计算集群)成为处理海量数据和复杂仿真的主流选择。本章将重点介绍分布式内存并行编程中最具代表性的标准——MPI(Message Passing Interface),以及如何构建和管理跨越多个节点的并行应用程序。 MPI基础: 进程的创建与通信: 理解MPI中的进程(rank)概念,学习`MPI_Init`、`MPI_Finalize`等初始化和终止函数,以及`MPI_Comm_rank`、`MPI_Comm_size`等获取进程信息。 点对点通信: 掌握`MPI_Send`、`MPI_Recv`等基本的消息发送和接收操作,理解阻塞与非阻塞通信的区别。 集合通信: 学习`MPI_Bcast`(广播)、`MPI_Reduce`(归约)、`MPI_Allgather`(全收集)等高效的集合通信操作,它们对于实现分布式数据同步和聚合至关重要。 MPI数据类型: 了解MPI如何处理不同数据类型,以及如何定义自定义数据类型以提高通信效率。 MPI的高级应用: 拓扑结构: 学习如何构建和利用MPI的通信拓扑,如网格(Cartesian topologies),以优化通信模式。 分布式数据结构: 探讨如何在分布式内存中有效地表示和操作数据结构,例如分布式数组和矩阵。 并行I/O: 介绍MPI-IO,如何在分布式环境中安全高效地读写大量数据。 MPI性能分析与调优: 讨论影响MPI应用程序性能的关键因素,包括通信开销、计算平衡和网络带宽,并提供相应的优化策略。 第四章:GPU通用计算 图形处理器(GPU)凭借其庞大的并行处理单元,已成为科学计算、深度学习等领域不可或缺的加速器。本章将深入探讨GPU的通用计算模型,特别是CUDA(Compute Unified Device Architecture),使读者能够 harnessing GPU的强大计算能力。 GPU架构与工作原理: 硬件结构: 介绍GPU的核心组成部分,如流处理器(Streaming Multiprocessors, SMs)、线程块(Thread Blocks)、线程(Threads)和全局内存(Global Memory)、共享内存(Shared Memory)、寄存器(Registers)等。 SIMT模型: 深入理解SIMT(Single Instruction, Multiple Threads)执行模型,以及它如何实现大规模数据并行。 内存层级与访问模式: 分析GPU不同内存层次的特性、访问延迟以及对性能的影响。 CUDA编程模型: 核函数(Kernels): 学习如何编写GPU核函数,以及如何将其从CPU(Host)调用到GPU(Device)上执行。 线程层次结构: 掌握线程块、网格(Grid)的组织方式,以及如何使用`threadIdx`、`blockIdx`、`blockDim`、`gridDim`等内置变量来定位和调度线程。 内存管理: 学习在CPU和GPU之间进行数据传输(Host to Device, Device to Host),以及如何利用共享内存和常量内存来优化访问。 同步与协作: 介绍GPU内部的同步机制,如`__syncthreads()`,以及如何在线程块内部实现协作。 CUDA库: 介绍cuBLAS、cuFFT、cuDNN等高性能CUDA库,它们能够极大地简化开发并提供优化的计算能力。 GPU性能优化: 探讨GPU编程中的常见性能陷阱,如内存访问合并(memory coalescing)、发散(warp divergence)以及线程块大小的选择。 第五章:并行算法设计与分析 掌握并行编程技术只是第一步,更重要的是能够设计出高效、可扩展的并行算法。本章将聚焦于并行算法设计的原则和常用策略。 并行算法的度量: 加速比(Speedup): 定义和计算加速比,理解理想加速比(线性加速比)以及实际加速比的限制。 效率(Efficiency): 分析算法的效率,即实际加速比与并行处理器数量的比值。 扩展性(Scalability): 讨论算法如何随着处理器数量的增加而保持或提升性能。 成本(Cost): 引入并行算法的成本概念,即计算量与通信量。 并行算法设计模式: 分治法(Divide and Conquer): 如何将问题递归地分解为更小的子问题,并在并行环境中解决。 划分与合并(Partitioning and Merging): 将数据或任务划分为多个部分,并在并行处理器上独立处理,最后合并结果。 流水线(Pipelining): 将计算过程分解为一系列阶段,每个阶段由不同的处理器并行执行,形成数据流。 映射与归约(Map and Reduce): 学习如何将一个操作并行地应用于数据集的每个元素(Map),然后将结果进行汇总(Reduce)。 常见并行算法示例: 并行排序算法: Bitonic Sort, Merge Sort in Parallel, Quick Sort in Parallel。 并行搜索算法: Parallel Breadth-First Search (BFS), Parallel Depth-First Search (DFS)。 并行图算法: Minimum Spanning Tree (MST), All-Pairs Shortest Path。 并行数值计算: Fast Fourier Transform (FFT), Matrix Multiplication。 第六章:并行编程中的挑战与优化 尽管并行计算提供了巨大的性能潜力,但在实际应用中也面临诸多挑战。本章将深入探讨这些挑战,并提供行之有效的解决方案和优化策略。 数据依赖与同步开销: 竞态条件(Race Conditions): 识别和避免共享数据上的竞态条件。 死锁(Deadlocks)与活锁(Livelocks): 理解产生死锁和活锁的原因,并掌握避免策略。 锁的粒度与性能: 讨论细粒度锁和粗粒度锁的优缺点,以及如何选择合适的锁机制。 无锁编程(Lock-Free Programming): 介绍无锁数据结构和算法,它们通过原子操作(atomic operations)来避免锁带来的性能瓶颈。 负载均衡(Load Balancing): 静态负载均衡: 在程序开始前分配任务。 动态负载均衡: 在程序运行时根据处理器负载情况动态调整任务分配。 任务池(Task Pools)与工作窃取(Work Stealing): 探讨这些动态负载均衡技术的实现。 通信开销与网络拓扑: 优化通信模式: 减少不必要的通信,提高数据局部性。 选择合适的网络拓扑: 理解不同网络拓扑(如星型、环型、网格型)对通信性能的影响。 消息聚合(Message Aggregation): 将多个小消息合并成一个大的消息以减少通信开销。 内存访问优化: 缓存一致性(Cache Coherence): 理解多处理器系统中缓存一致性协议的工作原理,以及它如何影响性能。 数据局部性(Data Locality): 优化数据访问模式,使数据尽可能保留在靠近处理器的缓存中。 内存对齐(Memory Alignment): 确保数据结构在内存中的对齐,以提高访问效率。 调试与性能分析: 并行调试工具: 介绍用于并行程序调试的工具,如GDB的并行版本,以及专门的并行调试器。 性能剖析工具: 学习使用性能剖析工具(profilers)来识别性能瓶颈,如VTune, `perf`, `nvprof`。 可视化工具: 利用可视化工具来理解程序的执行流程和数据流。 第七章:现代并行编程框架与趋势 随着并行计算技术的不断发展,新的编程框架和模型层出不穷,以应对更复杂的应用场景和更高的性能需求。本章将介绍一些重要的现代并行编程框架以及未来的发展趋势。 C++并行编程: C++标准库中的并行性: 介绍C++11及以后版本提供的并行算法(`std::for_each`, `std::transform`等)和执行策略。 TBB (Threading Building Blocks): Intel提供的强大的并行编程库,支持任务并行和数据并行。 OpenMP 4.0及以后版本: 介绍OpenMP在异构计算、任务卸载等方面的最新进展。 异构计算(Heterogeneous Computing): OpenCL: 一个开放的、跨平台的并行编程框架,支持CPU、GPU、FPGA等多种计算设备。 SYCL: 基于C++的异构计算编程模型,旨在提供更高级别的抽象和更好的代码可移植性。 CUDA在异构计算中的角色: 探讨CUDA如何与其他计算设备协同工作。 高性能计算(HPC)生态系统: 作业调度器: 介绍Slurm, PBS Pro等作业调度系统在HPC集群中的作用。 并行文件系统: Lustre, GPFS等高性能并行文件系统的概念。 容器技术: Docker, Singularity在HPC环境中的应用。 新兴的并行计算模型与未来趋势: AI与并行计算的融合: 探讨深度学习框架(TensorFlow, PyTorch)如何利用并行计算进行训练和推理。 面向数据流的编程模型: 关注如何更自然地表达数据依赖关系。 量子计算与并行性: 简要介绍量子计算与传统并行计算的联系与区别。 结论 并行编程是一门融汇理论、技术与实践的艺术。本书通过深入浅出的讲解,力求为读者构建一个坚实的理论框架,掌握核心的并行编程技术,并理解如何设计和优化高效的并行算法。无论您是软件开发者、科学研究人员还是系统工程师,掌握并行编程的能力都将是您在不断发展的计算领域中取得成功的关键。希望本书能成为您探索并行计算世界的有力助手,激发您在追求极致计算性能的道路上不断前行。

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读后感

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用户评价

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市面上关于并行计算的书籍汗牛充栋,但大多要么过于偏重理论的数学推导而缺乏工程实践的指导,要么就是堆砌了大量特定平台(如CUDA或OpenMP)的API调用说明,让人感觉空泛而缺乏系统性。然而,这本书的伟大之处恰恰在于它的平衡感。它构建了一个宏大而统一的理论框架,在这个框架下,各种具体的实现技术才得以有机地结合起来。我尤其欣赏作者对“并行性度量”和“性能分析”部分的论述。他没有满足于停留在写出能运行的并行代码,而是深入探讨了如何科学地衡量代码的并行效率——阿姆达尔定律(Amdahl's Law)和古斯塔夫森定律(Gustafson's Law)被拿出来进行了非常透彻的剖析和批判性思考,这让我意识到,盲目地增加处理器核心数并不总能带来预期的性能提升。作者倡导的“自上而下的设计哲学”——即先确定问题的并行结构,再选择最合适的硬件模型和同步工具——对我后续的工作流程产生了深远的影响。这本书不只是工具手册,它更像是一本关于“计算思维”的哲学导论,引导读者从更高的抽象层次去思考如何构建可扩展、健壮且高效的软件系统。对于那些希望从“能写并发代码”跃升到“能设计并发架构”的资深开发者而言,这本书简直是醍醐灌顶。

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坦白说,在翻开这本编程典籍之前,我对于“高性能计算”这个词汇的理解还停留在“代码跑得快”的粗浅层面。这本书彻底颠覆了我的认知。它像一把手术刀,精准地剖开了现代计算架构的复杂性。书中对并发模型和同步机制的探讨,简直是教科书级别的范本。我特别欣赏作者在讲解锁机制(Locks)、信号量(Semaphores)以及更高级别的屏障(Barriers)时所展现出的严谨性与洞察力。他没有回避那些臭名昭著的并发陷阱,比如死锁(Deadlock)和竞态条件(Race Condition),反而用大量的篇幅,配以清晰的流程图和伪代码,展示了如何识别并优雅地规避这些“软件瘟疫”。令我印象深刻的是关于“无锁编程”(Lock-Free Programming)那一章,作者展示了如何利用原子操作(Atomic Operations)来实现比传统锁机制更精细、更高效的并发控制。这部分内容对技术深度有很高的要求,但作者的行文风格却保持了一种罕见的沉稳和清晰,即便是面对CAS(Compare-and-Swap)这种底层操作,也能用近乎诗意的语言将其复杂性转化为可理解的逻辑序列。阅读过程中,我常常停下来,对着书中的代码示例在自己的笔记本上进行推演,那种“茅塞顿开”的感觉,是长期以来在实际工作中难以获得的纯粹智力上的满足。这本书更像是引人入胜的侦探小说,每一个技术难题都是一个需要解开的谜团,而作者则是那个带着你一步步走向真相的可靠伙伴。

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这本书的排版和装帧质量也值得一提。作为一本技术深度如此之大的书籍,它在视觉上的友好度却出人意料地高。页边距宽敞,字体选择得当,即便是大段的代码块和流程图,也丝毫不会让人感到压抑。更重要的是,作者在关键概念的引入和总结上做得极其到位。每当引入一个全新的并行模式或编程范式时,总会有一段精炼的总结,用最少的文字概括其核心思想和适用场景。这使得我在进行知识回顾时,可以快速定位到重点,而不是需要在厚厚的章节中大海捞针。我发现,这本书非常适合作为团队内部的“异步学习材料”。我们团队的几位工程师一起研读,每个人负责攻克不同章节,然后进行内部分享。这种分布式学习的体验极佳,因为书中的内容本身就具有很强的“可分解性”,不同的技术点可以独立学习,但最终又能在宏大的并行计算图景中完美契合。我个人对其中关于“分布式内存系统”与“消息传递接口(MPI)”的初步介绍印象深刻,它巧妙地将单机并行扩展到了集群并行,为我们团队未来进军大规模科学计算领域铺平了理论道路。这本书的深度和广度,让它不仅仅是一本参考书,更像是一个可以陪伴职业生涯成长的智力伙伴。

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这本厚重的著作,初捧在手时,便觉其分量不凡,封面设计简约却暗含深意,黑白分明的排版仿佛预示着书中对复杂概念的抽丝剥茧。我一直对编程领域中那些看似玄奥的底层逻辑抱有强烈的好奇心,尤其是涉及到如何让计算机在同一时间处理多项任务的精妙设计。这本书无疑是进入这个领域的绝佳向导。它的开篇并非直接抛出复杂的算法,而是非常耐心地从计算机体系结构的演变讲起,追溯了串行计算的局限性,为后续引入并行思维打下了坚实的基础。作者似乎深谙教学之道,总能在恰到好处的地方设置“顿悟点”,让我这个初涉此道的读者也能跟上其思路。书中对不同并行模型(如数据并行、任务并行)的阐述细致入微,不仅仅停留在理论层面,更是穿插了大量实际工程中的案例分析,这使得那些原本抽象的概念立刻变得生动起来,仿佛能触摸到代码的脉搏。特别是关于内存一致性和缓存一致性的章节,我反复阅读了好几遍,作者用精辟的比喻将这些硬核知识点嚼碎了喂给我,极大地增强了我对现代多核处理器工作原理的理解。读完前三分之一,我已经感觉到自己的思维模式正在发生微妙的转变,不再仅仅是线性地思考问题,而是开始尝试从多个维度去拆解任务,寻找潜在的并行机会。这本书的价值在于,它不仅仅教你“如何做”,更重要的是教你“为什么这样做”,这对于一个渴望深入理解技术的工程师来说,无疑是无价之宝。

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我阅读过不少关于底层系统编程的书籍,它们往往要求读者具备深厚的CS背景知识。然而,这本书在保持其技术前沿性的同时,对入门读者的包容度却高得惊人。作者似乎预设了一个“有良好编程基础,但对并行计算知之甚少”的读者画像,并围绕这个画像精心设计了学习路径。例如,在讲解向量化指令集(SIMD)时,作者并没有直接跳到汇编层面的操作,而是先用高级语言的特性来展示其潜在的并行性,然后逐步深入,这种循序渐进的教学方法极大地降低了读者的心理门槛。我最欣赏它的地方在于其对“软件工程实践”的强调。并行程序的调试是出了名的困难,书中专门辟出一章来讨论调试工具的使用和错误重现的策略,这一点是许多纯理论书籍所缺失的宝贵经验。它教会我如何系统性地记录和分析那些转瞬即逝的并发错误,而不是仅仅依靠直觉去“猜”问题所在。这本书读完后,我感觉自己不再是那个只会编写顺序代码的程序员了,而是一个真正理解现代计算瓶颈、能够设计出利用多核优势的“系统级思考者”。它带给我的,是信心和一套行之有效的方法论,这比任何单一的编程技巧都要宝贵得多。

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