并行计算基础：共享存储系统编程模型

"这是一份来自中科大的关于并行计算的讲义，涵盖了并行计算的基础、算法设计、数值算法以及程序设计等多个方面。重点讲解了共享存储系统编程的三种模型：ANSI X3H5共享存储模型、POSIX线程模型和OpenMP模型。" 在并行计算领域，理解并掌握共享存储系统编程至关重要。共享存储系统编程是多处理器环境中，多个处理器共享同一块物理内存的编程方式。这种模式下，不同的处理器可以访问相同的数据，从而实现数据的高效共享和并行处理。 1. ANSI X3H5共享存储模型：这是一个早期定义的共享内存模型，它规定了如何在多线程环境下实现对共享内存的访问控制和同步。该模型提供了一套标准的原语（如锁、信号量等）来确保并发执行时的正确性，避免数据竞争和死锁等问题。 2. POSIX线程模型（POSIX Threads，简称Pthreads）：POSIX是操作系统接口的一个国际标准，Pthreads是其中定义的线程API，支持在共享存储系统上创建和管理线程。它提供了创建、同步、销毁线程以及对共享资源进行互斥访问的函数，是跨平台的线程编程标准。 3. OpenMP模型：OpenMP是一种应用编程接口（API），用于支持共享内存的多处理器系统上的并行编程。它通过编译器指令和库函数，允许程序员在源代码中添加并行化指令，自动将任务分解到多个处理器上。OpenMP特别适合于循环和其他可并行化的计算密集型任务。 并行计算不仅仅是硬件结构的问题，还包括并行算法的设计和优化。讲义中提到了并行算法设计的四个主要部分： - 第二篇并行算法的设计，包括设计基础、一般设计方法、基本设计技术和一般设计过程，这些都涉及如何将计算任务分解，以及如何在并行环境中有效地分配和协调这些任务。 - 第三篇并行数值算法，探讨了基本通信操作、稠密矩阵运算、线性方程组求解和快速傅里叶变换等关键的计算任务，并行化实现。 - 第四篇并行程序设计，介绍了并行程序设计的基础知识，以及分布存储系统编程，这涉及到处理更大规模的并行系统，其中每个处理器拥有自己的局部内存。 最后，讲义还讨论了并行程序设计环境和工具，这对于调试、性能分析和优化并行程序至关重要。通过深入理解和应用这些概念，开发者能够有效地利用多核处理器或大规模并行计算机系统，解决复杂的科学和工程问题。