多核計算與程序設計

第1部分 基礎知識
1 多核計算概述
1.1 多核CPU概述
1.1.1 多核計算將成為發(fā)展趨勢
1.1.2 多核CPU硬件架構介紹
1.1.3 多核給程序員帶來的機遇和挑戰(zhàn)
1.2 多核編程會遇到那些問題
1.2.1 并發(fā)性問題
1.2.2 CPU饑餓問題
1.2.3 任務的分解與調度問題
1.2.4 加速比性能問題
1.2.5 節(jié)能環(huán)保問題
1.2.6 擴展性問題
1.3 多核編程與單核多線程編程的區(qū)別
1.3.1 鎖競爭導致的串行化的區(qū)別
1.3.2 線程分解與執(zhí)行的區(qū)別
1.3.3 CPU核負載平衡的區(qū)別
1.3.4 任務調度策略的區(qū)別
1.3.5 CPU Cache存取的區(qū)別（偽共享問題）
1.3.6 任務優(yōu)先級搶占的區(qū)別
1.3.7 串行計算與并行及分布式計算的區(qū)別
1.4 多核編程與多機分布式編程的區(qū)別
1.4.1 共享存儲與分布式存儲的區(qū)別
1.4.2 分布式計算的區(qū)別
1.4.3 編程環(huán)境上的區(qū)別
1.5 加速比系數(shù)
1.5.1 阿姆達爾定律
1.5.2 Gustafson定律
1.5.3 阿姆達爾定律和Gustafson定律的等價性
1.5.4 Karp-Flatt度量
1.5.5 實際情況中影響加速比系數(shù)的因素
1.5.6 并行計算開銷情況下的加速比
1.6 鎖競爭問題及對加速比的影響
1.6.1 線程粒度因子與鎖粒度因子
1.6.2 鎖競爭的性能情況
1.6.3 集中式鎖競爭中的加速比分析
1.6.4 隨機鎖競爭中的加速比分析
1.6.5 分布式鎖競爭的加速比分析
1.6.6 無鎖編程的加速比分析
1.7 負載平衡問題對加速比的影響
1.7.1 影響負載平衡的主要因素
1.7.2 負載平衡的評價指標
1.7.3 負載平衡情況下的加速比
1.8 參考文獻
2 多線程編程基礎
2.1 多線程編程基本概念
2.1.1 線程
2.1.2 鎖
2.1.3 各種系統(tǒng)中常用的鎖操作及信號量操作函數(shù)
2.1.4 用C++實現(xiàn)鎖的自動釋放
2.1.5 原子操作
2.1.6 鎖與原子操作的區(qū)別
2.1.7 有鎖計算、無鎖計算與本地計算的概念
2.2 各種鎖性能比較
2.2.1 各種鎖在單線程情況下的性能
2.2.2 各種鎖在多線程集中式鎖競爭情況下的性能
2.2.3 各種鎖在多線程分布式鎖競爭情況下的性能
2.3 讀寫鎖算法
2.3.1 讀寫鎖概念的引出
2.3.2 讀寫鎖算法的分析和實現(xiàn)
2.3.3 讀寫鎖的編碼實現(xiàn)
2.4 多線程退出算法
2.4.1 單個子線程退出算法
2.4.2 多個線程訪問共享資源時的退出
2.4.3 有鎖的多線程資源釋放退出算法實現(xiàn)
2.4.4 無鎖的退出算法
2.4.5 多線程退出算法的使用
2.5 參考文獻
3 OpenMP程序設計
3.1 OpenMP基本概念
3.1.1 fork/join并行執(zhí)行模式的概念
3.1.2 內存模型
3.1.3 性能例子
3.1.4 編譯器對OpenMP的支持
3.2 OpenMP編程模型
3.2.1 OpenMP編譯指導語句格式
3.2.2 OpenMP主要命令
3.2.3 OpenMP主要子句
3.2.4 OpenMP主要庫函數(shù)
3.3 線程創(chuàng)建與工作分攤
3.3.1 parallel命令
3.3.2 for和parallel for命令
3.3.3 if子句（條件執(zhí)行并行）
3.3.4 動態(tài)設置并行循環(huán)的線程數(shù)量
3.3.5 循環(huán)并行化的問題
3.3.6 sections和section命令
3.3.7 single命令
3.3.8 master命令
3.4 數(shù)據(jù)處理
3.4.1 private子句
3.4.2 firstprivate子句
3.4.3 lastprivate子句
3.4.4 threadprivate子句
3.4.5 shared子句
3.4.6 default子句
3.4.7 reduction子句
3.4.8 copyin子句
3.4.9 copyprivate子句
3.5 任務調度
3.5.1 Schedule子句用法
3.5.2 靜態(tài)調度(static)
3.5.3 動態(tài)調度(dynamic)
3.5.4 guided調度（guided）
3.5.5 runtime調度（rumtime）
3.5.6 任務調度與偽共享問題
3.6 線程間的同步
3.6.1 barrier命令
3.6.2 critical命令
3.6.3 atomic命令
3.6.4 ordered命令和子句
3.6.5 nowait子句
3.6.6 flush命令
3.7 OpenMP庫函數(shù)詳解
3.7.1 執(zhí)行環(huán)境函數(shù)
3.7.2 鎖操作函數(shù)
3.7.3 時間操作函數(shù)
3.8 OpenMP環(huán)境變量
3.8.1 OMP_DYNAMIC
3.8.2 OMP_NUM_THREADS
3.8.3 OMP_NESTED
3.8.4 OMP_SCHEDULE
3.9 OpenMP內部控制變量及相關流程
3.9.1 內部控制變量
3.9.2 任務調度流程
3.9.3 線程數(shù)量決定流程
3.10 參考文獻
第2部份 基礎數(shù)據(jù)結構與算法
4 數(shù)組
4.1 棧
4.1.1 棧的基本概念
4.1.2 棧的編碼實現(xiàn)
4.1.3 多線程棧的實現(xiàn)
4.2 對數(shù)組進行快速排序
4.2.1 排序算法介紹
4.2.2 串行快速排序基本思想
4.2.3 串行快速排序的代碼實現(xiàn)
4.2.4 非遞歸的快速排序算法
4.2.5 快速排序算法的復雜度分析
4.3 對數(shù)組進行查找
4.3.1 順序查找
4.3.2 二分查找
4.4 實例：用數(shù)組管理一個HOOK功能
4.4.1 單個函數(shù)的HOOK實現(xiàn)
4.4.2 多個函數(shù)的HOOK實現(xiàn)
4.4.3 HOOK功能的應用簡介
4.4.4 HOOK使用的注意事項
4.5 參考文獻
5 鏈表
5.1 單向鏈表
5.1.1 存儲表示
5.1.2 接口設計
5.1.3 添加節(jié)點到鏈表頭部
5.1.4 基本功能編碼實現(xiàn)
5.2 單向鏈表的排序
5.2.1 插入排序
5.2.2 歸并插入排序
5.3 雙向鏈表
5.3.1 雙向鏈表的基本概念
5.3.2 雙向鏈表的設計
5.3.3 雙向鏈表的操作接口
5.3.4 雙向鏈表的編碼實現(xiàn)
5.4 鏈表的逐個節(jié)點遍歷
5.4.1 逐個節(jié)點遍歷基本概念
5.4.2 逐個節(jié)點遍歷編碼實現(xiàn)
5.5 多線程遍歷算法
5.5.1 多線程鏈表的設計和編碼實現(xiàn)
5.5.2 多線程鏈表的4種遍歷方案
5.5.3 多個線程同時遍歷的情況
5.6 實例：使用鏈表管理短信息系統(tǒng)的CACHE
5.6.1 短信息系統(tǒng)的CACHE管理基本概念
5.6.2 短信息系統(tǒng)的發(fā)送和接收分析
5.6.3 短信息系統(tǒng)CACHE管理的編碼實現(xiàn)
6 哈希表
6.1 哈希表
6.1.1 哈希表的基本概念
6.1.2 哈希表的索引方法
6.1.3 哈希表的沖突解決方法
6.1.4 哈希表基本操作的源代碼
6.2 哈希鏈表
6.2.1 哈希表和數(shù)組、鏈表的效率比較
6.2.2 時間效率和空間效率的關系
6.2.3 哈希鏈表的基本概念
6.2.4 哈希鏈表的操作
6.2.5 哈希鏈表的編碼實現(xiàn)
6.3 實例：WebServer的動態(tài)CACHE文件管理
6.3.1 WebServer的動態(tài)CACHE文件管理基本概念
6.3.2 CACHE文件管理功能的設計
6.3.3 CACHE文件管理功能的編碼實現(xiàn)
6.4 參考文獻
7 普通樹與二叉樹
7.1 普通樹
7.1.1 普通樹的描述方法
7.1.2 樹的操作接口設計
7.1.3 樹的遍歷算法
7.1.4 樹的編碼實現(xiàn)
7.1.5 使用樹的遍歷算法來實現(xiàn)Xcopy功能
7.2 二叉樹
7.2.1 二叉樹的基本概念
7.2.2 二叉樹的樹梢及二叉樹的高度
7.2.3 二叉樹的描述方法
7.3 二叉排序樹
7.3.1 二叉排序樹的基本概念
7.3.2 二叉排序樹的查找
7.3.3 二叉排序樹的插入
7.3.4 二叉排序樹的刪除
7.3.5 二叉排序樹的遍歷
7.3.6 二叉排序樹的旋轉操作
8 AVL搜索樹
8.1 AVL搜索樹的基本概念
8.2 AVL搜索樹的插入
8.2.1 插入操作需要考慮的問題
8.2.2 不存在不平衡節(jié)點的情況分析
8.2.3 不平衡A節(jié)點的情況分析
8.2.4 存在不平衡節(jié)點的四種情況分析
8.2.5 LL型不平衡情況的調整
8.2.6 LR型不平衡情況的調整
8.2.7 插入操作的偽代碼描述
8.3 AVL搜索樹的刪除
8.3.1 A節(jié)點的確定
8.3.2 幾種不平衡情況的分析
8.3.3 L0型調整分析
8.3.4 L-1型調整分析
8.3.5 L1型調整分析
8.3.6 刪除操作的偽代碼描述
8.4 負載平衡的AVL樹
8.4.1 基本概念的引出
8.4.2 插入操作中負載因子的調整
8.4.3 刪除操作中負載因子的調整
8.4.4 L0和L-1型調整分析
8.4.5 L1型調整分析
8.5 AVL樹的源代碼
8.5.1 數(shù)據(jù)結構定義
8.5.2 創(chuàng)建、釋放、查找等操作
8.5.3 旋轉操作函數(shù)
8.5.4 插入操作函數(shù)
8.5.5 刪除操作函數(shù)
8.6 參考文獻
9 復合二叉樹
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 哈希紅黑樹的遍歷
9.1.7 哈希紅黑樹的編碼實現(xiàn)
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樹的遍歷
9.2.7 哈希AVL樹的編碼實現(xiàn)
9.3 復合數(shù)據(jù)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攻擊手段及防范策略
9.4.3 抗DoS/DdoS攻擊的實現(xiàn)
9.4.4 抗DoS/DdoS攻擊的編碼實現(xiàn)
9.5 參考文獻
第3部分 并行計算
10 并行程序設計模式
10.1 基本概念
10.1.1 強并行計算與弱并行計算
10.1.2 并行程序設計模式的基本思路
10.2 模式數(shù)據(jù)分解模式
10.3 分治模式
10.3.1 子問題求解時的負載平衡問題
10.3.2 子問題的解的合并可能引起的串行化問題
10.4 流水線模式
10.5 任務并行模式
10.6 任務調度模式
10.6.1 任務圖調度模式
10.6.2 動態(tài)任務調度模式
11 并行搜索
11.1 并行順序搜索
11.1.1 并行搜索指定數(shù)據(jù)
11.1.2 并行搜索最大數(shù)
11.1.3 終止檢測算法
11.2 串行Dijkstra最短路徑搜索
11.2.1 Dijkstra最短路徑算法的描述
11.2.2 Dijkstra最短路徑算法的過程圖解
11.2.3 偽代碼描述
11.2.4 算法流程圖
11.2.5 C/C++代碼實現(xiàn)
11.3 并行最短路徑算法
11.3.1 Dijkstra算法的并行化
11.3.2 并行Dijkstra算法的代碼實現(xiàn)
11.3.3 其他并行最短路徑算法的介紹和分析
11.4 參考文獻
12 并行排序
12.1 并行排序概述
12.2 冒泡排序
12.2.1 串行冒泡排序
12.2.2 奇偶排序
12.3 快速排序
12.3.1 串行快速排序基本思想
12.3.2 串行快速排序的代碼實現(xiàn)
12.3.3 快速排序并行化方法
12.3.4 開源項目mcstl中的并行快速排序
12.3.5 基于任務竊取的快速排序
12.4 并行歸并排序
12.4.1 串行歸并算法
12.4.2 Cole并行歸并算法
12.4.3 并行快速歸并排序
12.5 基數(shù)排序
12.5.1 串行鏈式基數(shù)排序
12.5.2 串行數(shù)組基數(shù)排序
12.5.3 一步到位的分層排序
12.5.4 負載平衡的并行基數(shù)排序
12.5.5 分區(qū)的并行基數(shù)排序
13 并行數(shù)值計算
13.1 多核并行數(shù)值計算面臨的問題
13.1.1 Cache的命中率問題
13.1.2 偽共享問題
13.2 求和及前綴求和
13.3 矩陣相加
13.4 矩陣相乘
13.4.1 基本概念
13.4.2 串行算法
13.4.3 并行算法
13.5 矩陣向量相乘
13.6 并行隨機數(shù)生成
13.7 參考文獻
第4部分 共享資源分布式計算
14 分布式計算設計模式
14.1 基本概念
14.1.1 共享資源的計算分解
14.1.2 共享資源計算的負載均衡問題
14.1.3 共享資源計算的算法設計思路與方法
14.2 線程分組競爭模式
14.2.1 標準的線程分組競爭模式
14.2.2 線程分組競爭模式的變種
14.3 線程隨機競爭模式
14.3.1 基本概念
14.3.2 加速比性能的保證
14.4 數(shù)據(jù)本地化模式
14.4.1 取得比單核多線程更好的性能
14.4.2 數(shù)據(jù)本地化模式
14.4.3 優(yōu)缺點分析
14.5 分布式數(shù)據(jù)結構設計
14.5.1 復合數(shù)據(jù)結構設計方法
14.5.2 分布式數(shù)據(jù)結構設計
14.5.3 分布式數(shù)據(jù)結構主要問題
14.6 參考文獻
15 分布式隊列
15.1 串行隊列
15.1.1 簡單環(huán)形隊列
15.1.2 STL中的Deque
15.1.3 動態(tài)環(huán)形隊列
15.2 隊列池
15.2.1 共享隊列
15.2.2 消息隊列
15.2.3 隊列池
15.2.4 隊列池的幾種實現(xiàn)方案
15.2.5 隊列池的使用實例
15.3 帶本地計算的分布式隊列
15.3.1 基本思想
15.3.2 本地化隊列的實現(xiàn)
15.3.3 任務偷取隊列的實現(xiàn)
15.3.4 分布式隊列的實現(xiàn)
15.3.5 線程池CThreadPool的實現(xiàn)
15.3.6 線程池CThreadPool的代碼實現(xiàn)
15.3.7 CDistributedQueue源代碼
15.3.8 CDistributedQueue的使用實例
16 分布式查找
16.1 多核中查找的問題與主要思路
16.2 靜態(tài)負載平衡的二級查找結構設計
16.2.1 二級查找結構設計
16.2.2 分布式哈希AVL樹
16.2.3 分布式順序AVL樹
16.3 動態(tài)負載平衡的多級查找結構設計
16.3.1 分布式查找中的負載平衡問題
16.3.2 多級查找結構設計方法
16.3.3 多級查找表的查找算法
16.3.4 多級查找表的插入操作算法
16.3.5 多級查找表的刪除操作算法
16.3.6 多級順序表
16.3.7 多級索引AVL樹
16.3.8 分布式哈希多級AVL樹
16.3.9 分布式順序多級AVL樹
16.4 多核環(huán)境中查找算法的選用方法
16.5 動態(tài)WebCache設計實例
17 分布式內存管理
17.1 多核內存管理的基本思想
17.1.1 內存管理方面的需求
17.1.2 多核系統(tǒng)中的內存管理思路
17.2 等尺寸內存管理
17.2.1 Freelist內存管理基本概念
17.2.2 Freelist編碼實現(xiàn)
17.2.3 FreeLists內存管理
17.3 Intel 開源項目TBB中的內存管理
17.3.1 偽共享問題
17.3.2 Cache對齊的內存管理
17.3.3 數(shù)據(jù)結構
17.3.4 將內存管理器映射到線程
17.3.5 分配和釋放算法
17.3.6 線程退出時的內存回收
17.4 搶奪式內存管理算法
17.4.1 算法基本思想
17.4.2 碎片重組回收利用技術
17.4.3 搶奪式算法的詳細算法流程
17.4.4 代碼實現(xiàn)
17.5 偽共享問題的深入分析
17.5.1 內存釋放時的偽共享問題
17.5.2 偽共享問題的概率分析
17.5.3 用戶程序使用內存過程中的偽共享問題
17.5.4 分布式內存管理的進一步改進措施
17.6 參考文獻
第5部分 任務分解與調度
18 任務圖分解與調度
18.1 任務分解與調度的問題
18.1.1 使用OpenMP調度的問題
18.1.2 任務圖調度模型
18.1.3 任務圖調度算法簡介
18.2 任務組調度算法
18.2.1 基本思路
18.2.2 任務組調度算法
18.2.3 算法流程圖
18.2.4 數(shù)據(jù)結構與接口設計
18.2.5 代碼實現(xiàn)
18.2.6 任務組調度的應用分析
18.2.7 誤差下降調度算法
18.3 任務圖調度算法
18.3.1 任務圖的分層算法
18.3.2 分層算法過程圖解
18.3.3 數(shù)據(jù)結構和接口設計
18.3.4 分層算法的代碼實現(xiàn)
18.3.5 任務調度器的代碼實現(xiàn)
18.3.6 實例：任務圖調度器的使用
18.4 手工任務分解的原則和方法
18.4.1 任務間負載均衡的影響因素
18.4.2 任務分解原則和方法
18.5 參考文獻
19 動態(tài)任務分解與調度
19.1 動態(tài)任務分解的兩種類型
19.2 非嵌套型動態(tài)任務調度
19.2.1 網(wǎng)絡服務器軟件中的任務調度
19.2.2 使用分布式隊列的調度方法
19.2.3 CTaskScheduler的設計
19.2.4 CTaskScheduler的代碼實現(xiàn)
19.3 嵌套型動態(tài)任務調度
19.3.1 基本思想
19.3.2 CNestTaskScheduler的設計
19.3.3 CNestTaskScheduler的代碼實現(xiàn)
19.3.4 CNestTaskScheduler使用方法
19.4 實例：用任務調度器實現(xiàn)parallel_for
19.4.1 parallel_for的實現(xiàn)
19.4.2 用parallel_for進行并行快速排序
19.4.3 用parallel_for進行并行歸并
19.5 參考文獻
20 Lock-Free編程基礎
20.1 Lock-Free編程基本概念和問題
20.1.1 CAS原子操作
20.1.2 ABA問題
20.1.3 ABA問題的解決方法
20.1.4 內存刪除問題
20.1.5 數(shù)據(jù)競爭問題
20.2 Lock-Free的隊列
20.2.1 無鎖隊列的鏈式實現(xiàn)方法
20.2.2 串行實現(xiàn)方法
20.2.3 出隊操作的Lock-Free實現(xiàn)
20.2.4 進隊操作的Lock-Free實現(xiàn)
20.2.5 CLockFreeQueue的實現(xiàn)代碼
20.3 Lock-Free程序的問題分析
20.4 參考文獻
附錄1 本書代碼和CAPI開源項目源文件對照表
附錄2 多核編程的四層境界