Parallel Programming

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出版者:Morgan Kaufmann
作者:Dr. Bertil Schmidt
出品人:
页数:416
译者:
出版时间:2017-11-22
价格:GBP 62.95
装帧:Paperback
isbn号码:9780128498903
丛书系列:
图书标签:
  • 计算机
  • 分布式计算
  • Programming
  • 并行编程
  • 多核处理器
  • 并发
  • OpenMP
  • MPI
  • CUDA
  • GPU
  • 高性能计算
  • 分布式计算
  • 线程
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具体描述

好的,这里为您撰写一份关于一本名为《并行计算基础与实践》的图书简介,该书内容与您提到的《Parallel Programming》无关,重点在于全面覆盖并行计算的理论基础、硬件架构、编程模型和实际应用。 --- 图书简介:《并行计算基础与实践》 概述:迈向高效能计算的新时代 在当今数据爆炸式增长和计算需求日益复杂的时代,传统的串行计算范式已无法满足对极致性能的追求。从科学研究、人工智能到大数据分析,高效能计算(High-Performance Computing, HPC)已成为核心驱动力。《并行计算基础与实践》一书正是为迎接这一挑战而生,它系统地梳理了并行计算领域的核心概念、关键技术和前沿发展,旨在为读者构建一个坚实而全面的知识体系,使他们能够设计、实现并优化高性能的并行应用程序。 本书内容深度兼顾,覆盖面广,理论与实践紧密结合,既适合希望系统学习并行计算原理的初学者,也为有一定经验的工程师和研究人员提供了深入探究先进主题的宝贵资源。 第一部分:并行计算的理论基石与硬件脉络 本部分聚焦于理解并行计算的理论前提和支撑其运行的硬件生态系统,为后续的编程实践奠定坚实的理论基础。 第一章:计算范式的演进与并行性度量 本章首先回顾了计算领域的历史发展,清晰界定了串行计算的局限性,并引入并行计算的基本概念,如指令级并行、数据级并行和任务级并行。我们详细阐述了衡量并行系统性能的关键指标——Amdahl 定律和Gustafson 定律,并探讨了如何基于这些理论模型来预测和分析特定问题的加速潜力。此外,本章引入了现代并行架构的基本模型,如 Flynn 分类法,帮助读者建立对并行系统结构的初步认识。 第二章:现代处理器架构深入解析 并行计算的实现离不开对底层硬件的深刻理解。本章将深入剖析当代主流处理器的内部结构。重点内容包括: 多核与众核架构 (Multi-core and Many-core Architectures): 详述片上多处理器(CMP)的设计哲学、缓存层次结构(L1, L2, L3)的组织与一致性协议(如 MESI 协议)。 向量化处理单元 (SIMD/Vector Units): 探讨单指令多数据流(SIMD)的原理、寄存器文件设计及其对循环展开和数据对齐的需求。 异构计算单元 (Heterogeneous Computing): 重点介绍通用图形处理器(GPGPU)的流式多处理器(SM)结构、数千个小型核心的设计思想,及其与传统CPU在工作负载上的互补性。 第三章:内存访问、通信与同步的挑战 并行程序性能的瓶颈往往不在于计算本身,而在于数据如何在处理器和内存之间高效流动,以及如何在共享资源上协调执行。本章详细分析了: 内存一致性模型 (Memory Consistency Models): 区分强一致性模型和弱一致性模型,解释程序顺序与硬件重排对并行程序正确性的影响。 数据局部性与缓存效率: 探讨如何通过优化数据布局(如行主序与列主序)、数据分块策略来最大化缓存命中率,减少访存延迟。 硬件同步原语: 介绍原子操作(Atomic Operations)、内存屏障(Memory Barriers)在确保并发操作正确性中的核心作用。 第二部分:主流并行编程模型与技术 基于对硬件的理解,本部分转向实践层面,详细介绍当前主流的并行编程范式、接口和库。 第四章:共享内存并行编程模型 (OpenMP) OpenMP 是实现共享内存系统并行化的事实标准。本章将全面覆盖 OpenMP 的指令集: 并行区域与任务分解: 讲解 `parallel`、`for/do` 指令,以及如何使用循环调度策略(Static, Dynamic, Guided)平衡负载。 数据环境管理: 深入探讨 `private`、`shared`、`reduction`、`threadprivate` 等数据范围指令,确保变量在线程间的正确隔离与合并。 高级同步控制: 覆盖锁机制(Locks)、临界区(Critical Sections)、屏障(Barriers)以及一次性(Single)构造,并辅以实际的数值计算案例进行演示。 第五章:消息传递接口 (MPI) 对于大规模集群和分布式内存系统,消息传递是核心通信机制。本章专注于 MPI 标准: 进程与通信器: 介绍 MPI 进程的启动、`MPI_COMM_WORLD` 的概念以及自定义通信组的创建。 点对点通信原语: 详细对比阻塞式(Blocking)和非阻塞式(Non-blocking)通信(如 `Send/Recv` 与 `Isend/Irecv`),讨论其在重叠计算与通信方面的优势。 集合通信操作: 深入分析高效的集体操作,如数据分发(Broadcast, Scatter, Gather)和全局规约(Reduce, Allreduce),并探讨它们在实现高带宽通信中的优化策略。 第六章:异构计算编程:CUDA 与 OpenCL 概述 随着 GPU 成为主流加速器,理解异构编程至关重要。本章提供 GPU 编程的核心概念框架: CUDA 编程模型: 介绍核函数(Kernel)、线程层次结构(Grid, Block, Thread)的映射关系,以及主机(Host)与设备(Device)间的数据传输机制。 内存层次结构: 区分全局内存、共享内存、常量内存和纹理内存,强调在 GPU 上实现高性能的关键——最大化利用片上高速内存。 OpenCL 基础: 对比 OpenCL 在跨平台兼容性方面的优势,介绍其工作组(Work-group)和工作项(Work-item)的概念。 第三部分:并行算法设计与应用优化 本部分着眼于如何将并行化的思维模式应用于具体的算法设计和应用程序的性能调优。 第七章:经典并行算法的重构 本章选取了计算科学中的几个核心问题,展示如何将串行算法转化为高效的并行版本: 并行排序与搜索: 探讨如何使用并行合并排序和位序(Bitonic Sort)的思想。 图算法并行化: 重点分析图遍历(BFS/DFS)和最短路径算法(如 Dijkstra, Floyd-Warshall)在共享内存和分布式内存环境下的并行实现挑战与解决方案。 稀疏矩阵运算: 讨论稀疏矩阵向量乘法(SpMV)中数据不规则性带来的挑战,以及基于行列索引格式(CSR/CSC)的并行策略。 第八章:性能分析、调试与优化实践 高性能程序是设计、测量和迭代的结果。本章指导读者掌握专业的性能工程工具和方法论: 性能度量工具链: 介绍如何使用如 `gprof`, `VTune`, 或特定于平台的分析器来识别性能瓶颈,区分计算受限、访存受限还是通信受限的瓶颈。 调试并发程序: 探讨在多线程环境中调试死锁(Deadlock)、竞态条件(Race Condition)的独特困难,并介绍相应的调试技术。 负载均衡与通信优化: 提供实用的调优技巧,包括动态负载调整、通信隐藏技术(Communication Hiding)和流水线技术(Pipelining),以最大限度地提高系统利用率。 结语 《并行计算基础与实践》不仅是一本技术手册,更是一份通往未来计算范式的路线图。通过对硬件脉络的梳理、对主流编程模型的精讲,以及对实战优化技巧的传授,本书致力于培养读者利用多核、众核乃至超级计算机集群解决复杂问题的能力。掌握本书内容,即是掌握了驾驭现代计算资源、释放深层系统潜能的关键钥匙。

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读后感

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用户评价

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这本书简直是为我量身定做的!一直以来,我在处理大规模数据并行计算的任务时都感觉力不从心,那些繁琐的同步机制、恼人的竞态条件,还有那些难以捉摸的死锁,常常让我头疼不已。我尝试过各种不同的方法,阅读过一些零散的资料,但总感觉像是碎片化的知识点,难以形成一个清晰的体系。直到我翻开《Parallel Programming》,一切都豁然开朗了。这本书并没有一开始就抛出过于抽象的概念,而是循序渐进地从最基本的多线程模型讲起,清晰地阐述了线程的创建、管理以及它们之间如何进行通信。我特别喜欢它在解释共享内存并发时,通过大量的图示和代码示例,将复杂的概念变得具象化。例如,书中对锁(locks)和信号量(semaphores)的讲解,不仅描述了它们的原理,还细致地分析了在不同场景下如何选择和使用它们,以及使用不当可能带来的风险。我印象深刻的是,书中用一个模拟多人同时访问同一份文档的例子,生动地展示了竞态条件的发生,并逐步引导读者如何通过加锁来避免这种情况。而且,书中还深入探讨了原子操作(atomic operations),这是一种比传统锁更细粒度的并发控制机制,对于提高性能有着至关重要的作用。作者的讲解非常到位,他没有回避这个主题的复杂性,而是用一种非常友好的方式呈现出来,让我感觉自己真的在一步步掌握这些强大的工具。即使是那些初学者可能会感到畏惧的低级并发原语,如互斥量(mutexes)和条件变量(condition variables),在作者的笔下也变得易于理解。我尤其赞赏的是,书中对于并发模型的设计思想和最佳实践的讨论,这不仅仅是学习语法和API,更是提升了我的整体编程思维。

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这本书的语言风格非常引人入胜,即便是在讨论一些相对晦涩的技术概念时,作者也总能用一种通俗易懂的方式将其阐述清楚。我特别喜欢作者在引入新概念时,总是会先从一个实际问题或者一个大家都能理解的场景入手,然后逐步引导读者去理解背后的技术原理。比如,在介绍“线程同步”时,作者没有直接抛出“锁”的概念,而是先描述了一个多人同时编辑同一份文档时可能出现的混乱情况,然后才引出“锁”作为解决这个问题的有效手段。这种“自下而上”和“自上而下”相结合的讲解方式,让我感觉学习过程非常顺畅,而且能够建立起牢固的知识体系。书中没有使用过于生僻的术语,即使有,也会在第一时间给出清晰的解释。而且,作者的文笔非常流畅,读起来一点也不枯燥。我常常会因为对某个问题的深入讲解而沉浸其中,不知不觉就读了很多页。这本书还包含了一些作者个人的经验和见解,这些“干货”对于我这样正在学习中的人来说,非常有价值。

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这本书对我最大的帮助在于,它不仅仅停留在理论层面,更是一本非常注重实践的书籍。我一直认为,学习编程技术,尤其是像并行编程这样复杂的领域,最重要的一点就是动手实践。而《Parallel Programming》在这方面做得非常出色。书中提供的每一个代码示例都非常完善,可以直接复制粘贴并运行,而且作者还会在代码旁边附上详细的解释,说明每一行代码的作用,以及它在整个并行化过程中的意义。我经常是边读边敲代码,通过调试来加深理解。令我惊喜的是,书中还包含了一些“小挑战”或者“思考题”,这些题目往往需要读者运用书中学到的知识来解决一些实际问题,这极大地锻炼了我的独立思考和解决问题的能力。比如,书中有一个关于生产者-消费者问题的经典场景,它提供了几种不同的解决方案,并引导读者分析它们在性能和资源利用上的差异。此外,这本书还介绍了一些常用的并行编程工具和库,比如一些性能分析工具(profilers)和调试器(debuggers),这些工具对于发现和解决并行程序中的性能瓶颈和错误至关重要。我发现,通过使用这些工具,我能够更有效地找出程序中的问题,并加以改进。书中对于如何进行性能调优的讲解也十分深入,它不仅告诉我们“是什么”,更告诉我们“为什么”以及“如何做”,这对于我这样的初学者来说,简直是福音。

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《Parallel Programming》这本书在讲解并发与并行模型之间的区别与联系时,做得非常到位。我之前总是把这两个概念混为一谈,认为只要有多核处理器,程序就能自动并行运行。但这本书让我明白,并发(concurrency)和并行(parallelism)是两个不同的概念,并发是关于“同时处理多个任务”,而并行是关于“同时执行多个任务”。书中通过清晰的类比和示例,将这两个概念区分开来,并详细阐述了如何利用并发模型来构建更具响应性和鲁棒性的应用程序,例如使用异步编程模型(asynchronous programming models)和事件驱动模型(event-driven models)。同时,它又深入探讨了如何利用并行模型来提高计算密集型任务的吞吐量和执行速度。我特别欣赏书中关于“多线程”(multithreading)和“多进程”(multiprocessing)的比较分析,以及它们在不同操作系统和应用场景下的优劣势。书中还介绍了像“协程”(coroutines)这样的轻量级并发机制,以及它们在某些场景下的强大之处。最重要的是,这本书为我提供了一个更宏观的视角,让我能够根据不同的应用需求,选择最合适的并发或并行策略,而不是盲目地套用某种技术。

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这本书的组织结构非常合理,内容层次分明,让我能够按照自己的节奏循序渐进地学习。它从最基础的多线程和进程概念开始,逐渐深入到各种并行编程模型、算法和工具。每一章的内容都围绕着一个核心主题展开,并且前后章节之间有很好的衔接。我尤其喜欢的是,书中在介绍完一个重要的概念或技术后,都会安排一些相关的练习题或者案例分析,这有助于巩固所学知识,并加深理解。而且,书中还提供了详细的参考资料和进一步阅读的建议,对于那些希望深入研究某个特定领域的读者来说,非常有帮助。即使是书中一些非常复杂的主题,比如“分布式内存并行计算”或者“GPU并行编程”,作者也能够将其分解成更小的、易于理解的部分,并逐步进行讲解。这种结构化的学习方式,让我在面对庞大的并行编程领域时,不会感到无从下手,而是能够有条不紊地进行学习。

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这本书的最后一部分,关于“高级并行编程主题”的介绍,让我大开眼界。我之前一直以为我所学的并行编程知识已经足够应对大部分情况了,但《Parallel Programming》这本书却为我打开了一个新的世界。《Parallel Programming》这本书在介绍一些前沿的并行计算技术时,做得非常出色。例如,它深入浅出地介绍了“GPU并行计算”,包括CUDA(Compute Unified Device Architecture)和OpenCL(Open Computing Language)等编程模型,以及如何在GPU上进行数据并行和任务并行。我之前一直觉得GPU编程非常神秘,但通过这本书的讲解,我发现它并没有想象中那么难以掌握。书中详细解释了GPU的架构,以及如何利用其大规模并行性来加速计算密集型任务。此外,书中还探讨了一些更具挑战性的主题,比如“分布式共享内存”(distributed shared memory)系统,以及“异构计算”(heterogeneous computing)的未来发展趋势。它还涉及了一些关于“大规模并行处理”(massively parallel processing)的挑战,以及如何应对这些挑战。这本书不仅仅是教我如何写并行程序,更是让我对整个并行计算领域有了更深刻的认识,也让我对未来的技术发展充满了期待。

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《Parallel Programming》这本书在介绍并行编程的“性能优化”方面,绝对是点睛之笔。我一直以来都明白并行编程的目的是为了提高效率,但具体如何进行性能调优,我却知之甚少。《Parallel Programming》这本书非常系统地介绍了各种性能优化技术,从宏观的算法选择到微观的指令级并行。书中详细讲解了“缓存一致性”(cache coherence)、“内存访问模式”(memory access patterns)以及“指令级并行”(instruction-level parallelism)等概念,并说明了它们如何影响程序的性能。我特别喜欢书中关于“数据局部性”(data locality)的讨论,以及如何通过改变数据结构和访问顺序来提高缓存命中率。书中还介绍了一些常用的性能分析工具,比如 `perf` 和 `VTune`,并演示了如何使用这些工具来识别程序的性能瓶颈。而且,书中还涉及了“并行化与向量化”(parallelization and vectorization)的结合,以及如何利用SIMD(Single Instruction, Multiple Data)指令来进一步提升性能。我通过这本书,学到了很多之前从未接触过的性能优化技巧,感觉自己的程序性能有了质的飞跃。

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《Parallel Programming》这本书在介绍一些“陷阱”和“常见错误”方面,简直是太到位了!很多时候,我们在学习新的技术时,往往会忽略一些细节,从而在实际应用中犯下各种错误,导致程序出现各种难以预料的问题。这本书非常细致地列举了并行编程中一些非常容易让人“踩坑”的地方,比如“竞态条件”(race conditions)、“死锁”(deadlocks)、“饥饿”(starvation)以及“非确定性”(non-determinism)等等,并且详细解释了这些问题产生的原因以及如何避免。我印象特别深刻的是,书中用一个生动形象的例子来解释“死锁”,就像两辆汽车在狭窄的十字路口相遇,谁也不肯退让,最终都堵在了那里。作者还给出了很多实用的调试技巧和代码审查的建议,帮助我们尽早发现并解决这些潜在的问题。而且,书中还强调了“可测试性”(testability)的重要性,以及如何设计易于测试的并行程序。对于我这样的初学者来说,能够提前了解这些“坑”,并学会如何规避,无疑能节省大量的调试时间和精力。

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我必须说,这本书在介绍并行计算的一些高级概念时,简直是神来之笔。过去,我总是被各种并行编程模型和抽象层级弄得眼花缭乱,比如 MPI(Message Passing Interface)和 OpenMP(Open Multi-Processing)等,它们各自的适用场景和编程范式都大相径庭,让我难以抉择。但是,《Parallel Programming》这本书巧妙地将这些不同的模型一一展开,并且在对比分析中,让我深刻理解了它们之间的异同和适用边界。比如,它详细介绍了 MPI 在分布式内存环境下的消息传递机制,从点对点通信到集体通信(如广播、规约等),都给出了清晰的解释和实用的代码片段。我尤其喜欢书中对“通信开销”这个概念的深入剖析,以及如何通过优化通信模式来提升并行程序的效率。同样,OpenMP 在共享内存环境下的并行化策略,如任务并行、数据并行,以及各种指令的用法,也讲得非常透彻。书中还花了相当大的篇幅来讨论如何将串行程序逐步转化为并行程序,这其中涉及到的“并行化分解”(parallel decomposition)、“负载均衡”(load balancing)以及“通信与计算的重叠”(communication-computation overlap)等关键技术,在书中都有非常详尽的阐述和丰富的案例。我发现,书中的例子并非都是理论上的空谈,而是贴近实际应用场景,比如一些科学计算、图像处理等领域的并行化实践,这让我能够更直观地感受到并行编程的威力,也为我自己在实际项目中应用这些技术提供了宝贵的参考。

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在阅读《Parallel Programming》之前,我对“并行算法”这个概念一直模糊不清。我以为只要把一个串行算法用并行的方式写出来就可以了,但这本书彻底改变了我的认知。它深入浅出地解释了什么是真正的“并行算法”,以及如何从头开始设计一个高效的并行算法。书中从最基础的并行搜索和排序算法讲起,比如并行归并排序(parallel merge sort)和并行快速排序(parallel quicksort),详细分析了它们在并行模型下的实现原理和性能优势。我特别喜欢书中关于“数据划分”(data partitioning)和“任务划分”(task partitioning)策略的讲解,这两种不同的划分方式直接影响着并行程序的效率。书中还涉及了一些更高级的并行算法,比如并行图算法(parallel graph algorithms)和并行线性代数算法(parallel linear algebra algorithms),这些算法在科学计算和工程领域有着广泛的应用。我印象深刻的是,书中对于“并行归约”(parallel reduction)操作的讲解,这是一个在很多并行算法中都会遇到的基础操作,书中通过不同的实现方式,展示了如何有效地利用并行来加速这个过程。更重要的是,书中强调了在设计并行算法时,需要考虑的诸多因素,例如数据依赖性(data dependencies)、通信开销、负载均衡等等,这些都是决定一个并行算法能否成功的关键。

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