Software Design Methods for Concurrent and Real-Time Systems pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Addison-Wesley Professional

作者:Hassan Gomaa

出品人:

页数:464

译者:

出版时间:1993-8-10

价格:USD 69.99

装帧:Hardcover

isbn号码:9780201525779

丛书系列:

图书标签:

• 软件设计
• 并发系统
• 实时系统
• 设计方法
• 软件工程
• 并行编程
• 嵌入式系统
• 系统设计
• 计算机科学
• 软件架构

软件设计方法学：面向并发与实时系统 本书旨在为开发者、架构师和系统工程师提供一套系统性的软件设计方法学，专注于解决构建高可靠性、高性能的并发与实时系统所面临的独特挑战。 随着计算能力的飞速发展和应用场景的日益复杂，无论是嵌入式系统、分布式服务，还是人工智能驱动的复杂平台，对软件的响应速度、稳定性和资源利用率都提出了前所未有的要求。传统的设计理念和工具往往难以应对这些严苛的需求，特别是在处理多线程协作、时间约束、资源竞争和异常情况时。本书正是为了弥合这一鸿沟而生，它将深入剖析并发与实时系统的核心概念，并在此基础上，提供一系列经过实践检验的设计原则、模式和技术，指导读者如何从容应对这些复杂性，设计出健壮、高效且可维护的软件。 核心理念与基础构建： 本书的开篇将深入探讨并发与实时系统的基本概念。我们将首先厘清“并发”与“并行”的区别，理解多任务执行的不同模型，例如基于线程、进程、协程以及更高级的 Actor 模型。对于实时系统，我们则会区分硬实时（hard real-time）与软实时（soft real-time）的特性，以及对延迟、吞吐量和确定性（determinism）的根本性要求。在此基础上，我们会系统性地介绍状态机（state machines）作为建模并发行为的强大工具，并探讨如何利用有限状态机（FSM）和分层状态机（HSM）来清晰地描述和管理复杂的系统逻辑。 接着，本书将聚焦于并发控制的基石。我们将详细讲解锁（locks）和信号量（semaphores）等传统的同步机制，分析它们在不同场景下的适用性、潜在的死锁（deadlocks）和活锁（livelocks）风险，以及如何通过精心设计避免这些问题。在此基础上，我们将引入更现代、更高效的并发抽象，如条件变量（condition variables）、读写锁（read-write locks）和原子操作（atomic operations）。读者将学习如何利用这些工具来优化数据共享和任务协作，最大化系统吞吐量，同时保证数据的一致性。 实时性是本书的另一核心关注点。我们将深入探讨时间相关的设计问题，包括任务调度（task scheduling）的策略，如优先级抢占调度（preemptive priority scheduling）、循环调度（round-robin scheduling）以及更先进的比例份额调度（proportional-share scheduling）。读者将理解不同调度算法的权衡，以及如何根据系统需求选择最合适的调度机制。同时，我们将关注实时系统的计时机制，讲解精确计时、延时（delays）和超时（timeouts）的设计，以及如何处理时钟漂移（clock drift）和同步（synchronization）问题，以确保系统在严格的时间约束下运行。 核心设计原则与模式： 在打下坚实的基础后，本书将着重介绍一系列行之有效的软件设计原则和模式，这些原则和模式能够帮助开发者系统性地应对并发与实时系统的复杂性。 模块化与解耦： 我们将强调模块化设计的重要性，如何将复杂的系统分解为独立、可管理的组件。本书将深入探讨关注点分离（separation of concerns）的原则，以及如何利用接口（interfaces）和抽象（abstractions）来降低组件之间的耦合度。这对于构建可测试、可维护且易于扩展的并发系统至关重要。 事件驱动与消息传递： 对于许多并发系统而言，事件驱动（event-driven）架构和消息传递（message passing）是实现松耦合和异步通信的强大范式。我们将介绍基于消息队列（message queues）和发布/订阅（publish/subscribe）模型的系统设计，探讨如何有效地处理并发事件流，以及如何利用消息传递来避免共享内存带来的复杂同步问题。 状态管理与同步： 在并发环境中，正确地管理系统状态是至关重要的。本书将介绍多种状态管理技术，包括使用共享内存（shared memory）时的各种同步原语，以及更倾向于无共享（share-nothing）设计的分布式系统。我们将深入讨论并发数据结构（concurrent data structures），如线程安全的队列、映射和集合，以及它们的内部实现原理和性能特点。 错误处理与容错： 并发和实时系统往往面临着更高的故障率，因此健壮的错误处理和容错机制必不可少。本书将探讨各种错误检测（error detection）和错误恢复（error recovery）策略。我们将介绍断言（assertions）、异常处理（exception handling）在并发环境下的正确使用，以及如何设计具有韧性（resilience）的系统，使其能够在部分组件失效的情况下继续运行。死锁检测与预防机制也将被详细讨论。 设计模式的应用： 本书将系统性地介绍适用于并发与实时系统的经典设计模式，并结合实际案例进行讲解。我们将深入分析： 生产者-消费者模式（Producer-Consumer Pattern）： 如何使用队列和其他同步机制来协调数据产生者和数据消费者之间的工作。 读者-写者模式（Readers-Writer Pattern）： 如何在高并发读写场景下优化性能，同时保证数据一致性。 发布-订阅模式（Publish-Subscribe Pattern）： 如何实现组件之间的异步解耦，以及其在事件驱动架构中的应用。 Actors 模型： 探讨基于 Actor 的并发模型，例如使用 Akka 或 Erlang，及其在构建大规模分布式并发系统中的优势。 管道-过滤器模式（Pipeline-Filter Pattern）： 如何将复杂的数据处理流程分解为一系列可组合的阶段。 监控与健康检查： 如何设计系统来主动监控自身运行状态，并在出现异常时及时报警或进行自愈。 实时特定设计考虑： 除了通用并发设计原则，本书还将深入探讨实时系统特有的设计挑战和解决方案。 时序分析与预算： 我们将介绍执行时间分析（execution time analysis）的技术，包括最坏情况执行时间（WCET）的估算，以及如何进行时序预算（timing budgets）规划。这将帮助开发者理解任务的执行时间上限，并确保系统在最坏情况下也能满足实时要求。 优先级反转与优先级继承： 在基于优先级的调度系统中，优先级反转（priority inversion）是一个常见且难以解决的问题。本书将详细分析优先级反转的成因，并介绍优先级继承（priority inheritance）和优先级天花板（priority ceiling）等协议来有效解决这一问题。 中断处理与延迟： 中断（interrupts）是实时系统与外部事件交互的关键。我们将讲解高效的中断处理程序（ISR）的设计原则，包括最小化 ISR 的执行时间，以及如何避免 ISR 内部的阻塞操作。延迟（latency）是实时系统性能的关键指标，我们将分析不同类型的延迟（如中断延迟、任务切换延迟、消息传递延迟），并提供优化策略。 资源管理与避免拥塞： 实时系统通常运行在资源受限的环境中，因此高效的资源管理至关重要。本书将讨论如何进行内存管理（memory management）、CPU 调度（CPU scheduling）和 I/O 端口（I/O ports）的访问控制，以避免资源耗尽或过度竞争。我们将探讨避免拥塞（congestion avoidance）的技术，以及如何设计能够优雅地处理负载高峰的系统。 案例研究与实践指导： 为了更好地展示这些设计方法论的应用，本书将穿插多个来自不同领域的实际案例研究。这些案例将涵盖： 嵌入式实时控制系统： 例如汽车电子、航空航天中的传感器数据处理和执行控制。 分布式高并发服务： 例如在线交易系统、游戏服务器、物联网（IoT）平台。 高性能计算与科学模拟： 例如需要并行处理大量数据的计算密集型应用。 在每个案例研究中，我们将剖析原系统的设计挑战，逐步应用本书介绍的设计原则和模式，并分析最终的解决方案。通过这些具体的实践例子，读者将能够更直观地理解抽象概念如何转化为实际可行的设计。 高级主题与未来展望： 本书的最后部分还将触及一些更高级的主题，为读者提供更广阔的视野。我们将探讨： 形式化方法（Formal Methods）： 介绍如何使用数学工具来验证并发和实时系统的正确性，以达到更高的可靠性。 面向对象并发（Object-Oriented Concurrency）： 探讨如何将面向对象设计与并发编程相结合。 领域特定语言（DSL）的应用： 如何利用 DSL 来简化并发和实时系统的建模和开发。 软件工具与调试： 介绍用于分析并发行为、检测死锁、测量性能的各种工具和调试技术。 最后，本书将对并发与实时系统设计领域的未来发展趋势进行展望，包括人工智能在实时系统中的应用、更强大的硬件并发特性以及新型的分布式计算范式。 目标读者： 本书适合以下读者： 软件工程师和开发人员： 希望提升在并发和实时系统设计方面的能力，学习如何构建更可靠、更高效的软件。 系统架构师： 需要为复杂的系统选择合适的设计模式和技术栈，确保系统满足性能和可靠性要求。 嵌入式系统开发者： 专注于资源受限、对时序有严格要求的系统设计。 计算机科学专业的学生和研究人员： 深入理解并发与实时系统的理论基础和实践应用。 通过深入研读本书，读者将能够掌握设计、实现和维护高性能、高可靠性并发与实时系统的关键技能，并为应对日益复杂的软件挑战做好充分准备。

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