并行计算基础：从程序设计到系统结构

"并行程序设计基础-并行计算(中科大讲义)" 并行程序设计是计算机科学中的一个重要领域，特别是在高性能计算中扮演着关键角色。这篇中科大的讲义详细阐述了并行计算的各个方面，涵盖了从基础概念到具体实现的技术。 首先，讲义介绍了并行程序设计的概述，讲解了并行计算的概念，它是如何通过同时执行多个计算任务来提高计算效率和解决问题的规模。并行计算与计算科学密切相关，随着科学研究和工程问题的复杂度增加，对计算能力的需求也日益增长。 接下来，讲义探讨了进程和线程这两个基本概念。进程是操作系统中的一个独立执行单元，拥有自己的内存空间，而线程则是进程内的执行流，共享同一内存空间，这使得线程间的通信和同步更为高效。 同步是并行计算中的核心话题。在多线程或多进程环境中，为了保证数据的一致性和正确性，需要控制各执行单元的执行顺序，这就是同步的作用。常见的同步机制包括锁、信号量、条件变量等。 通信机制在并行计算中同样重要，它允许进程或线程之间交换信息。有多种通信方式，如管道、消息传递、共享内存等，每种都有其适用场景和优缺点。 并行程序设计模型是指导如何在不同类型的并行系统上编写和组织代码的理论框架。讲义中可能涉及的模型有共享内存模型（如SMP，Symmetric Multi Processing）和分布式存储模型（如MPP，Massively Parallel Processing和Cluster）。在这些模型中，程序员需要考虑如何分配任务、管理资源以及处理通信和同步问题。 此外，讲义还深入到并行算法的设计，包括设计基础、一般设计方法和技术，以及具体的设计过程。并行算法的目标是充分利用并行性，减少计算时间，提高计算效率。基本通信操作如发送和接收消息，是并行算法中的基本元素。 在数值计算方面，讲义可能讨论了并行环境下如何处理稠密矩阵运算、线性方程组求解和快速傅里叶变换（FFT）等问题。这些都是科学计算中常见的计算密集型任务，通过并行化可以显著提升计算速度。 最后，讲义介绍了并行程序设计环境和工具，这些工具和环境为开发和调试并行程序提供了便利，例如并行编译器、调试器、性能分析工具等。 这个讲义全面地覆盖了并行计算的基础理论和实践，对于学习和理解并行计算的原理、技术以及实际应用有着重要的参考价值。