Applications and Theory of Petri Nets 2001 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Jose-Manuel Colom

出品人:

页数:399

译者:

出版时间:2001-12

价格:110.00元

装帧:

isbn号码:9783540422525

丛书系列:

图书标签:

• Petri Nets
• Formal Methods
• Concurrency
• Distributed Systems
• Modeling
• Verification
• Computer Science
• Theory
• Applications
• Automation

现代并发系统建模与分析：基于过程代数与因果关系理论的深度探索 图书名称： 现代并发系统建模与分析：基于过程代数与因果关系理论的深度探索 ISBN： 978-1-2345-6789-0 出版日期： 2024 年 10 月 --- 导言：复杂性与精确性的挑战 在信息技术飞速发展的今天，并发系统——从多核处理器架构到复杂的分布式软件服务——已成为计算科学的核心议题。这些系统的核心挑战在于其固有的不可预测性和潜在的死锁、活锁等非预期行为。传统的状态机方法往往在面对大规模系统时遭遇“状态空间爆炸”，而面向对象的方法则难以捕捉系统间精确的交互时序和因果依赖。 本书《现代并发系统建模与分析：基于过程代数与因果关系理论的深度探索》旨在提供一套严谨且富有洞察力的理论框架，用于精确描述、形式化验证和优化这些复杂的并发交互。我们聚焦于两条主流但相互关联的理论支柱：过程代数（Process Algebra） 和 因果关系/顺序结构理论（Causal and Ordering Theory），力求弥合抽象规范与实际系统行为之间的鸿沟。 --- 第一部分：过程代数的演进与精确性——从通信到资源的精细控制 过程代数提供了一种强大的代数工具，通过定义操作符（如序列、并行、选择和通信）来构建和分析进程的行为。本书超越了早期的基于通信的系统（如 CCS 或 CSP）的基本模型，深入探讨了如何将更丰富的系统特性——特别是资源管理和非确定性——融入代数框架中。 第一章：扩展的行动框架与同步抽象 本章详细阐述了如何构建一个更具表达力的行动框架（Action Framework）。我们引入了有界的通信原语和异步资源请求作为基本构建块，并探讨了如何使用代数恒等式来证明系统间的行为等价性，特别是针对观测等价性（Observational Equivalence） 和更强的结构等价性（Structural Equivalence）。我们展示了如何使用代数微积分来简化复杂的并行组合，从而避免不必要的状态爆炸。 第二章：资源受限系统的代数建模 在实际应用中，进程的并发执行往往受到有限资源的约束（如内存缓冲、互斥锁）。本章将容量约束和优先级调度的概念形式化为过程代数的扩展。我们引入了容量算子（Capacity Operators），并基于这些扩展，推导出了判定特定资源分配下系统是否会发生饥饿（Starvation） 或死锁（Deadlock） 的充分必要条件。这部分内容特别关注了可重入锁（Reentrant Locks） 的代数描述及其在并发算法验证中的应用。 第三章：时序与时限的集成：混合过程代数 现代嵌入式和实时系统需要对时间进行精确控制。本章转向混合过程代数（Hybrid Process Algebra） 的研究，其中时间不再仅仅是抽象的事件序列，而是具有特定速率和时限的连续或离散变量。我们构建了一个基于微分代数（Differential Algebra） 的扩展，用于描述具有速率依赖性（Rate-dependent）的进程，并提供了一套工具来验证满足特定硬时限（Hard Deadlines） 的并发协议的正确性。 --- 第二部分：因果关系与偏序结构——揭示隐藏的顺序 并发系统的真正复杂性往往隐藏在事件之间的因果依赖关系中。本部分从偏序集（Posets） 和事件结构（Event Structures） 的角度出发，提供了一种与过程代数互补的、基于顺序的建模范式。 第四章：事件结构与局部依赖性 我们从基础的事件结构（Event Structures） 入手，定义了事件的并发、竞争与因果关系。重点在于如何从一个给定的执行轨迹（Trace）中，精确地重构出其潜在的最小因果关系（Minimal Causality）。本章提出了局部可观察性（Local Observability） 的概念，即一个进程在不观察全局状态的情况下，仅凭其接收到的局部信号即可推断因果链的能力。 第五章：因果上下文与结构化并发 并发的挑战在于，一个进程的行动可能依赖于多个其他进程的完成。本章引入了因果上下文（Causal Contexts） 的概念，将系统状态定义为一组相互作用的因果依赖闭包。我们探讨了结构化并发（Structured Concurrency） 的理论基础，即如何通过规范的构建块（如循环依赖图）来保证任何并发组合的局部一致性。这部分内容为设计具有良好并发安全性的编程语言提供了理论支撑。 第六章：从因果关系到行为等价性：偏序模型的验证 本章是理论整合的关键。我们探讨了如何利用偏序结构来定义比传统的跟踪（Traces）或观察（Observations）更精细的因果等价性（Causal Equivalence）。我们提出了因果图简化算法（Causal Graph Simplification Algorithm, CGSA），该算法能够在保持系统所有关键因果链的前提下，最大限度地移除冗余的并行结构，从而实现性能上的优化，同时保证功能正确性。 --- 第三部分：理论的融合与应用——从建模到验证的桥梁 本书的最后一部分致力于将过程代数的代数严谨性与因果理论的结构洞察力结合起来，应用于实际的系统分析。 第七章：过程代数与因果图的映射（Duality） 我们正式研究了过程代数表达式与其对应的因果图（如依赖图/Pomset）之间的对偶关系（Duality Mapping）。我们展示了代数恒等式（如交换律、结合律）在因果图上的精确几何或拓扑解释。这使得我们可以利用代数工具来证明关于因果结构深层属性的定理，反之亦然。例如，证明一个代数规范中不存在隐藏的竞争（Race Condition），可以转化为检查其因果图是否满足特定的无环特性。 第八章：故障注入与鲁棒性分析 并发系统的鲁棒性至关重要。本章利用上述融合的模型来执行形式化故障注入（Formal Fault Injection）。我们定义了不同类型的系统故障（如消息丢失、进程崩溃、时间漂移），并将其形式化为对基础因果结构或代数操作符的扰动。通过分析这些扰动如何传播和被系统吸收，我们可以量化系统的错误恢复能力（Error Recovery Capability） 和容错度（Fault Tolerance Degree）。 第九章：面向软件架构的工具与方法 本书最后以实践为导向，探讨了如何将这些高级理论转化为可操作的工程实践。我们讨论了基于模型的验证（Model Checking） 框架如何集成过程代数的代数简化和因果图的结构性剪枝技术，以应对工业级大规模系统的分析需求。此外，我们还探讨了如何利用约束满足求解器（Constraint Solvers） 来自动搜索违反特定因果或时间规范的最小反例。 --- 总结与展望 《现代并发系统建模与分析：基于过程代数与因果关系理论的深度探索》为研究人员、系统架构师和高级软件工程师提供了一套无可替代的、基于坚实数学基础的工具集。通过对过程代数强大表达力的挖掘和对因果关系理论深刻洞察的结合，本书的目标是使读者能够设计出不仅功能正确，而且在面对复杂交互和不确定性时依然能够保持可预测、可验证和高性能的下一代并发系统。本书提供的理论深度和广度，确保了其在未来数十年内对并发计算领域研究的持续指导价值。

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