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出版者:Morgan and Claypool Publishers

作者:Rachid Guerraoui

出品人:

页数:194

译者:

出版时间:2010-9-24

价格:USD 45.00

装帧:Paperback

isbn号码:9781608450114

丛书系列:

图书标签:

• 计算机科学
• of
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• STM
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• Memory
• Transactional Memory
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• Computer Architecture
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• Data Consistency
• Performance Optimization

《交易型内存原理》 书籍概述 《交易型内存原理》深入探讨了计算领域中一项革命性的内存管理范式——交易型内存（Transactional Memory，TM）。本书旨在为读者提供一个全面、系统且深入的理解，涵盖TM的核心概念、设计权衡、实现方法、性能优化以及其在现代和未来计算系统中的应用前景。本书不仅仅是关于理论的阐述，更着重于实际的设计挑战和解决方案，旨在培养读者在设计、实现和分析TM系统方面的能力。 内容详述 第一部分：交易型内存的基础 1. 并发与并行挑战： 并发性的定义与重要性： 详细阐述并发编程的定义，解释为何它在现代多核、分布式系统中变得日益关键。 传统并发控制机制的局限性： 深入分析锁（Locks）、信号量（Semaphores）、条件变量（Condition Variables）等传统同步原语的缺点，包括死锁、活锁、优先级反转、细粒度锁带来的开销、复杂性以及可伸缩性问题。 “共享-访问”模型带来的挑战： 讨论全局共享内存模型在并发环境下的固有复杂性，以及程序员在管理共享数据一致性时面临的困难。 2. 交易型内存的概念引入： 交易（Transaction）的定义： 将TM中的“交易”类比为数据库事务，强调其原子性（Atomicity）、一致性（Consistency）、隔离性（Isolation）和持久性（Durability）的ACID属性（在TM语境下，主要关注前三者，持久性通常不是TM的核心目标）。 TM的核心思想： 解释TM如何通过将内存访问组织成原子化的“交易”来简化并发编程。程序员无需显式地编写复杂的锁逻辑，而是将一系列内存操作封装在一个交易中。 TM如何解决并发难题： 阐述TM如何通过自动的冲突检测和回滚机制来保证交易的隔离性，从而避免传统锁机制带来的许多问题。 3. TM的基本组成部分： 交易管理器（Transaction Manager，TM）： 核心组件，负责启动、提交、回滚交易，并管理交易间的冲突检测。 读取集（Read Set）与写入集（Write Set）： 详细解释每个交易在执行过程中读写的内存地址集合。 冲突检测机制： 介绍TM如何通过比较不同交易的读取集和写入集来检测并发访问的冲突。 回滚与重试机制： 阐述当检测到冲突时，TM如何选择一个或多个交易进行回滚，并安排其重试。 第二部分：TM的类型与设计空间 1. 硬件交易型内存（Hardware Transactional Memory，HTM）： HTM的设计理念： 探讨如何利用CPU硬件对TM进行原生支持，以获得最佳性能。 典型HTM架构： 分析主流CPU厂商（如Intel, AMD）在HTM方面的设计（例如，Intel TSX），包括其支持的指令集（如`XBEGIN`, `XEND`, `XABORT`）、缓存一致性协议如何集成TM、以及缓存层次结构的作用。 HTM的优势与挑战： 讨论HTM在性能上的潜力，以及其在支持交易大小、嵌套交易、跨CPU核通信、功耗以及复杂错误处理方面的挑战。 HTM的实现细节： 深入研究CPU内部如何管理读取集和写入集，如何进行冲突检测（例如，基于缓存行的冲突检测），以及回滚操作的硬件实现。 2. 软件交易型内存（Software Transactional Memory，STM）： STM的设计理念： 解释如何不依赖硬件支持，仅通过软件（编译器、运行时库）来实现TM。 STM的实现技术： 乐观STM（Optimistic STM）： 详细介绍基于“先做再说，稍后验证”的策略，包括读取集和写入集的软件跟踪、提交时验证冲突。 悲观STM（Pessimistic STM）： 探讨在进入交易时就尝试获取锁，或者在读取数据时进行某种形式的预留，以防止冲突。 混合STM（Hybrid STM）： 分析结合乐观和悲观方法的优势。 STM的常用实现模型： 基于版本控制（Version-based STM）： 讨论如何为内存位置维护版本号，以及在提交时检查版本是否被修改。 基于日志（Log-based STM）： 介绍如何记录交易的读写操作，并在提交时应用或回滚。 基于锁（Lock-based STM）： 讨论STM如何利用内部锁机制来管理共享数据，尽管这是更基础的实现方式，但仍然是STM的一种。 STM的优势与挑战： 分析STM的灵活性、可移植性，以及与HTM相比可能存在的性能开销（例如，软件开销、内存开销）。 3. 混合交易型内存（Hybrid Transactional Memory，HTM+STM）： HTM与STM的协同工作： 探讨如何设计一个系统，让HTM作为硬件加速层，而STM作为回退或补充机制。 自动回退（Fallback）： 详细解释当HTM事务因某些原因（如超出硬件限制）失败时，如何自动切换到STM进行执行。 性能与复杂性的权衡： 分析这种混合方法在提供易用性的同时，如何努力接近HTM的性能。 第三部分：TM的设计考量与高级主题 1. 交易的边界与粒度： 如何确定交易的范围： 探讨程序员如何选择哪些操作应该包含在一个交易中，以及这如何影响性能和正确性。 细粒度与粗粒度交易的权衡： 分析不同粒度的交易对并发度、冲突概率和回滚开销的影响。 2. 冲突检测与解决策略： 检测算法的详细分析： 深入研究各种检测算法（如基于缓存行、基于版本、基于校验和）的实现细节、效率和复杂性。 回滚策略： 讨论不同的回滚策略，如“先回滚的先等待”、“随机选择回滚”等，以及它们对系统吞吐量的影响。 死锁与活锁的规避： 尽管TM旨在避免这些问题，但仍需讨论在某些设计下可能出现的，以及如何预防。 3. 嵌套交易（Nested Transactions）： 嵌套交易的概念： 解释一个交易可以包含其他子交易，并讨论其原子性、隔离性和回滚传播规则。 嵌套交易的实现： 分析HTM和STM如何支持嵌套交易，以及相关的设计挑战（如读取集/写入集管理、回滚的局部性）。 4. TM与现有并发原语的集成： TM与锁的混合使用： 讨论在某些情况下，将TM与传统锁结合使用可能带来的好处，例如，对某些关键数据结构使用锁，而对其他部分使用TM。 TM与原子操作的集成： 分析TM如何利用底层的硬件原子操作（如CAS - Compare-and-Swap）来优化某些读写操作。 5. TM的性能优化： 减少读写集大小： 探讨如何通过优化数据访问模式来减小交易的读取集和写入集，从而降低冲突概率。 高效的冲突检测： 介绍各种优化冲突检测算法的技术，例如，利用硬件缓存或特定数据结构。 回滚开销的降低： 分析如何通过更快的本地化回滚机制来减少事务失败的代价。 并发控制的自适应性： 探讨如何根据当前系统的负载和冲突情况，动态调整TM策略。 第四部分：TM的应用与未来 1. TM在不同计算环境中的应用： 多核处理器： 讨论TM如何简化并行程序开发，提高多核处理器的利用率。 分布式系统： 探索TM在分布式事务、一致性模型中的潜在应用。 高并发服务器： 分析TM如何帮助构建高吞吐量、低延迟的网络服务。 数据库系统： 讨论TM对数据库事务处理的潜在影响。 图形处理单元（GPU）： 探讨TM在GPU并行计算中的应用潜力。 2. TM与编程语言/编译器： TM对编程语言模型的影响： 探讨TM如何改变并发编程的范式，以及语言设计者如何更好地支持TM。 编译器的作用： 分析编译器如何在语义层面理解和优化TM事务，例如，自动生成交易管理代码。 3. TM面临的挑战与未来研究方向： 可伸缩性瓶颈： 讨论在超大规模系统中，TM面临的可伸缩性挑战。 调试与可观测性： 探讨TM系统中的调试复杂性，以及如何提高系统的可观测性。 能源效率： 分析TM的能源消耗，以及如何设计更节能的TM方案。 安全性： 讨论TM在安全性方面的考量，例如，是否存在新的攻击面。 标准化： 探讨TM标准化的必要性和发展趋势。 新兴硬件架构： 预测TM在未来新型硬件（如非易失性内存、存内计算）中的作用。 目标读者 本书适合以下读者： 计算机体系结构的研究者和学生，对内存管理、并发硬件和并行计算感兴趣。 操作系统和分布式系统开发者，需要理解和设计高效的并发控制机制。 高性能计算领域的程序员，寻求更简化、更高效的并发编程方法。 对软件工程中并发挑战的解决方案感兴趣的任何技术人员。 结论 《交易型内存原理》是一本旨在为读者提供对交易型内存这一重要计算范式进行全面、深入理解的权威指南。通过本书，读者将能够掌握TM的核心概念、理解不同实现方式的设计权衡、深入探讨高级主题，并最终能够洞察TM在当前和未来计算系统中的关键作用和发展前景。本书强调理论与实践的结合，期望激发读者在TM领域进行创新和研究。

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这本书的排版和结构设计简直是教科书级别的典范。我向来不怎么喜欢阅读技术手册式的书籍，但《Principles of Transactional Memory》的章节划分逻辑清晰到令人发指。它不会让你在海量的信息中迷失方向。从基础概念的建立，到复杂机制的剖析，再到面向未来的展望，每一步都走得稳健而有力。我尤其喜欢它在介绍复杂算法时，总会配上直观的图示来辅助理解，这对于消化那些关于“快照隔离”和“版本控制”的抽象概念来说，简直是救命稻草。我记得有一次，我花了很长时间才理解一个特定场景下的数据一致性保证模型，翻阅了这本书中的相关章节后，那个困扰了我很久的迷雾瞬间消散了。它的语言风格成熟而不失活力，避免了那种干巴巴的公式堆砌，而是通过富有洞察力的论述来引导读者思考。如果说有什么不足，可能就是某些高级章节需要读者具备一定的计算机体系结构知识基础，但对于目标读者群体而言，这已经算是非常友好的门槛了。

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说实话，我最初对《Principles of Transactional Memory》这本书抱有一丝怀疑，毕竟“事务性内存”这个概念听起来就很高大上，我担心它会是一本纯理论、脱离实际的学术论文集。然而，我的担忧完全是多余的。这本书的叙事节奏把握得极其精妙，它从软件工程的痛点切入，循序渐进地构建起整个TM的理论框架。最让我印象深刻的是它对不同TM实现策略的对比分析，比如乐观并发控制和悲观并发控制，以及它们在不同硬件架构下的性能权衡。作者并没有偏袒任何一种技术，而是公正地展示了每种方法的优缺点和适用场景，这对于我们进行技术选型至关重要。那种深入骨髓的细节，比如如何优雅地处理嵌套事务的回滚，以及如何保证内存访问的顺序性，都被讲解得井井有条。它不仅仅告诉你“是什么”，更告诉你“为什么是这样”，这种追根溯源的讲解方式，极大地满足了我对底层机制的好奇心。这本书的深度和广度都令人称赞，我强烈推荐给任何希望从“修补式”并发编程转向“结构化”并发编程的开发者。

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这本书简直是为那些在并发编程世界里挣扎的人量身定制的指南！我最近在处理一个涉及大量共享数据修改的系统，遇到了各种恼人的死锁和竞态条件问题，简直让人抓狂。翻开这本书，我立刻感受到了一种久违的清晰感。它没有过多纠缠于晦涩的底层硬件细节，而是用一种非常实用的视角，深入浅出地剖析了事务性内存（TM）的核心思想。尤其是它对“原子性、一致性、隔离性、持久性”（ACID）原则如何在内存级别得到优雅实现的阐述，简直是醍醐灌顶。书中的案例分析非常到位，通过对比传统锁机制的复杂性和TM带来的简洁性，让人真切体会到这种编程范式的巨大潜力。我尤其欣赏作者在讨论“冲突检测与恢复机制”时的那种严谨态度，尽管这部分内容技术性较强，但作者的叙述方式确保了即便是初次接触并发模型的人也能跟上思路。读完前几章，我已经开始在我的项目中尝试性地应用一些TM的概念，代码的逻辑清晰度和可维护性都有了显著提升。这本书绝对是值得我桌面上常备的一本工具书，它不仅仅是理论讲解，更是一份实战宝典，为我们如何写出更健壮、更易于推理的并行程序指明了方向。

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我通常认为技术书籍要么过于面向初学者，要么过于面向尖端研究人员，很少有能恰好落在“资深从业者”这个黄金地带的。《Principles of Transactional Memory》恰恰就是这样一本宝典。它假设你已经理解了基本的并发控制原理（比如锁、信号量），然后直接将你带入TM这个更高级的抽象层。这本书的价值在于它提供了一个统一的、高层次的思维框架，让我们可以用更简洁、更易于验证的方式来构建复杂系统。特别是其中关于编程语言层面如何支持TM的讨论，让人对未来的软件设计充满了期待。它清晰地阐述了，当硬件和软件层面的抽象能力提升后，我们就可以把精力从繁琐的锁管理中解放出来，专注于解决业务逻辑本身。这本书的案例并不局限于特定语言，而是侧重于跨越语言的通用原则，这使得它的知识结构非常稳定和持久。对于任何希望站在技术前沿，设计下一代高性能、高可靠性系统的架构师或资深开发者来说，这本书的阅读价值是无可估量的。

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作为一个在老旧代码库里摸爬滚打多年的老工程师，我对任何声称能“彻底解决并发问题”的新技术都保持警惕。但《Principles of Transactional Memory》这本书，却成功地让我放下了戒心，转而产生了强烈的学习欲望。它没有过度美化TM的“魔力”，而是非常现实地指出了当前TM在实际部署中面临的挑战，比如伪事务（Speculative Execution）的开销、外部I/O操作的整合难题等等。这种成熟、不偏不倚的分析态度，使得这本书的权威性大大增加。它更像是一位经验丰富的前辈，在给你传授独门秘籍的同时，也毫不保留地告诉你这条路上的陷阱在哪里。我特别欣赏作者对“非确定性”问题的探讨，如何在保证程序正确性的前提下，优雅地处理那些无法被事务完美包裹的遗留代码或外部依赖，这才是工程实践中真正需要面对的难题。读完这本书，我感觉自己对“正确性”和“性能”之间的微妙平衡有了更深刻的理解，这远超出了单纯学习一个新API的范畴。

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