第1部分 基礎知識
第1章 多核計算概述 2
1.1 多核CPU概述 2
1.1.1 多核計算將成為發展趨勢 2
1.1.2 多核CPU硬件架構介紹 4
1.1.3 多核給程序員帶來的機遇和挑戰 6
1.2 多核編程會遇到那些問題 9
1.2.1 並發性問題 9
1.2.2 CPU飢餓問題 9
1.2.3 任務的分解與調度問題 10
1.2.4 加速比性能問題 11
1.2.5 節能環保問題 12
1.2.6 擴展性問題 13
1.3 多核編程與單核多綫程編程的區彆 13
1.3.1 鎖競爭導緻的串行化的區彆 13
1.3.2 綫程分解與執行的區彆 15
1.3.3 CPU核負載平衡的區彆 15
1.3.4 任務調度策略的區彆 15
1.3.5 CPU Cache存取的區彆（僞共享問題） 16
1.3.6 任務優先級搶占的區彆 18
1.3.7 串行計算與並行及分布式計算的區彆 19
1.4 多核編程與多機分布式編程的區彆 19
1.4.1 共享存儲與分布式存儲的區彆 19
1.4.2 分布式計算的區彆 20
1.4.3 編程環境上的區彆 20
1.5 加速比係數 20
1.5.1 阿姆達爾定律 20
1.5.2 Gustafson定律 22
1.5.3 阿姆達爾定律和Gustafson定律的等價性 24
1.5.4 Karp-Flatt度量 25
1.5.5 實際情況中影響加速比係數的因素 27
1.5.6 並行計算開銷情況下的加速比 27
1.6 鎖競爭問題及對加速比的影響 28
1.6.1 綫程粒度因子與鎖粒度因子 28
1.6.2 鎖競爭的性能情況 30
1.6.3 集中式鎖競爭中的加速比分析 31
1.6.4 隨機鎖競爭中的加速比分析 33
1.6.5 分布式鎖競爭的加速比分析 36
1.6.6 無鎖編程的加速比分析 40
1.7 負載平衡問題對加速比的影響 43
1.7.1 影響負載平衡的主要因素 43
1.7.2 負載平衡的評價指標 43
1.7.3 負載平衡情況下的加速比 44
1.8 參考文獻 44
第2章 多綫程編程基礎 2
2.1 多綫程編程基本概念 2
2.1.1 綫程 2
2.1.2 鎖 3
2.1.3 各種係統中常用的鎖操作及信號量操作函數 6
2.1.4 用C++實現鎖的自動釋放 8
2.1.5 原子操作 10
2.1.6 鎖與原子操作的區彆 14
2.1.7 有鎖計算、無鎖計算與本地計算的概念 15
2.2 各種鎖性能比較 15
2.2.1 各種鎖在單綫程情況下的性能 15
2.2.2 各種鎖在多綫程集中式鎖競爭情況下的性能 17
2.2.3 各種鎖在多綫程分布式鎖競爭情況下的性能 19
2.3 讀寫鎖算法 21
2.3.1 讀寫鎖概念的引齣 21
2.3.2 讀寫鎖算法的分析和實現 22
2.3.3 讀寫鎖的編碼實現 23
2.4 多綫程退齣算法 25
2.4.1 單個子綫程退齣算法 25
2.4.2 多個綫程訪問共享資源時的退齣 27
2.4.3 有鎖的多綫程資源釋放退齣算法實現 30
2.4.4 無鎖的退齣算法 32
2.4.5 多綫程退齣算法的使用 34
2.5 參考文獻 35
第3章 OpenMP程序設計 3
3.1 OpenMP基本概念 3
3.1.1 fork/join並行執行模式的概念 3
3.1.2 內存模型 5
3.1.3 性能例子 6
3.1.4 編譯器對OpenMP的支持 6
3.2 OpenMP編程模型 8
3.2.1 OpenMP編譯指導語句格式 8
3.2.2 OpenMP主要命令 9
3.2.3 OpenMP主要子句 10
3.2.4 OpenMP主要庫函數 10
3.3 綫程創建與工作分攤 11
3.3.1 parallel命令 11
3.3.2 for和parallel for命令 13
3.3.3 if子句（條件執行並行） 17
3.3.4 動態設置並行循環的綫程數量 17
3.3.5 循環並行化的問題 19
3.3.6 sections和section命令 21
3.3.7 single命令 23
3.3.8 master命令 24
3.4 數據處理 25
3.4.1 private子句 25
3.4.2 firstprivate子句 26
3.4.3 lastprivate子句 26
3.4.4 threadprivate子句 27
3.4.5 shared子句 28
3.4.6 default子句 28
3.4.7 reduction子句 29
3.4.8 copyin子句 30
3.4.9 copyprivate子句 31
3.5 任務調度 32
3.5.1 Schedule子句用法 33
3.5.2 靜態調度(static) 33
3.5.3 動態調度(dynamic) 35
3.5.4 guided調度（guided） 36
3.5.5 runtime調度（rumtime） 37
3.5.6 任務調度與僞共享問題 37
3.6 綫程間的同步 37
3.6.1 barrier命令 37
3.6.2 critical命令 38
3.6.3 atomic命令 39
3.6.4 ordered命令和子句 40
3.6.5 nowait子句 41
3.6.6 flush命令 42
3.7 OpenMP庫函數詳解 43
3.7.1 執行環境函數 43
3.7.2 鎖操作函數 45
3.7.3 時間操作函數 47
3.8 OpenMP環境變量 47
3.8.1 OMP_DYNAMIC 47
3.8.2 OMP_NUM_THREADS 48
3.8.3 OMP_NESTED 48
3.8.4 OMP_SCHEDULE 48
3.9 OpenMP內部控製變量及相關流程 48
3.9.1 內部控製變量 48
3.9.2 任務調度流程 49
3.9.3 綫程數量決定流程 50
3.10 參考文獻： 52
第二部份 基礎數據結構與算法
第4章 數組 1
4.1 棧 2
4.1.1 棧的基本概念 2
4.1.2 棧的編碼實現 3
4.1.3 多綫程棧的實現 6
4.2 對數組進行快速排序 8
4.2.1 排序算法介紹 8
4.2.2 串行快速排序基本思想 9
4.2.3 串行快速排序的代碼實現 11
4.2.4 非遞歸的快速排序算法 12
4.2.5 快速排序算法的復雜度分析 16
4.3 對數組進行查找 17
4.3.1 順序查找 17
4.3.2 二分查找 17
4.4 實例：用數組管理一個HOOK功能 19
4.4.1 單個函數的HOOK實現 19
4.4.2 多個函數的HOOK實現 20
4.4.3 HOOK功能的應用簡介 25
4.4.4 HOOK使用的注意事項 25
4.5 參考文獻 25
第5章 鏈錶 2
5.1 單嚮鏈錶 2
5.1.1 存儲錶示 2
5.1.2 接口設計 3
5.1.3 添加節點到鏈錶頭部 4
5.1.4 基本功能編碼實現 6
5.2 單嚮鏈錶的排序 13
5.2.1 插入排序 13
5.2.2 歸並插入排序 15
5.3 雙嚮鏈錶 19
5.3.1 雙嚮鏈錶的基本概念 19
5.3.2 雙嚮鏈錶的設計 20
5.3.3 雙嚮鏈錶的操作接口 21
5.3.4 雙嚮鏈錶的編碼實現 21
5.4 鏈錶的逐個節點遍曆 33
5.4.1 逐個節點遍曆基本概念 33
5.4.2 逐個節點遍曆編碼實現 34
5.5 多綫程遍曆算法 35
5.5.1 多綫程鏈錶的設計和編碼實現 35
5.5.2 多綫程鏈錶的4種遍曆方案 38
5.5.3 多個綫程同時遍曆的情況 42
5.6 實例：使用鏈錶管理短信息係統的CACHE 42
5.6.1 短信息係統的CACHE管理基本概念 42
5.6.2 短信息係統的發送和接收分析 43
5.6.3 短信息係統CACHE管理的編碼實現 44
第6章 哈希錶 1
6.1 哈希錶 2
6.1.1 哈希錶的基本概念 2
6.1.2 哈希錶的索引方法 3
6.1.3 哈希錶的衝突解決方法 5
6.1.4 哈希錶基本操作的源代碼 6
6.2 哈希鏈錶 12
6.2.1 哈希錶和數組、鏈錶的效率比較 12
6.2.2 時間效率和空間效率的關係 13
6.2.3 哈希鏈錶的基本概念 14
6.2.4 哈希鏈錶的操作 14
6.2.5 哈希鏈錶的編碼實現 16
6.3 實例：WebServer的動態CACHE文件管理 24
6.3.1 WebServer的動態CACHE文件管理基本概念 24
6.3.2 CACHE文件管理功能的設計 25
6.3.3 CACHE文件管理功能的編碼實現 26
6.4 參考文獻 31
第7章 普通樹與二叉樹 2
7.1 普通樹 2
7.1.1 普通樹的描述方法 2
7.1.2 樹的操作接口設計 2
7.1.3 樹的遍曆算法 3
7.1.4 樹的編碼實現 5
7.1.5 使用樹的遍曆算法來實現Xcopy功能 10
7.2 二叉樹 12
7.2.1 二叉樹的基本概念 12
7.2.2 二叉樹的樹梢及二叉樹的高度 13
7.2.3 二叉樹的描述方法 14
7.3 二叉排序樹 14
7.3.1 二叉排序樹的基本概念 14
7.3.2 二叉排序樹的查找 15
7.3.3 二叉排序樹的插入 16
7.3.4 二叉排序樹的刪除 18
7.3.5 二叉排序樹的遍曆 21
7.3.6 二叉排序樹的鏇轉操作 22
第8章 AVL搜索樹 2
8.1 AVL搜索樹的基本概念 2
8.2 AVL搜索樹的插入 3
8.2.1 插入操作需要考慮的問題 3
8.2.2 不存在不平衡節點的情況分析 4
8.2.3 不平衡A節點的情況分析 5
8.2.4 存在不平衡節點的四種情況分析 5
8.2.5 LL型不平衡情況的調整 7
8.2.6 LR型不平衡情況的調整 7
8.2.7 插入操作的僞代碼描述 8
8.3 AVL搜索樹的刪除 11
8.3.1 A節點的確定 11
8.3.2 幾種不平衡情況的分析 13
8.3.3 L0型調整分析 15
8.3.4 L-1型調整分析 15
8.3.5 L1型調整分析 16
8.3.6 刪除操作的僞代碼描述 17
8.4 負載平衡的AVL樹 19
8.4.1 基本概念的引齣 19
8.4.2 插入操作中負載因子的調整 19
8.4.3 刪除操作中負載因子的調整 21
8.4.4 L0和L-1型調整分析 24
8.4.5 L1型調整分析 24
8.5 AVL樹的源代碼 25
8.5.1 數據結構定義 25
8.5.2 創建、釋放、查找等操作 26
8.5.3 鏇轉操作函數 28
8.5.4 插入操作函數 30
8.5.5 刪除操作函數 36
8.6 參考文獻 43
第9章 復閤二叉樹 ……………………………………………………………………
9.1 哈希紅黑樹……………………………………………………………………
9.1.1 哈希紅黑樹的基本概念…………………………………………………
9.1.1 哈希紅黑樹的查找…………………………………………………
9.1.3 哈希紅黑樹的插入…………………………………………………
9.1.4 哈希紅黑樹的刪除…………………………………………………
9.1.5 哈希紅黑樹的釋放…………………………………………………
9.1.6 哈希紅黑樹的遍曆…………………………………………………
9.1.7 哈希紅黑樹的編碼實現…………………………………………………
9.1.8 哈希紅黑樹的效率分析…………………………………………………
9.2 哈希AVL樹……………………………………………………………
9.2.1 哈希AVL樹的基本概念…………………………………………………
9.2.2 哈希AVL樹的查找…………………………………………………
9.2.3 哈希AVL樹的插入…………………………………………………
9.2.4 哈希AVL樹的刪除…………………………………………………
9.2.5 哈希AVL樹的釋放…………………………………………………
9.2.6 哈希AVL樹的遍曆…………………………………………………
9.2.7 哈希AVL樹的編碼實現…………………………………………………
9.3 復閤數據結構的分類……………………………………………………………
9.4 抗DoS/DdoS攻擊的實例…………………………………………………
9.4.1 DoS/DdoS攻擊的概念…………………………………………………
9.4.2 常見DoS/DdoS攻擊手段及防範策略……………………………………
9.4.3 抗DoS/DdoS攻擊的實現…………………………………………………
9.4.4 抗DoS/DdoS攻擊的編碼實現…………………………………………………
9.5 參考文獻………………………………………………………………………
第3部分 並行計算
第10章 並行程序設計模式 1
10.1 基本概念 1
10.1.1 強並行計算與弱並行計算 1
10.1.2 並行程序設計模式的基本思路 2
10.2 模式數據分解模式 2
10.3 分治模式 3
10.3.1 子問題求解時的負載平衡問題 3
10.3.2 子問題的解的閤並可能引起的串行化問題 4
10.4 流水綫模式 4
10.5 任務並行模式 5
10.6 任務調度模式 6
10.6.1 任務圖調度模式 6
10.6.2 動態任務調度模式 7
第11章 並行搜索 1
11.1 並行順序搜索 1
11.1.1 並行搜索指定數據 2
11.1.2 並行搜索最大數 2
11.1.3 終止檢測算法 4
11.2 串行Dijkstra最短路徑搜索 9
11.2.1 Dijkstra最短路徑算法的描述 9
11.2.2 Dijkstra最短路徑算法的過程圖解 9
11.2.3 僞代碼描述 11
11.2.4 算法流程圖 12
11.2.5 C/C++代碼實現 14
11.3 並行最短路徑算法 17
11.3.1 Dijkstra算法的並行化 17
11.3.2 並行Dijkstra算法的代碼實現 18
11.3.3 其他並行最短路徑算法的介紹和分析 22
11.4 參考文獻 23
第12章 並行排序 2
12.1 並行排序概述 2
12.2 冒泡排序 2
12.2.1 串行冒泡排序 2
12.2.2 奇偶排序 4
12.3 快速排序 6
12.3.1 串行快速排序基本思想 6
12.3.2 串行快速排序的代碼實現 9
12.3.3 快速排序並行化方法 10
12.3.4 開源項目mcstl中的並行快速排序 11
12.3.5 基於任務竊取的快速排序 11
12.4 並行歸並排序 11
12.4.1 串行歸並算法 11
12.4.2 Cole並行歸並算法 12
12.4.3 並行快速歸並排序 13
12.5 基數排序 13
12.5.1 串行鏈式基數排序 13
12.5.2 串行數組基數排序 15
12.5.3 一步到位的分層排序 18
12.5.4 負載平衡的並行基數排序 18
12.5.5 分區的並行基數排序 22
第13章 並行數值計算 1
13.1 多核並行數值計算麵臨的問題 1
13.1.1 Cache的命中率問題 1
13.1.2 僞共享問題 2
13.2 求和及前綴求和 4
13.3 矩陣相加 4
13.4 矩陣相乘 4
13.4.1 基本概念 4
13.4.2 串行算法 4
13.4.3 並行算法 5
13.5 矩陣嚮量相乘 6
13.6 並行隨機數生成 6
13.7 參考文獻 6
第4部分 共享資源分布式計算
第14章 分布式計算設計模式 2
14.1 基本概念 2
14.1.1 共享資源的計算分解 2
14.1.2 共享資源計算的負載均衡問題 2
14.1.3 共享資源計算的算法設計思路與方法 3
14.2 綫程分組競爭模式 3
14.2.1 標準的綫程分組競爭模式 4
14.2.2 綫程分組競爭模式的變種 4
14.3 綫程隨機競爭模式 6
14.3.1 基本概念 6
14.3.2 加速比性能的保證 6
14.4 數據本地化模式 8
14.4.1 取得比單核多綫程更好的性能 8
14.4.2 數據本地化模式 8
14.4.3 優缺點分析 10
14.5 分布式數據結構設計 11
14.5.1 復閤數據結構設計方法 11
14.5.2 分布式數據結構設計 12
14.5.3 分布式數據結構主要問題 12
14.6 參考文獻 12
第15章 分布式隊列 2
15.1 串行隊列 2
15.1.1 簡單環形隊列 2
15.1.2 STL中的Deque 2
15.1.3 動態環形隊列 2
15.2 隊列池 2
15.2.1 共享隊列 2
15.2.2 消息隊列 2
15.2.3 隊列池 2
15.2.4 隊列池的幾種實現方案 6
15.2.5 隊列池的使用實例 6
15.3 帶本地計算的分布式隊列 6
15.3.1 基本思想 6
15.3.2 本地化隊列的實現 6
15.3.3 任務偷取隊列的實現 6
15.3.4 分布式隊列的實現 6
15.3.5 綫程池CThreadPool的實現 6
15.3.6 綫程池CThreadPool的代碼實現 7
15.3.7 CDistributedQueue源代碼 10
15.3.8 CDistributedQueue的使用實例 10
第16章 分布式查找 2
16.1 多核中查找的問題與主要思路 2
16.2 靜態負載平衡的二級查找結構設計 4
16.2.1 二級查找結構設計 4
16.2.2 分布式哈希AVL樹 7
16.2.3 分布式順序AVL樹 7
16.3 動態負載平衡的多級查找結構設計 7
16.3.1 分布式查找中的負載平衡問題 7
16.3.2 多級查找結構設計方法 10
16.3.3 多級查找錶的查找算法 13
16.3.4 多級查找錶的插入操作算法 14
16.3.5 多級查找錶的刪除操作算法 16
16.3.6 多級順序錶 18
16.3.7 多級索引AVL樹 18
16.3.8 分布式哈希多級AVL樹 18
16.3.9 分布式順序多級AVL樹 18
16.4 多核環境中查找算法的選用方法 18
16.5 動態WebCache設計實例 19
第17章 分布式內存管理 2
17.1 多核內存管理的基本思想 2
17.1.1 內存管理方麵的需求 2
17.1.2 多核係統中的內存管理思路 3
17.2 等尺寸內存管理 4
17.2.1 Freelist內存管理基本概念 4
17.2.2 Freelist編碼實現 6
17.2.3 FreeLists內存管理 9
17.3 Intel 開源項目TBB中的內存管理 12
17.3.1 僞共享問題 12
17.3.2 Cache對齊的內存管理 12
17.3.3 數據結構 14
17.3.4 將內存管理器映射到綫程 16
17.3.5 分配和釋放算法 19
17.3.6 綫程退齣時的內存迴收 24
17.4 搶奪式內存管理算法 24
17.4.1 算法基本思想 24
17.4.2 碎片重組迴收利用技術 26
17.4.3 搶奪式算法的詳細算法流程 28
17.4.4 代碼實現 31
17.5 僞共享問題的深入分析 47
17.5.1 內存釋放時的僞共享問題 47
17.5.2 僞共享問題的概率分析 48
17.5.3 用戶程序使用內存過程中的僞共享問題 50
17.5.4 分布式內存管理的進一步改進措施 51
17.6 參考文獻 53
第5部分 任務分解與調度
第18章 任務圖分解與調度 2
18.1 任務分解與調度的問題 2
18.1.1 使用OpenMP調度的問題 2
18.1.2 任務圖調度模型 3
18.1.3 任務圖調度算法簡介 5
18.2 任務組調度算法 6
18.2.1 基本思路 6
18.2.2 任務組調度算法 7
18.2.3 算法流程圖 11
18.2.4 數據結構與接口設計 13
18.2.5 代碼實現 15
18.2.6 任務組調度的應用分析 21
18.2.7 誤差下降調度算法 21
18.3 任務圖調度算法 24
18.3.1 任務圖的分層算法 24
18.3.2 分層算法過程圖解 26
18.3.3 數據結構和接口設計 29
18.3.4 分層算法的代碼實現 31
18.3.5 任務調度器的代碼實現 33
18.3.6 實例：任務圖調度器的使用 35
18.4 手工任務分解的原則和方法 37
18.4.1 任務間負載均衡的影響因素 37
18.4.2 任務分解原則和方法 38
18.5 參考文獻 39
第19章 動態任務分解與調度 1
19.1 動態任務分解的兩種類型 1
19.2 非嵌套型動態任務調度 2
19.2.1 網絡服務器軟件中的任務調度 2
19.2.2 使用分布式隊列的調度方法 4
19.2.3 CTaskScheduler的設計 7
19.2.4 CTaskScheduler的代碼實現 9
19.3 嵌套型動態任務調度 11
19.3.1 基本思想 11
19.3.2 CNestTaskScheduler的設計 11
19.3.3 CNestTaskScheduler的代碼實現 13
19.3.4 CNestTaskScheduler使用方法 15
19.4 實例：用任務調度器實現parallel_for 15
19.5 參考文獻 15
附錄1 ：Lock-Free編程基礎 2
$1.1 Lock-Free編程基本概念和問題 2
$1.1.1 CAS原子操作 2
$1.1.2 ABA問題 3
$1.1.3 ABA問題的解決方法 5
$1.1.4 內存刪除問題 6
$1.1.5 數據競爭問題 8
$1.2 Lock-Free的隊列 8
$1.2.1 無鎖隊列的鏈式實現方法 8
$1.2.2 串行實現方法 10
$1.2.3 齣隊操作的Lock-Free實現 11
$1.2.4 進隊操作的Lock-Free實現 13
$1.2.5 CLockFreeQueue的實現代碼 14
$1.3 Lock-Free程序的問題分析 16
$1.4 參考文獻 17
· · · · · · (
收起)
