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出版者:The MIT Press

作者:William Gropp

出品人:

页数:406

译者:

出版时间:1999-11-26

价格:USD 50.00

装帧:Paperback

isbn号码:9780262571333

丛书系列:

图书标签:

• MPI
• Computation
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• 并行计算
• 高性能计算
• MPI-2
• 消息传递接口
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《高性能计算中的并行编程范式探析：超越MPI的视角》 书籍简介 本书旨在为并行计算领域的从业者、研究人员以及高年级本科生和研究生提供一个全面且深入的视角，探讨在现代高性能计算（HPC）架构上实现高效并行算法的各种编程范式和技术。我们认识到，尽管消息传递接口（MPI）作为分布式内存并行计算的基石地位无可替代，但计算生态系统的演进要求我们必须掌握更为广阔的技术图谱，以应对日益复杂的硬件异构性和应用需求。本书将目光投向MPI体系之外，聚焦于共享内存模型、新的抽象层、异构计算加速器编程接口，以及将这些不同范式有效结合的混合编程策略。 第一部分：共享内存并行编程的深度探索 在多核CPU成为主流的今天，高效利用片上共享内存资源是提升应用性能的关键。本部分将详细剖析当前最主流的共享内存并行模型，并提供实践指导。 第一章：OpenMP 深度剖析与性能调优 本章将超越OpenMP的基础指令集，深入探讨其运行时模型、线程调度策略以及内存一致性模型对性能的影响。我们将详细分析诸如死锁检测、运行时库的内部机制，以及如何利用`order`、`atomic`和精确的`flush`指令来管理复杂的同步点。重点内容包括： 细粒度依赖分析与并行化： 介绍如何通过数据依赖图（DDG）来识别和解决循环依赖，以及如何利用OpenMP的依赖子句（如`depend(source/sink)`）进行更智能的并行化，尤其是在处理流式数据结构时。 内存层次结构感知： 探讨如何利用OpenMP的内存模型指令（如`simd`、`collapse`结合`schedule`策略）来指导编译器生成更优的代码，以最大限度地利用L1/L2缓存，避免不必要的缓存行伪共享。 任务级并行的高级应用： 深入研究OpenMP 4.0及更高版本中引入的基于任务的编程模型，包括`taskgroup`的使用，以及如何利用它来有效地管理动态负载不平衡问题，特别是在图算法或稀疏矩阵操作中。 第二章：C++ 并发库与标准并行算法 现代C++（C++17/20）提供的标准库工具正日益成为共享内存并行编程的首选工具集。本章将系统地介绍这些工具的应用和局限性。 `std::thread` 与 `std::mutex` 的进阶用法： 讨论轻量级锁机制，如`std::lock_guard`、`std::unique_lock`的性能权衡，以及如何使用条件变量和原子操作（`std::atomic`）来构建复杂的同步原语，避免传统阻塞式同步带来的性能瓶颈。 并行算法（Parallel Algorithms）： 详细解析``头文件中引入的并行版本算法（如`std::for_each`、`std::transform`等）的内部工作原理。我们将对比使用这些标准并行算法与手写OpenMP指令在性能和代码可移植性上的差异，并探讨编译器和运行时库如何实现这些并行版本的优化。 第二部分：异构计算与加速器编程 随着GPU、FPGA等加速设备在HPC集群中占据核心地位，掌握针对异构架构的编程模型变得至关重要。本部分将专注于这些特定架构的编程接口。 第三章：CUDA 编程模型与性能优化实践 针对NVIDIA GPU架构，CUDA仍然是主流的编程模型。本书将从基础的线程层次结构（Grid, Block, Thread）出发，深入到高级的架构特性。 内存访问模式的精细控制： 重点分析全局内存、共享内存（Shared Memory）、常量内存（Constant Memory）和纹理内存（Texture Memory）的访问延迟和带宽特性。我们将提供大量案例来演示如何通过合并访问（Coalesced Access）和数据重排（Data Layout Transformation）来最大化内存吞吐量。 流（Streams）与并发执行： 深入讲解CUDA Streams如何实现计算与数据传输的重叠（Overlap），以及如何利用多个Stream来管理复杂的依赖图和实现内核并发执行。 动态并行与异构同步： 探讨GPU上的动态并行特性，以及如何在不同的设备上管理同步和任务调度。 第四章：OpenACC 与 OpenCL：抽象层的选择 在寻求更高可移植性的背景下，基于编译器的指令模型和更底层的跨平台标准提供了另一条路径。 OpenACC：指令驱动的加速： 详细介绍OpenACC指令（如`kernels`、`compute`、`wait`）如何指导编译器自动生成加速器代码。我们将侧重于如何编写有效的Redundant Data Copying分析和性能剖析，以确保数据生命周期的最优管理。 OpenCL/SYCL：跨平台统一编程接口： 介绍OpenCL作为硬件无关模型的原理，并重点讨论基于OpenCL的现代抽象层——SYCL。我们将分析SYCL如何通过模板化和现代C++特性，在保持异构性支持的同时，提供更高级别的编程抽象，实现“一次编写，随处运行”的愿景。 第三部分：混合并行与应用集成 现代大规模并行应用几乎无一例外地采用混合模型来充分利用集群资源：节点内使用共享内存/加速器编程，节点间使用消息传递。 第五章：MPI 与 OpenMP 混合编程的艺术 本章是关于如何将两种最核心的并行范式进行有效融合的关键章节。 混合编程的架构约束： 探讨在NUMA（非统一内存访问）架构上，如何合理分配MPI进程和OpenMP线程，以最小化跨内存域的通信开销。 线程安全通信： 详细指导如何使用MPI的线程安全级别（如`MPI_THREAD_MULTIPLE`或`MPI_THREAD_FUNNELED`）与OpenMP的并行区域正确交互，避免在调用MPI例程时发生竞争条件。 负载均衡的挑战： 分析在混合模型下，如何实现更精细的负载均衡，包括利用OpenMP的细粒度任务来吸收MPI进程内的微小不平衡。 第六章：数据结构与算法的并行重构 性能的瓶颈往往隐藏在底层数据结构的设计中。本部分将侧重于如何重构传统串行算法以适应并行架构。 稀疏矩阵的并行存储与计算： 探讨Coordinate Format (COO)、Compressed Sparse Row (CSR) 等格式在不同并行环境下的适应性。重点分析如何并行化稀疏矩阵-向量乘法（SpMV）以及迭代求解器的并行化策略。 并行图算法的挑战与解决方案： 剖析图遍历（BFS/DFS）和图划分（Graph Partitioning）在多核和加速器环境下的性能陷阱。讨论基于Push/Pull模型的并行图框架如何管理顶点级的通信和同步。 结语：面向未来的并行计算趋势 本书的最终目标是培养读者面向未来硬件的思维模式。我们将简要探讨如数据流编程、领域特定语言（DSL）以及更高层级编程模型（如Charm++或Coarray Fortran的现代复兴）的潜力，为读者提供继续探索的广阔路径。 目标读者： 本书适合于在科学计算、工程模拟、大数据分析等领域从事高性能计算的专业工程师、应用开发者，以及希望全面掌握并行计算技术栈的研究生。掌握基本的C/C++或Fortran语言基础，以及对并行计算概念的初步了解将有助于更好地吸收内容。

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《Using MPI-2》这本书，当我拿到它的时候，我的心情是既兴奋又期待的。我一直以来都在从事嵌入式系统和分布式计算的开发工作，而MPI（Message Passing Interface）作为并行通信的标准，其在高性能计算领域的应用早已炉火纯青。MPI-2的出现，标志着MPI在功能性和易用性上都有了显著的提升，尤其是在动态进程管理、并行I/O以及面向对象接口等方面，我一直希望能够找到一本能够系统地梳理这些新特性的权威书籍。我迫不及待地翻开了书，首先映入眼帘的是对MPI-2核心概念的详尽介绍，包括进程模型、通信原语的扩展，以及一些面向特定应用场景的功能。我尤其关注书中关于“动态进程创建与销毁”的章节。在某些需要根据实时需求调整计算资源的场景下，这种能力无疑能够带来极大的灵活性。我希望这本书能够提供清晰的API说明、详细的用法示例，以及关于如何处理进程间通信的策略，从而帮助我构建出更加健壮和可伸缩的分布式系统。此外，书中对“并行文件I/O”的深入探讨，也让我眼前一亮。在处理海量数据时，传统的串行文件读写已经成为性能瓶颈，而MPI-2提供的并行文件I/O接口，无疑为我们打开了新的大门。我期望这本书能够提供关于如何有效地利用这些接口来提高数据访问速度和效率的指导，并给出一些实际应用中的最佳实践。

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《Using MPI-2》这本书，当我第一次拿到它的时候，我的内心是充满期待的。我一直以来都在致力于高性能计算的研究，而MPI作为并行计算领域的事实标准，其每一次的更新和发展都备受关注。MPI-2的出现，对我来说，意味着在并行通信、同步以及进程管理等方面有了更强大的能力和更丰富的选择。我非常希望这本书能够深入浅出地讲解MPI-2的核心特性，特别是那些能够显著提升程序性能和开发效率的新功能。我迫不及待地翻阅了目录，发现它涵盖了动态进程管理、并行I/O、面向对象接口等多个重要方面，这让我感到非常满意。我尤其关注书中关于“单边通信”的章节，它允许进程在不通知对方的情况下读写远程内存，这无疑是提升并行计算效率的利器。我希望这本书能够提供详细的API说明、丰富的代码示例，以及关于如何避免单边通信中潜在的竞争条件和死锁问题的详细指导。此外，关于“并行文件I/O”的章节，也引起了我的高度兴趣。在处理大规模数据集时，传统的串行文件读写已经成为性能瓶颈，而MPI-2提供的并行文件I/O接口，将为我们打开新的局面。我希望这本书能够提供清晰的用法示例，以及关于如何优化并行文件访问模式的建议。

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坦白说，《Using MPI-2》这本书，我在阅读过程中，有时会感到一丝丝的“卡顿”。虽然它确实提供了对MPI-2新特性的介绍，但是某些部分的讲解，我总觉得有些过于理论化，而缺乏足够的实践指导。我是一名开发者，我更希望看到的是如何将这些新特性应用到实际的工程项目中，如何通过代码来解决具体的问题。例如，书中对于MPI-2中的“可伸缩性”和“性能调优”的讨论，虽然提到了很多概念，但却没有给出足够具体的调优策略和案例分析。我希望它能提供一些关于如何分析程序的性能瓶颈，以及如何针对MPI-2的特性进行优化，例如如何选择合适的通信模式，如何减少通信开销，如何提高数据局部性等等。而且，书中一些代码示例的复杂度，有时候让我觉得稍显不足，并没有完全展现出MPI-2的强大之处。我希望能够看到更多、更复杂的示例，能够覆盖到一些更具挑战性的应用场景，例如大规模的科学模拟，或者实时的分布式数据处理。总而言之，《Using MPI-2》这本书，在我看来，更像是一本理论指导手册，而我更需要的是一本能够带领我实操、解决实际问题的“武林秘籍”。

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《Using MPI-2》这本书，在我手里，与其说是一本技术书籍，不如说是一扇通往并行计算新世界的大门。我一直以来都在探索如何让我的程序在多核处理器和分布式集群上运行得更快、更高效。MPI-2的出现，对我来说，意味着我有了更多的工具和可能性去实现这个目标。我希望这本书能够详细地讲解MPI-2引入的那些抽象但功能强大的概念，比如“非阻塞通信”的深入应用，以及“远程内存访问”的实现机制。我希望它能提供清晰的图示和生动的比喻，帮助我理解那些复杂的底层细节，并且能够通过大量的代码示例，让我能够亲手实践，感受这些新特性的强大之处。我尤其期待书中关于“数据结构序列化”和“集合通信”的章节，因为这些是我在实际开发中经常遇到的挑战。我希望这本书能够提供一些行之有效的解决方案，让我能够更轻松地处理不同进程之间的数据交换，以及进行高效的集体通信操作。总而言之，《Using MPI-2》这本书，对我来说，是一种能力的提升，是一种视野的拓展，我希望能通过它，掌握更先进的并行编程技术，为我的项目带来质的飞跃。

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我不得不说，《Using MPI-2》这本书在某种程度上，确实给我带来了意想不到的惊喜，但同时，也存在一些让我感到略微不适的地方。首先，它在介绍MPI-2的某些新特性时，确实做到了言之有物，例如对于动态进程管理和并行文件I/O的阐述，我感觉作者花了不少笔墨去解释其背后的原理和潜在的应用场景。这对于我这样希望将并行计算的边界推向更广阔领域的研究人员来说，是相当有价值的。然而，在某些章节的深度上，我总觉得有些意犹未尽。比如，在讨论MPI-2的进程创建和终止时，虽然列举了一些例子，但我总希望能够看到更多关于如何处理异常情况，或者在动态变化的环境中，如何保证程序的鲁棒性的探讨。我理解一本书的篇幅有限，不可能面面俱到，但对于我这样追求极致性能和稳定性的开发者来说，这些细节往往是决定成败的关键。而且，书中一些代码示例的复杂度，有时候让我觉得稍微有些门槛，虽然作者努力用注释来解释，但对于初学者而言，可能还需要花费额外的时间去消化。总的来说，这本书像是一个精美的工具箱，里面确实有一些非常实用的工具，但如何将这些工具运用到最复杂、最精密的工程中，可能还需要我自行摸索和实践。

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收到《Using MPI-2》这本书，我的心情就像是收到了一份期待已久的礼物。我一直以来都在从事大规模科学计算的工作，而MPI无疑是我不可或缺的利器。MPI-2的出现，对我而言，意味着在并行通信和同步方面有了更多选择和更强的能力，能够帮助我处理那些更加庞大和复杂的计算任务。我迫不及待地翻开了书，想要一窥究竟。书中对MPI-2的各个新特性，例如单边通信（One-Sided Communication）的介绍，让我眼前一亮。我一直对这种能够摆脱传统数据传输模式，直接读写远程内存的操作模式非常感兴趣，因为它似乎预示着一种更高效、更灵活的并行编程方式。我希望这本书能够深入地讲解单边通信的机制，包括它与传统MPI通信的区别、使用场景的分析，以及在实际应用中如何避免潜在的陷阱。另外，书中关于并行文件I/O的部分，也引起了我的高度关注。在处理海量数据时，传统的串行文件读写已经成为瓶颈，而MPI-2提供的并行文件I/O接口，无疑为我们打开了新的大门。我期待着这本书能提供清晰的API说明、详细的用法示例，以及关于如何优化并行文件读写性能的建议。总而言之，《Using MPI-2》这本书，在我看来，是为我这样的高性能计算从业者量身定制的一份宝贵资源，我期待它能为我的工作带来实质性的提升。

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《Using MPI-2》这本书，对于我这样一位在并行计算领域摸爬滚打了多年的老兵来说，更多的是一种“温故而知新”的感觉。我早已熟悉MPI-1的核心概念和常用的通信模式，并且在实践中积累了不少经验。因此，我拿到这本书，更多的是想了解MPI-2在原有基础上，究竟带来了哪些突破性的改进，以及这些改进如何在实际应用中发挥作用。我尤其关注那些能够简化编程模型、提高开发效率，或者进一步释放硬件潜力的特性。例如，书中对MPI-2中引入的动态进程管理能力的阐述，让我产生了浓厚的兴趣。在某些场景下，我们可能需要根据计算任务的负载情况，动态地增减进程，这种灵活性无疑能够提高资源的利用率。我希望这本书能够详细地介绍如何利用MPI-2提供的API来实现动态进程的创建、销毁以及进程间的通信，并提供一些实际案例，展示如何在不同的应用场景下运用这些特性。此外，对于MPI-2在错误处理和容错机制方面的改进，我也抱有很高的期望。在分布式系统中，程序的健壮性至关重要，任何一个节点的故障都可能导致整个程序的失败。因此，我希望这本书能够深入地探讨MPI-2在错误检测、传播和恢复方面的机制，并提供一些实用的策略来提高程序的容错能力。

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拿到《Using MPI-2》这本书，我的第一感觉是它充满了技术深度。作为一名深度参与开源高性能计算项目的人员，我一直对MPI标准的演进保持着高度的关注。MPI-2的发布，标志着MPI在功能性和易用性上都有了显著的提升，尤其是在动态进程管理和并行I/O方面，我一直希望能有一本权威的书籍来系统地梳理这些新特性。我迫不及待地翻阅了目录，发现它对MPI-2的核心概念进行了详尽的介绍，包括进程模型、通信原语的扩展，以及一些面向特定应用场景的功能。我尤其感兴趣的是关于“非阻塞通信”的强化部分，以及“全局操作”的新增。这些特性对于优化并行程序的性能，减少通信开销，提升计算效率至关重要。我希望能通过这本书，深入理解这些高级通信模式的工作原理，掌握如何有效地利用它们来解决实际的计算难题。同时，书中对于“进程生存期管理”和“进程分组”的讨论，也让我觉得非常有价值。在开发大型、复杂的分布式应用程序时，对进程进行有效的管理和组织，是保证系统稳定运行的关键。我希望这本书能够提供清晰的指导，帮助我掌握这些技术，从而构建出更加健壮和可伸缩的并行应用程序。

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《Using MPI-2》这本书，给我的感觉就像是一本百科全书，里面包含了大量关于MPI-2的知识和信息。我是一名在学术界从事并行计算研究的学生，平时接触到的MPI-1已经比较熟练，但对于MPI-2的新特性，我还有很多不了解的地方。我希望这本书能够系统地介绍MPI-2的各个方面，从基础的进程模型到更高级的特性，都能有详细的阐述。我尤其对书中关于“动态进程创建与销毁”的讨论很感兴趣。在某些研究项目中，我们可能需要根据计算的需求，动态地调整进程的数量，这对于优化资源利用和提高程序的可伸缩性非常重要。我希望这本书能够提供清晰的API说明和易于理解的代码示例，让我能够快速掌握如何在我的程序中实现动态进程管理。另外，关于“并行文件I/O”的部分，我也希望能有深入的讲解。在处理大规模实验数据时，高效的文件读写是至关重要的。我希望这本书能够介绍MPI-2提供的并行文件接口，并提供一些关于如何优化读写性能的建议，例如如何使用 MPI-IO 的各种模式，如何进行数据分块等等。总而言之，《Using MPI-2》这本书，对我来说，是一份非常宝贵的学习资源，我希望能够通过它，深入理解MPI-2的精髓，并将其应用到我的研究中。

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《Using MPI-2》这本书，坦白说，我拿到手的时候，内心是有些许期待，又有些许忐忑的。期待是因为MPI（Message Passing Interface）作为并行计算领域事实上的标准，其发展和演进总是牵动着许多研究者和工程师的心。MPI-2的出现，预示着性能的提升、功能的扩展，以及更强大的并行编程能力。我一直在寻找一本能够深入浅出地讲解MPI-2新特性，并且能够指导我实际应用的书籍，希望它能帮助我解决在高性能计算集群上遇到的瓶颈，或者在开发大规模分布式应用时，能够更加游刃有余。收到这本书后，我首先浏览了目录，大致了解了它的章节安排，感觉内容覆盖面应该比较广。接下来的日子里，我一头扎进了这本书的海洋，期望能从中汲取知识的甘露。从一开始的懵懂，到逐渐理解书中的概念，再到尝试书中的代码示例，这个过程本身就是一种学习和成长的体验。我希望这本书能够带领我跨越从MPI-1到MPI-2的鸿沟，理解那些抽象的概念是如何转化为实际的代码，以及如何通过优化MPI-2的特性来提升程序的效率。这本书的存在，对于我来说，不仅仅是一本技术手册，更像是一位经验丰富的向导，在我探索并行计算的广阔世界时，指引着方向，点亮了前方的道路。我期待着它能为我的学习之旅带来深刻的启示和实用的帮助。

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