Modeling and Verification of Parallel Processes pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Cassez, F.; Jard, C.; Ryan, M. D.

出品人:

页数:222

译者:

出版时间:2001-11-28

价格:USD 52.95

装帧:Paperback

isbn号码:9783540427872

丛书系列:

图书标签:

• 并行处理
• 进程代数
• 模型检测
• 形式化验证
• 并发系统
• Petri网
• CCS
• CSP
• μ-演算
• 可达性分析

《并行系统的建模与验证》 本书深入探讨了如何精确地描述和严格地验证并行计算系统的行为。在当今计算密集型应用日益普及的时代，从多核处理器到分布式系统的并发性已成为设计的核心，但同时也带来了前所未有的复杂性。本书旨在为研究人员、工程师和学生提供一套全面的工具和方法，以应对这些挑战，确保并行程序的正确性、鲁棒性和安全性。 核心内容概述： 本书将首先介绍构建并行系统行为模型的基础理论和技术。我们将深入研究各种形式化的建模语言，例如有限状态自动机（FSA）、Petri网、通信顺序进程（CSP）和Actor模型等。这些模型能够以数学上精确的方式捕捉并发实体之间的交互、通信和同步机制。读者将学习如何选择最适合特定并行系统特性的建模方法，并掌握将系统设计转化为抽象模型的技巧。 模型的建立是验证工作的基础。本书将重点介绍多种形式化验证技术，包括模型检测（Model Checking）和定理证明（Theorem Proving）。 模型检测： 这种技术能够系统地探索一个系统所有可能的状态，并检查这些状态是否满足预定义的属性。我们将详细介绍各种模型检测算法，如显式状态模型检测和隐式状态模型检测，以及处理大规模状态空间的抽象技术（Abstraction）和符号模型检测（Symbolic Model Checking）。读者将学习如何将系统属性（如无死锁、可达性、活性等）转化为形式化的规范语言，如线性时序逻辑（LTL）和计算树逻辑（CTL），并理解如何使用现有的模型检测工具来执行验证。 定理证明： 与模型检测不同，定理证明侧重于使用逻辑推理来证明系统属性的普遍真理性。我们将介绍基于逻辑的证明系统，如归纳法（Induction）和演绎法（Deduction），以及如何利用辅助证明器（Proof Assistants）来形式化地构建和验证证明。本书将阐述如何将并发系统的行为表示为定理证明器能够理解的逻辑语句，并展示如何通过人工或半自动的方式进行证明。 具体涵盖的技术与应用： 本书将广泛涵盖以下关键技术领域，并结合实际应用场景进行讲解： 1. 并发模型： 状态机与有限自动机： 介绍离散事件系统建模的基本概念，如何描述并行组件的状态转换和事件驱动行为。 Petri网： 探讨具有库所（Place）和迁移（Transition）的网格结构，用于建模资源共享、并发活动和同步。重点分析其在并发控制和资源分配方面的应用。 通信顺序进程 (CSP)： 深入研究基于进程代数的模型，强调进程之间的通信和同步，以及如何使用CSP的代数运算来组合和分析并发进程。 Actor 模型： 介绍以消息传递为核心的计算模型，探讨Actor之间的异步通信、邮箱（Mailbox）机制以及Actor系统的可伸缩性。 2. 形式化建模语言： Promela: 介绍SPIN模型检测器使用的建模语言，学习如何使用Promela描述并发进程、通道（Channel）和同步原语。 TLA+ (Temporal Logic of Actions): 探讨用于规范和验证分布式系统的语言，学习其基于集合论的数学基础和时序逻辑。 Labeled Transition Systems (LTS): 作为许多模型检测器使用的通用模型表示，理解其状态、迁移标签和状态空间。 3. 验证技术详解： 模型检测算法： 深入剖析深度优先搜索（DFS）、广度优先搜索（BFS）以及基于图的算法在状态空间探索中的应用。 状态空间爆炸问题与缓解策略： 介绍死锁（Deadlock）、活锁（Livelock）和资源耗尽等常见并发问题，并详细讨论应对状态空间爆炸的各种技术，如模型缩减（Model Reduction）、抽象（Abstraction）、分层分解（Hierarchical Decomposition）和并行模型检测（Parallel Model Checking）。 不变量（Invariants）和断言（Assertions）： 学习如何定义和利用系统的不变量来证明安全属性，以及如何使用断言来捕获程序中的错误。 时序逻辑： 深入理解线性时序逻辑（LTL）和计算树逻辑（CTL）的语法和语义，学习如何用它们来表达关于系统执行路径的属性。 4. 工具链与实践： SPIN (Simple PROMELA Interpreter): 介绍如何使用SPIN进行并发系统的建模和验证，包括如何编写Promela模型、定义属性以及分析验证结果。 NuSMV (New Model Checking Tool): 介绍另一个强大的模型检测器，以及如何使用其特有的建模语言和特征进行验证。 TLA+ Toolbox: 演示如何使用TLA+ Toolbox来编写、模拟和验证TLA+规范。 Theorem Provers (e.g., Coq, Isabelle/HOL): 简要介绍这些工具在形式化验证中的作用，以及它们如何支持更复杂的系统属性证明。 目标读者： 本书适合以下人群： 计算机科学与工程专业的研究生： 为他们提供扎实的理论基础和实践技能，以从事并行系统设计、验证和分析领域的研究。 软件工程师和系统架构师： 帮助他们理解和应用形式化方法，以提高大型、复杂并行系统的可靠性和正确性，特别是在关键应用领域。 对并行计算和形式化方法感兴趣的学生和从业者： 提供一个清晰、系统的学习路径，了解如何使用数学工具来解决现实世界的并发挑战。 本书的价值： 通过学习本书，读者将能够： 深刻理解并行系统的内在复杂性。 掌握多种形式化建模技术，能够精确描述并发行为。 熟练运用模型检测和定理证明等验证技术，发现和修复潜在错误。 了解并能够使用当前主流的建模与验证工具。 提升设计和开发高可靠性、高安全性的并行系统的能力。 本书强调理论与实践的结合，通过丰富的示例和案例研究，帮助读者将抽象的概念转化为实际的工程解决方案。我们相信，掌握本书的内容将为读者在当今日益复杂的计算环境中构建健壮的并行系统奠定坚实的基础。

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老实说，我对这类偏理论的书籍总是抱有一丝谨慎的期待。我最近正在为我的毕业设计头疼，需要设计一个高可靠性的实时调度系统，其中的任务间依赖和资源竞争非常复杂。因此，我迫切希望这本书能提供一些超越基础教材的深度。我尤其关注它在处理“资源共享与同步机制”方面的论述是否足够深入。比如，它是否会探讨更高级别的同步原语，比如屏障（Barriers）、信号量（Semaphores）的复杂嵌套使用，以及如何在高并发场景下形式化地验证这些同步机制的正确性，而不是仅仅依赖于操作系统的保证。如果书中能引入一些近期的研究成果，比如如何将概率模型（如Markov Chains）融入到并发系统的可验证性分析中，以处理现实世界中不确定的延迟和故障，那就太棒了。我希望这本书的作者不仅仅是知识的搬运工，而是能展现出深刻的洞察力，告诉我们为什么某些建模选择比其他选择更优越，以及在面对系统规模爆炸性增长时，现有的验证技术会遇到哪些本质性的瓶颈。

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我在寻找一本能够作为我下一阶段研究的基石的书籍。目前对并发系统的理解，还停留在教科书式的互斥和同步层面。我深知，现代高性能计算和云计算的基石是极其复杂的并发抽象。因此，我希望这本书能提供一个坚实的理论框架，让我能自信地去面对未来出现的新的并发模型——无论是面向事件的、基于流的，还是量子计算中的并发概念。我特别期待它在“并发错误分类与恢复机制”部分的内容。它是否会详细讨论如何将错误注入（Fault Injection）纳入验证过程？如何证明系统在面对瞬时故障或瞬时资源限制时仍然能保持某种形式的安全属性？一本好的书不仅要教你如何证明“正确”，更要教你如何系统地“测试”和“打破”你的模型，以发现那些隐藏的边界条件。如果这本书能够提供一个清晰的路线图，指导读者从基础模型过渡到更贴近工业界应用的、可扩展的验证方法，那么它就不仅仅是一本教材，而是一个领域内的重要参考指南了。

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作为一名有多年软件架构经验的工程师，我读过不少关于并行计算的“战术”书籍，它们教你如何使用锁、原子操作和内存屏障写出高效的代码。然而，当我试图将一个上百个微服务构成的复杂业务流程的正确性提交给客户时，纯粹依赖代码审查和单元测试是远远不够的——你需要的是数学上的确定性。这本书的标题暗示了它能提供这种确定性。我特别想了解它如何处理“分布式一致性”这个宏大课题。虽然“Parallel Processes”听起来更像是单机多核，但我期待书中能将并发模型推广到网络环境，例如，讨论 Paxos 或 Raft 协议背后的形式化基础和安全性证明。如果它能用一致且统一的语言来描述并发和分布式系统的行为，而不是在不同的章节中切换不同的符号体系，那将大大提升学习曲线的平滑度。我更希望看到一些实际案例研究，哪怕是简化的，展示如何从一个业务需求文档一步步推导出形式化模型，并最终用工具（比如 TLA+ 或者 NuSMV）进行验证的完整流程。

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这本《Modeling and Verification of Parallel Processes》的书名，让我这个刚接触并发编程不久的研究生眼前一亮。我一直觉得，要真正理解多线程和分布式系统的复杂性，光靠编写和调试代码是远远不够的，必须有一套严谨的数学工具来描述和证明程序的正确性。这本书，从书名上来看，似乎正是我需要的。我期望它能深入浅出地介绍那些核心的建模范式，比如Petri网、CSP或者Actor模型，并且不仅仅是停留在概念层面，而是能提供详尽的数学基础和形式化推导过程。尤其令人期待的是“Verification”这部分，我希望书中能详细探讨如何利用模型检测（Model Checking）技术来自动化地查找并发程序中的死锁、竞态条件以及活锁等经典问题。市面上很多书籍往往只触及皮毛，要么过于侧重于Java或C++的具体并发API，要么过于理论化以至于难以应用。这本书如果能成功地搭建起理论与实践之间的桥梁，清晰地展示如何将一个实际的并发问题抽象为一个可验证的模型，并运用如 LTL 或 CTL 这样的时序逻辑进行规范表达，那它无疑将是一本极具价值的参考书。我特别关注它对非确定性（non-determinism）处理的深度，因为这是并发系统中最难把握的部分。

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坦白讲，我对于这类学术性极强的教材的阅读体验一直比较挑剔。很多时候，它们堆砌了大量的定义和定理，但读完后依然感觉抓不住重点，无法将其转化为解决实际问题的直觉。我希望《Modeling and Verification of Parallel Processes》能够避免这种“为理论而理论”的陷阱。我的兴趣点在于如何利用这些模型来指导并发软件的设计决策，而不是仅仅证明某些既有系统的属性。例如，它是否探讨了如何选择最佳的并行粒度？如何形式化地比较两种不同的同步策略（比如，基于消息传递和基于共享内存）在性能和可验证性上的权衡？如果书中能提供大量的图示和对比分析，用直观的方式解释那些晦涩的数学概念，比如状态空间的爆炸性问题（State Space Explosion）以及规约（Reduction）技术，我会认为这是一本非常成功的作品。我更关注那些能够帮助读者建立“并发思维模型”的内容，而不是一味地深陷于高深的代数结构之中。

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