深入理解并行编程
出版信息
[美] Paul E.Mckenney（保罗·E·麦肯尼) / 谢宝友 鲁阳 / 电子工业出版社 / 2017-7-1 / 129
内容简介
《深入理解并行编程》首先以霍金提出的两个理论物理限制为引子，解释了多核并行计算兴起的原因，并从硬件的角度阐述并行编程的难题。接着，《深入理解并行编程》以常见的计数器为例，探讨其不同的实现方法及适用场景。在这些实现方法中，除了介绍常见的锁以外，《深入理解并行编程》还重点介绍了RCU的使用及其原理，以及实现RCU的基础：内存屏障。最后，《深入理解并行编程》还介绍了并行软件的验证，以及并行实时计算等内容。
《深入理解并行编程》适合于对并行编程有兴趣的大学生、研究生，以及需要对项目进行深度性能优化的软硬件工程师，特别值得一提的是，《深入理解并行编程》对操作系统内核工程师也很有价值。
作者简介
Paul E. McKenney is the core contributor of Linux kernel .
目录
第1章 如何使用本书 1
1.1 路线图 1
1.2 小问题 2
1.3 除本书之外的选择 3
1.4 示例源代码 4
1.5 这本书属于谁 4
第2章 简介 6
2.1 导致并行编程困难的历史原因 6
2.2 并行编程的目标 7
2.2.1 性能 8
2.2.2 生产率 9
2.2.3 通用性 9
2.3 并行编程的替代方案 11
2.3.1 串行应用的多个实例 11
2.3.2 使用现有的并行软件 11
2.3.3 性能优化 12
2.4 是什么使并行编程变得复杂 12
2.4.1 分割任务 13
2.4.2 并行访问控制 13
2.4.3 资源分割和复制 14
2.4.4 与硬件的交互 14
2.4.5 组合使用 14
2.4.6 语言和环境如何支持这些任务 14
2.5 本章的讨论 15
第3章 硬件和它的习惯 16
3.1 概述 16
3.1.1 流水线CPU 16
3.1.2 内存引用 17
3.1.3 原子操作 18
3.1.4 内存屏障 19
3.1.5 高速缓存未命中 19
3.1.6 I/O操作 19
3.2 开销 20
3.2.1 硬件体系结构 20
3.2.2 操作的开销 21
3.3 硬件的免费午餐 23
3.3.1 3D集成 23
3.3.2 新材料和新工艺 24
3.3.3 是光，不是电子 24
3.3.4 专用加速器 24
3.3.5 现有的并行软件 25
3.4 对软件设计的启示 25
第4章 办事的家伙 27
4.1 脚本语言 27
4.2 POSIX多进程 28
4.2.1 POSIX进程创建和销毁 28
4.2.2 POSIX线程创建和销毁 30
4.2.3 POSIX锁 31
4.2.4 POSIX读/写锁 34
4.3 原子操作 37
4.4 Linux内核中类似POSIX的操作 38
4.5 如何选择趁手的工具 39
第5章 计数 40
5.1 为什么并发计数不可小看 41
5.2 统计计数器 42
5.2.1 设计 43
5.2.2 基于数组的实现 43
5.2.3 最终结果一致的实现 44
5.2.4 基于每线程变量的实现 46
5.2.5 本节讨论 48
5.3 近似上限计数器 48
5.3.1 设计 48
5.3.2 简单的上限计数实现 50
5.3.3 关于简单上限计数的讨论 55
5.3.4 近似上限计数器的实现 55
5.3.5 关于近似上限计数器的讨论 55
5.4 精确上限计数 56
5.4.1 原子上限计数的实现 56
5.4.2 关于原子上限计数的讨论 62
5.4.3 Signal-Theft上限计数的设计 62
5.4.4 Signal-Theft上限计数的实现 63
5.4.5 关于Signal-Theft上限计数的讨论 68
5.5 特殊场合的并行计数 68
5.6 关于并行计数的讨论 69
5.6.1 并行计数的性能 70
5.6.2 并行计数的专门化 71
5.6.3 从并行计数中学到什么 71
第6章 对分割和同步的设计 73
6.1 分割练习 73
6.1.1 哲学家就餐问题 73
6.1.2 双端队列 75
6.1.3 关于分割问题示例的讨论 81
6.2 设计准则 82
6.3 同步粒度 83
6.3.1 串行程序 84
6.3.2 代码锁 85
6.3.3 数据锁 86
6.3.4 数据所有权 88
6.3.5 锁粒度与性能 88
6.4 并行快速路径 90
6.4.1 读/写锁 91
6.4.2 层次锁 91
6.4.3 资源分配器缓存 92
6.5 分割之外 97
6.5.1 使用工作队列的迷宫问题并行解法 97
6.5.2 另一种迷宫问题的并行解法 100
6.5.3 性能比较I 102
6.5.4 另一种迷宫问题的串行解法 104
6.5.5 性能比较II 104
6.5.6 未来展望与本节总结 105
6.6 分割、并行化与优化 106
第7章 锁 107
7.1 努力活着 108
7.1.1 死锁 108
7.1.2 活锁与饥饿 114
7.1.3 不公平的锁 116
7.1.4 低效率的锁 117
7.2 锁的类型 117
7.2.1 互斥锁 117
7.2.2 读/写锁 118
7.2.3 读/写锁之外 118
7.2.4 范围锁 119
7.3 锁在实现中的问题 121
7.3.1 基于原子交换的互斥锁实现示例 121
7.3.2 互斥锁的其他实现 122
7.4 基于锁的存在保证 124
7.5 锁：是英雄还是恶棍 125
7.5.1 应用程序中的锁：英雄 125
7.5.2 并行库中的锁：只是一个工具 126
7.5.3 并行化串行库时的锁：恶棍 128
7.6 总结 130
第8章 数据所有权 131
8.1 多进程 131
8.2 部分数据所有权和pthread线程库 132
8.3 函数输送 132
8.4 指派线程 132
8.5 私有化 133
8.6 数据所有权的其他用途 133
第9章 延后处理 134
9.1 引用计数 134
9.1.1 各种引用计数的实现 135
9.1.2 危险指针 140
9.1.3 支持引用计数的Linux原语 141
9.1.4 计数优化 142
9.2 顺序锁 142
9.3 读-复制-修改（RCU） 145
9.3.1 RCU介绍 145
9.3.2 RCU基础 147
9.3.3 RCU用法 155
9.3.4 Linux内核中的RCU API 166
9.3.5 “玩具式”的RCU实现 171
9.3.6 RCU练习 188
9.4 如何选择？ 188
9.5 更新端怎么办 190
第10章 数据结构 191
10.1 从例子入手 191
10.2 可分割的数据结构 192
10.2.1 哈希表的设计 192
10.2.2 哈希表的实现 192
10.2.3 哈希表的性能 195
10.3 读侧重的数据结构 197
10.3.1 受RCU保护的哈希表的实现 197
10.3.2 受RCU保护的哈希表的性能 199
10.3.3 对受RCU保护的哈希表的讨论 201
10.4 不可分割的数据结构 201
10.4.1 可扩展哈希表的设计 202
10.4.2 可扩展哈希表的实现 203
10.4.3 可扩展哈希表的讨论 210
10.4.4 其他可扩展的哈希表 211
10.5 其他数据结构 214
10.6 微优化 214
10.6.1 实例化 215
10.6.2 比特与字节 215
10.6.3 硬件层面的考虑 216
10.7 总结 217
第11章 验证 218
11.1 简介 218
11.1.1 BUG来自于何处 218
11.1.2 所需的心态 220
11.1.3 应该何时开始验证 221
11.1.4 开源之路 221
11.2 跟踪 222
11.3 断言 223
11.4 静态分析 224
11.5 代码走查 224
11.5.1 审查 224
11.5.2 走查 225
11.5.3 自查 225
11.6 几率及海森堡BUG 227
11.6.1 离散测试统计 228
11.6.2 滥用离散测试统计 229
11.6.3 持续测试统计 229
11.6.4 定位海森堡BUG 232
11.7 性能评估 235
11.7.1 性能基准 236
11.7.2 剖析 236
11.7.3 差分分析 237
11.7.4 微基准 237
11.7.5 隔离 237
11.7.6 检测干扰 238
11.8 总结 242
第12章 形式验证 244
12.1 通用目的的状态空间搜索 244
12.1.1 Promela和Spin 244
12.1.2 如何使用 Promela 249
12.1.3 Promela 示例: 锁 251
12.1.4 Promela 示例: QRCU 254
12.1.5 Promela初试牛刀：dynticks和可抢占RCU 260
12.1.6 验证可抢占RCU和dynticks 264
12.2 特定目的的状态空间搜索 288
12.2.1 解析Litmus测试 289
12.2.2 Litmus测试意味着什么 290
12.2.3 运行Litmus测试 291
12.2.4 PPCMEM讨论 292
12.3 公理方法 293
12.4 SAT求解器 294
12.5 总结 295
第13章 综合应用 296
13.1 计数难题 296
13.1.1 对更新进行计数 296
13.1.2 对查找进行计数 296
13.2 使用RCU拯救并行软件性能 297
13.2.1 RCU和基于每CPU变量的统计计数 297
13.2.2 RCU及可插拔I/O设备的计数器 300
13.2.3 数组及长度 300
13.2.4 相关联的字段 301
13.3 散列难题 302
13.3.1 相关联的数据元素 302
13.3.2 更新友好的哈希表遍历 303
第14章 高级同步 304
14.1 避免锁 304
14.2 内存屏障 304
14.2.1 内存序及内存屏障 305
14.2.2 如果B在A后面，并且C在B后面，为什么C不在A后面 306
14.2.3 变量可以拥有多个值 307
14.2.4 能信任什么东西 308
14.2.5 锁实现回顾 312
14.2.6 一些简单的规则 313
14.2.7 抽象内存访问模型 314
14.2.8 设备操作 315
14.2.9 保证 315
14.2.10 什么是内存屏障 316
14.2.11 锁约束 325
14.2.12 内存屏障示例 326
14.2.13 CPU缓存的影响 328
14.2.14 哪里需要内存屏障 329
14.3 非阻塞同步 329
14.3.1 简单NBS 330
14.3.2 NBS讨论 331
第15章 并行实时计算 332
15.1 什么是实时计算 332
15.1.1 软实时 332
15.1.2 硬实时 333
15.1.3 现实世界的实时 334
15.2 谁需要实时计算 336
15.3 谁需要并行实时计算 337
15.4 实现并行实时系统 337
15.4.1 实现并行实时操作系统 339
15.4.2 实现并行实时应用 349
15.5 实时VS.快速：如何选择 351
第16章 易于使用 353
16.1 简单是什么 353
16.2 API设计的Rusty准则 353
16.3 修整Mandelbrot集合 354
第17章 未来的冲突 357
17.1 曾经的CPU技术不代表未来 357
17.1.1 单处理器Uber Alles 358
17.1.2 多线程Mania 359
17.1.3 更多类似的场景 359
17.1.4 撞上内存墙 359
17.2 事务内存 360
17.2.1 外部世界 361
17.2.2 进程修改 364
17.2.3 同步 367
17.2.4 讨论 370
17.3 硬件事务内存 371
17.3.1 HTM与锁相比的优势 372
17.3.2 HTM与锁相比的劣势 373
17.3.3 HTM与增强后的锁机制相比的劣势 379
17.3.4 HTM最适合的场合 380
17.3.5 潜在的搅局者 380
17.3.6 结论 382
17.4 并行函数式编程 383
附录A 重要问题 385
A.1 “After”的含义是什么 385
A.2 “并发”和“并行”之间的差异是什么 388
A.3 现在是什么时间 389
附录B 同步原语 391
B.1 组织和初始化 391
B.1.1 smp_init() 391
B.2 线程创建、销毁及控制 392
B.2.1 create_thread() 392
B.2.2 smp_thread_id() 392
B.2.3 for_each_thread() 392
B.2.4 for_each_running_thread() 392
B.2.5 wait_thread() 393
B.2.6 wait_all_threads() 393
B.2.7 用法示例 393
B.3 锁 394
B.3.1 spin_lock_init() 394
B.3.2 spin_lock() 394
B.3.3 spin_trylock() 394
B.3.4 spin_unlock() 394
B.3.5 用法示例 395
B.4 每线程变量 395
B.4.1 DEFINE_PER_THREAD() 395
B.4.2 DECLARE_PER_THREAD() 395
B.4.3 per_thread() 395
B.4.4 __get_thread_var() 396
B.4.5 init_per_thread() 396
B.4.6 用法示例 396
B.5 性能 396
附录C 为什么需要内存屏障 397
C.1 缓存结构 397
C.2 缓存一致性协议 399
C.2.1 MESI状态 399
C.2.2 MESI协议消息 400
C.2.3 MESI状态图 400
C.2.4 MESI协议示例 401
C.3 存储导致不必要的停顿 402
C.3.1 存储缓冲 403
C.3.2 存储转发 403
C.3.3 存储缓冲区及内存屏障 404
C.4 存储序列导致不必要的停顿 406
C.4.1 使无效队列 406
C.4.2 使无效队列及使无效应答 407
C.4.3 使无效队列及内存屏障 407
C.5 读和写内存屏障 409
C.6 内存屏障示例 410
C.6.1 乱序体系结构 410
C.6.2 示例1 411
C.6.3 示例2 412
C.6.4 示例3 412
C.7 特定的内存屏障指令 413
C.7.1 Alpha 414
C.7.2 AMD64 417
C.7.3 ARMv7-A/R 417
C.7.4 IA64 418
C.7.5 PA-RISC 418
C.7.6 POWER / Power PC 418
C.7.7 SPARC RMO、PSO及TSO 419
C.7.8 x86 420
C.7.9 zSeries 421
C.8 内存屏障是永恒的吗 421
C.9 对硬件设计者的建议 422
附录D 问题答案 423
D.1 如何使用本书 423
D.2 简介 424
D.3 硬件和它的习惯 427
D.4 办事的家伙 429
D.5 计数 433
D.6 对分割和同步的设计 445
D.7 锁 449
D.8 数据所有权 455
D.9 延迟处理 456
D.10 数据结构 471
D.11 验证 473
D.12 形式验证 478
D.13 综合应用 481
D.14 高级同步 483
D.15 并行实时计算 486
D.16 易于使用 487
D.17 未来的冲突 487
D.18 重要问题 490
D.19 同步原语 491
D.20 为什么需要内存屏障 491
附录E 术语 495
附录F 感谢 502
F.1 评审者 502
F.2 硬件提供者 502
F.3 原始出处 503
F.4 图表作者 503
F.5 其他帮助 505
