高級語言程序設(shè)計一課程大綱

1、并行程序設(shè)計課程大綱課程基本信息課程編號 F06D3740 學(xué)分 2.0開課學(xué)期秋 春 夏（小學(xué)期）課程名稱一（中文）并行程序設(shè)計課程學(xué)時 及其分配課內(nèi)總學(xué)時課內(nèi)學(xué)時分配建議課外學(xué)時24講課學(xué)時24課程準(zhǔn)備和復(fù)習(xí)0實(shí)驗(yàn)學(xué)時0實(shí)驗(yàn)/上機(jī)準(zhǔn)備0上機(jī)學(xué)時8課外上機(jī)0（英文）Parallel Programming課程類別口必修選修1年級口2年級3年級 口4年級口教學(xué)方式課堂講授為主口實(shí)驗(yàn)為主自學(xué)為主專題討論為主考核方式 三次作業(yè)分?jǐn)?shù)匯總（百分制）評分依據(jù)考勤加上以及三次作業(yè)的得分，作業(yè)的分?jǐn)?shù)分別是：20, 50, 30適用院系 適用專業(yè)計算機(jī)學(xué)院，高等工程學(xué)院計算機(jī)軟件與理論，計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，計算機(jī)

2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)先修課程高級程序語言設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)編譯技術(shù)預(yù)備知識教材與 （1）并行程序設(shè)計原理 中譯本，Calvin Lin, Lawrence Snyder著，陸鑫達(dá) 林 參考文獻(xiàn)新華 譯 機(jī)械工業(yè)出版社，2009年7月。（2）并行計算導(dǎo)論（原書第2版）中譯本，Ananth Grama,Anshul Gupta,George Karypis,Vipin Kumar著，張武 毛國勇 程海英 譯，機(jī)械工業(yè)出版社，2004年 12月。（3）UNIX 環(huán)境高級編程（第二版），W.RICHARD STEVENS , STEPHEN A.RAGO著，尤晉元 張亞英戚正偉譯，人民郵電出版社，2

3、006年5月。三、教學(xué)目標(biāo)本課程目標(biāo)在于使學(xué)生了解并行計算的基本概念與原理，培養(yǎng)學(xué)生的并行思維，學(xué)會在多核多CPU硬件平臺上編寫簡單的并行程序，并初步具備解決實(shí)際 問題的能力。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)該能了解當(dāng)前流行的并行計算機(jī)的體系 結(jié)構(gòu)，多核芯片以及異構(gòu)多核芯片的演變過程； 熟悉進(jìn)程間通信的基本技術(shù)，包 括管道、消息隊列、信號量、共享內(nèi)存；掌握線程的基本概念，線程安全性，線程的創(chuàng)建、終止、同步與控制；了解 MPI并行程序結(jié)構(gòu)，掌握 MPI基本通信原 語，包括點(diǎn)對點(diǎn)通信、集合通信；掌握幾種重要的并行設(shè)計模式，包括數(shù)據(jù)并行、 流水線并行、工作池模式和主從模式；掌握并行程序的性能分析方法。學(xué)完本

4、課 程，學(xué)生具備分析和解決易并行問題的能力， 能夠在一周時間內(nèi)，編寫并調(diào)試通 過、能正確運(yùn)行、具備可擴(kuò)展性的、200行有效代碼以內(nèi)的并行程序。四、課程簡介隨著多核體系結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)和發(fā)展，使得并行計算科學(xué)的硬件基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)生了 很大的變化，如果把并行硬件基礎(chǔ)設(shè)施看成是“經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)”，則其相應(yīng)的上層并 行軟件就可以視為“上層建筑”。本課程的主要目的是讓學(xué)生了解并行計算的概 念和原理，學(xué)習(xí)并行編程技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生并行程序設(shè)計思維，使其能夠在多核體 系結(jié)構(gòu)上進(jìn)行高效的并行程序設(shè)計，以充分利用多核所提供的硬件并行性。五、課程教學(xué)內(nèi)容及基本要求第1講、并行程序設(shè)計基礎(chǔ)（2學(xué)時）目標(biāo)：要求學(xué)生了解并行的基本概念，

5、學(xué)習(xí)并行程序設(shè)計的必要性；了解共享存儲與分布式存儲并行計算機(jī)架構(gòu)； 了解多核與異構(gòu)多核處理器架構(gòu)；并行計算的應(yīng)用范圍； 并行計算技術(shù)概覽。主要內(nèi)容：什么是并行計算為什么要學(xué)習(xí)并行程序設(shè)計并行與并發(fā)并行與分布式并行計算的應(yīng)用并行層次與分類并行計算機(jī)架構(gòu)及分類并行計算的發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)重點(diǎn)：并行計算的概念、多核處理器的特點(diǎn)、 集群體系結(jié)構(gòu)、并行計算機(jī)內(nèi)存訪問模型、 并行的層次與分類難點(diǎn)：多核處理器的歷史與架構(gòu)、多進(jìn)程、線程概念、操作系統(tǒng)對并行計算的支持、并 行編程環(huán)境第2講、多進(jìn)程程序設(shè)計（4個學(xué)時）目標(biāo)：要求學(xué)生了解多進(jìn)程的概念與特點(diǎn)，熟悉多進(jìn)程程序開發(fā)技術(shù)，了解進(jìn)程間通信的必要性，熟悉常用的進(jìn)程

6、間通信技術(shù)。本章內(nèi)容重在了解，不要求學(xué)生必須掌握。主要內(nèi)容：進(jìn)程的基本概念與特點(diǎn)進(jìn)程的控制信號進(jìn)程間通信重點(diǎn)：多進(jìn)程的概念與特點(diǎn)、多進(jìn)程程序設(shè)計難點(diǎn)：管道、消息隊列、信號量、記錄鎖第3講、多線程程序設(shè)計（6學(xué)時）目標(biāo)：要求學(xué)生掌握線程的概念，學(xué)會在Linux平臺下編寫多線程程序；掌握線程的創(chuàng)建、終止、控制與同步；掌握線程的調(diào)試方法。主要內(nèi)容：線程基礎(chǔ)線程的基本操作多線程的共享變量線程同步機(jī)制多線程信號處理并發(fā)常見問題重點(diǎn)：線程基礎(chǔ)、線程的創(chuàng)建與終止、線程同步、線程安全性難點(diǎn)：線程同步、線程安全性第4講、MPI程序設(shè)計（4學(xué)時）目標(biāo)：要求學(xué)生掌握 MPI程序的結(jié)構(gòu)，了解 MPI的組和通信子的概念

7、，掌握 MPI常用通信原語。主要內(nèi)容：認(rèn)識MPI什么是MPI為什么要用MPIMPI編程基礎(chǔ)MPI集合通信MPI與Pthread混合編程重點(diǎn)：MPI的程序結(jié)構(gòu)、點(diǎn)對點(diǎn)通信、集合通信難點(diǎn)：MPI的執(zhí)行模型、集合通信、MPI與Pthreads混合編程第5講、并行程序性能分析方法（4學(xué)時）目標(biāo)：要求學(xué)生能夠了解影響并行程序性能的因素；掌握衡量并行程序優(yōu)劣的指標(biāo)，這些指標(biāo)包括加速比、可擴(kuò)展性、執(zhí)行時間；掌握如何計算這些指標(biāo)，并根據(jù)這些指標(biāo)分析并行程序性能瓶頸。主要內(nèi)容：實(shí)例：通過性能分析改進(jìn)程序性能并行程序性能度量影響并行程序性能的因素并行程序的可擴(kuò)展性改進(jìn)并行程序性能的幾種策略重點(diǎn)：性能度量難點(diǎn)：影響

8、并行程序性能的因素、性能優(yōu)化方法第6講、并行算法設(shè)計與并行模式（4學(xué)時）目標(biāo)：要求學(xué)生了解并行算法設(shè)計的常用方法和常見的并行模式，并能用這些并行模式解決實(shí)際問題。主要內(nèi)容：并行算法設(shè)計基本方法常用的并行模式數(shù)據(jù)并行任務(wù)并行工作池模式主-從模式流水線模式（或生產(chǎn)者-消費(fèi)者）Google 的 MapReduce 編程框架重點(diǎn)：主-從模式，流水線模式難點(diǎn)：數(shù)據(jù)并行、任務(wù)并行、工作池模式六、課程知識單元和知識點(diǎn)并行程序設(shè)計基礎(chǔ)知識點(diǎn)并行計算概念并行計算機(jī)分類多核處理器架構(gòu)并行層次與分類多進(jìn)程編程與進(jìn)程間通信知識點(diǎn)多進(jìn)程的創(chuàng)建管道消息隊列信號量記錄鎖共享內(nèi)存信號處理多線程編程知識點(diǎn)線程基礎(chǔ)線程的創(chuàng)建線程

9、終止線程互斥條件變量讀-寫鎖信號量線程安全性線程設(shè)計技巧MPI編程知識點(diǎn)MPI的特點(diǎn)MPI執(zhí)行模型進(jìn)程組通信域點(diǎn)對點(diǎn)通信原語集合通信原語并行程序性能分析方法知識點(diǎn)影響并行程序性能的可能因素執(zhí)行時間度量方法加速比度量方法可擴(kuò)展性度量方法常用的性能優(yōu)化方法并行模式知識點(diǎn)數(shù)據(jù)并行任務(wù)并行工作池模式主-從模式流水線模式七、課程實(shí)踐環(huán)節(jié)課程實(shí)驗(yàn)（一）實(shí)驗(yàn)名稱：多進(jìn)程編程實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^實(shí)驗(yàn)使得學(xué)生了解多進(jìn)程程序的設(shè)計方式，程序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，父進(jìn)程與子 進(jìn)程間的通信與控制技術(shù)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：含2道編程題：1道簡單編程題，1道難度較大的選作題。課程實(shí)驗(yàn)（二）實(shí)驗(yàn)名稱：線程編程實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^實(shí)驗(yàn)使得學(xué)生能夠正確理解線程的執(zhí)行過程，線程的創(chuàng)建、中止、結(jié)束 方法，能夠掌握互斥、條件變量、信號量等線程間的同步技術(shù)，能夠判斷線 程安全性引起的原因并加以解決。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：含1道編程題，大概需要 200行左右的代碼，CourseGrading系統(tǒng)自動評判 提交的多線程并行程序。課程實(shí)