并行計算

內容概要

《并行計算:結構?算法?編程(第3版)》是并行計算系列叢書之開篇，它以并行計算為主題，圍繞并行計算機、并行算法和并行程序設計展開討論，強調融并行計算機體系結構、數(shù)值與非數(shù)值并行算法設計以及并行程序設計為一體，著力構建并行計算“結構-算法-編程-應用”完整的學科體系與系統(tǒng)的課程框架，在著重討論并行計算學科基礎核心內容的同時，也力圖反映本學科的新近成就和發(fā)展趨勢。
全書內容按照“并行結構-并行算法-并行編程-并行應用”的整體框架進行規(guī)劃，分為四篇。第一篇為并行計算硬件平臺；并行計算機，包括并行計算與計算機科學、并行計算機結構模型、系統(tǒng)互連與基本通信操作、典型并行計算機系統(tǒng)介紹和并行計算性能評測。第二篇為并行計算理論基礎：并行算法，分為上篇和下篇，其中上篇為并行算法設計，包括并行算法的基礎知識與并行計算模型、并行算法基本設計策略、常用設計技術和一般設計過程；下篇為并行數(shù)值算法，包括稠密矩陣運算、線性方程組求解、快速傅里葉變換和數(shù)值計算的基本支撐技術。第三篇為并行計算軟件支撐：并行編程，包括并行程序設計基礎、共享與分布存儲系統(tǒng)并行編程以及并行程序設計環(huán)境與工具。附錄篇為并行計算發(fā)展動力：并行應用，包括并行應用相關知識、大氣模型應用綜合練習、數(shù)值計算軟件包和工具以及三維傅里葉變換、并行圖像特征提取和水平井射孔滲流計算等三個應用實例。
《并行計算:結構?算法?編程（第3版）》體系完整，框架清晰，內容豐富，可作為高等學校計算機及相關專業(yè)的本科高年級學生和研究生的教學用書，也可供從事高性能并行計算工作的科技人員閱讀參考。
《并行計算:結構?算法?編程(第3版)》初版曾獲2000年度中國高?？茖W技術進步一等獎，該課程教學曾獲2009年度國家級教學成果二等獎。

作者簡介

陳國良，中國科學技術大學教授，博士生導師，中國科學院院士，首屆高等學校國家教學名師。1938年6月生于安徽省潁上縣，1961年畢業(yè)于西安交通大學計算數(shù)學與計算儀器專業(yè)。19811983年在美國普渡大學做訪問學者，1984年至今曾多次應邀赴東京大學、京都大學、普渡大學、澳大利亞國立大學、格里福斯大學、堪薩斯城市大學、艾奧瓦大學、香港城市大學、香港理工大學、澳門大學等講學交流。現(xiàn)任國家高性能計算中心(合肥)主任，國際高性能計算(亞洲)常務理事，教育部高等學校計算機基礎課程教學指導委員會主任，中國計算機學會理事和高性能計算專業(yè)委員會主任等。曾任國家教育部高等學校計算機科學與技術教學指導委員會副主任，全國高等教育電子、電工和信息類專業(yè)自考指導委員會副主任，安徽省計算機學會理事長，全國自然科學名詞審定委員會委員，中國科學技術大學計算機系主任等。陳國良教授長期從事計算機科學技術的研究與教學工作。主要研究領域為并行算法和高性能計算及其應用等。先后承擔10多項國家863計劃、國家攀登計劃、國家自然科學基金、國家973計劃等科研項目。取得了多項被國內外廣泛引用、達國際先進水平的科研成果，發(fā)表論文200多篇，出版著作9部、譯著5部，參與主編計算機類辭典、詞匯5部。曾獲國家科技進步二等獎、國家級教學成果二等獎、國家教育部科技進步一等獎、中國科學院科技進步二等獎、全國優(yōu)秀教材一等獎、水利部大禹一等獎、安徽省科技進步二等獎等20余項，并獲2001年度“國家863計劃15周年先進個人重要貢獻獎”和2009年度安徽省重大科技成就獎。長期以來，陳國良教授圍繞著并行算法的教學與研究，逐漸形成了一套完整的“算法理論-算法設計-算法實現(xiàn)”的并行算法學科體系，提出了“并行機結構-并行算法-并行編程-并行應用”一體化的并行計算研究方法，營造了我國并行算法類的教學基地。他先后指導培養(yǎng)研究生100多名，為我國培養(yǎng)了一批在國內外從事算法研究和教學的高級人才。曾榮獲1998年度安徽省教育系統(tǒng)勞動模范、安徽省優(yōu)秀教師稱號、2001年度寶鋼教育基金優(yōu)秀教師特等獎、2003年度第一屆高等學校教學名師獎。所帶領的“并行計算相關課程教學團隊”2009年被評為國家級教學團隊。陳國良教授是我國非數(shù)值并行算法研究的學科帶頭人。他率先創(chuàng)建的我國第一個國家高性能計算中心是我國并行算法研究、環(huán)境科學與工程計算軟件的重要基地，在學術界和教育界有一定的影響和地位。

書籍目錄

第一篇 并行計算硬件平臺：并行計算機第一章 并行計算與并行計算機結構模型1.1 計算與計算機科學1.1.1 科學發(fā)現(xiàn)的第三支柱；計算科學1.1.2 計算科學與計算機科學1.2 單處理機與指令級并行1.2.1 加快CPU執(zhí)行速度1.2.2 減少存儲延遲1.2.3 改善輸入和輸出以及網(wǎng)絡性能1.3 多核處理器與線程級并行1.3.1 單核處理器結構設計1.3.2 多核處理器結構設計1.3.3 多核處理器實例1.4 并行計算機體系結構1.4.1 并行計算機結構模型1.4.2 并行計算機訪存模型1.4.3 并行計算機存儲組織1.5 并行計算概述1.5.1 關于并行計算1.5.2 并行計算研究現(xiàn)狀1.6 小結和導讀習題第二章 并行計算機系統(tǒng)互連與基本通信操作2.1 并行計算機互連網(wǎng)絡2.1.1 系統(tǒng)互連2.1.2 靜態(tài)互連網(wǎng)絡2.1.3 動態(tài)互連網(wǎng)絡2.1.4 標準互連網(wǎng)絡2.2 選路方法與開關技術2.2.1 選路方法2.2.2 并關技術2.3 單一信包一到一傳輸2.4 一到多播送2.4.1 使用SF進行一到多播送2.4.2 使用CT進行一到多播送2.5 多到多播送2.5.1 使用SF進行多到多播送2.5.2 使用CT進行多到多播送2.6 小結和導讀習題第三章 典型并行計算機系統(tǒng)介紹3.1 共享存儲多處理機系統(tǒng)3.1.1 對稱多處理機SMP結構特性3.1.2 SGI Challenge系統(tǒng)3.2 分布存儲多計算機系統(tǒng)3.2.1 大規(guī)模并行處理機MPP結構特性3.2.2 ASCI Option Red MPP系統(tǒng)3.3 分布共享存儲計算機系統(tǒng)3.3.1 分布共享存儲計算機系統(tǒng)特性3.3.2 SGIOrigin2000系統(tǒng)3.4 機群系統(tǒng)3.4.1 大規(guī)模并行處理系統(tǒng)MPP機群SP23.4.2 工作站機群COW3.4.3 Berkeley的NOW計劃3.5 小結和導讀習題第四章 并行計算性能評測4.1 并行計算機的一些基本性能指標4.1.1 CPU和存儲器的某些基本性能指標4.1.2 通信開銷4.1.3 機器的成本、價格與性能價格比4.2 加速比性能定律4.2.1 Amdahl定律4.2.2 Gustafson定律4.2.3 Sun和Ni定律4.2.4 有關加速的討論4.3 可擴放性評測標準4.3.1 并行計算的可擴放性4.3.2 等效率度量標準4.3.3 等速度度量標準4.3.4 平均延遲度量標準4.3.5 有關可擴放性標準的討論4.4 基準測試程序4.4.1 基本的測試程序4.4.2 數(shù)學庫測試程序4.4.3 并行測試程序4.5 小結和導讀習題第二篇 并行計算理論基礎：并行算法（上）——并行算法設計第五章 并行算法與井行計算模型4.5.1 并行算法的基礎知識5.1.1 并行算法的定義和分類5.1.2 并行算法的表達5.1.3 并行算法的復雜性度量5.1.4 并行算法中的同步與通信5.2 并行計算模型5.2.1 PRAM模型5.2.2 異步PRAM模型5.2.3 BSP模型5.2.4 LogP模型5.2.5 對BSP和LogP的評注5.2.6 層次存儲模型5.2.7 分層并行計算模型5.3 小結和導讀習題第六章 并行算法基本設計策略6.1 串行算法的直接并行化6.1.1 設計策略描述6.1.2 快排序算法的并行化6.2 從問題描述開始設計并行算法6.2.1 串匹配算法6.2.2 KMP串行串匹配算法6.2.3 并行串匹配算法的設計思路6.3 借用已有算法求解新問題……第二篇 并行計算理論基礎：并行算法（下）——并行算法設計第三篇 并行計算軟件支撐：并行編程附錄篇 并行計算發(fā)展動力：并行應用索引參考文獻

章節(jié)摘錄

版權頁：插圖：2.并行算法設計模型并行算法設計模型是算法設計者和機器體系結構之間的橋梁，面向并行算法研究者，主要用來指導并行算法的設計與分析。并行算法設計模型重點關注算法的設計原理，確保設計出來的算法的正確性和較低的時間、空間復雜度。算法設計模型主要體現(xiàn)在如下3要素：機器參數(shù)（抽象出的CPU、Memory，I／O網(wǎng)絡參數(shù)等）、執(zhí)行行為（算法的同步、異步執(zhí)行等）、成本函數(shù)（算法的復雜度函數(shù)，它是機器參數(shù)的函數(shù)），其功能特性如圖5.5所示。3.并行程序設計模型并行程序設計模型是程序設計者與計算機軟／硬件的接口，主要負責把算法轉換成可在并行機上正確執(zhí)行的程序。并行算法設計出來后，需要考慮如何正確、方便、快速地在某種并行程序設計模型下用編程語言實現(xiàn)。并行程序設計模型也可以稱為并行程序編程模型，它為程序員提供了一些計算機軟／硬件的編程結構，隱藏了通信和任務調度的細節(jié)，在一定程度上簡化了并行程序的編寫。程序設計模型主要確保并行算法使用某種程序設計語言正確地在并行計算機上編程實現(xiàn)，盡量縮小與傳統(tǒng)串行編程模型的差異，讓串行程序設計人員可以快速地掌握并行程序編寫的方法，降低大規(guī)模并行程序設計的難度。一個成功的并行程序設計模型需要具有可編程性、可移植性、可擴展性及通用泛化性。通過提高并行程序設計模型和相應并行程序設計系統(tǒng)的抽象層次，屏蔽并行系統(tǒng)中的底層實現(xiàn)細節(jié)，支持通用的并行數(shù)據(jù)結構和并行程序的開發(fā)，最終提高程序的開發(fā)效率，其功能特性如圖5.6所示。當今流行的并行程序設計模型主要有大粒度的進程級的消息傳遞模型。

編輯推薦

《并行計算:結構?算法?編程(第3版)》編輯推薦：本套系列叢書中的《并行計算機體系結構》、《并行算法的設計與分析（第3版）》和《并行算法實踐》構成了并行計算三部曲。而《并行計算——結構?算法?編程（第3版）》為三部曲之序曲。《并行計算——結構?算法?編程（第3版）》以并行計算為主題，主要討論了并行計算的硬件平臺（并行計算機）、并行計算的理論基礎（并行算法）和并行計算的軟件支撐（并行程序設計），強調融并行計算機結構、并行算法設計和并行編程為一體，書中內容具有相當?shù)膹V度?！恫⑿杏嬎銠C體系結構》以當代可擴放并行計算機系統(tǒng)結構為主題，著重討論對稱多處理機、大規(guī)模并行處理機、機群系統(tǒng)和分布共享存儲多處理機系統(tǒng)的組成原理、結構特性、設計方法、性能分析以及應系統(tǒng)實例，書中內容強調了軟件破件相結合?！恫⑿兴惴ǖ脑O計與分析（第3版）》以并行計算模型為主線，系統(tǒng)深入地討論了計算機科學中諸多常用的數(shù)值和非數(shù)值計算問題的并行算法設計和分析方法，同時也力圖反映本學科的最新成就和發(fā)展趨勢，書中內容具有相當?shù)纳疃??！恫⑿兴惴▽嵺`》以并行算法編程實現(xiàn)為主題，詳細介紹了并行程序設計的有關內容，以及典型的非數(shù)值并行算法和數(shù)值并行算法的編程實現(xiàn)過程，書中內容體現(xiàn)了算法設計與實現(xiàn)相結合。

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