CS62sophomoricParallelismAndConcurrency

本文档是关于Java中并行化与并发性的入门教材，主要面向大学二年级的学生。教材主要介绍共享内存并行化和并发性的基本概念，并且讨论了与Java相关的特定技术，例如线程和共享内存的使用。教材内容详细，从并行化和并发性基础知识讲起，逐步深入到更复杂的算法和编程模式。 在教材的"Meta-Introduction"部分，作者Dan Grossman提出了他的教学理念，即如何将这部分材料融合到变化中的课程结构中，并给出了六个关于成功掌握这些材料的论点。他强调了使用这些笔记的方法，以及如何改进它们，并对那些为这些笔记做出贡献的人表示感谢。 在"Introduction"部分，教材首先讲述了“一次做多件事情”的概念，然后区分了并行化（Parallelism）和并发性（Concurrency）。并行化是指在不同的处理器核心上同时执行多个操作以提高计算效率；而并发性则是指同时处理多件事情，但这些事情在逻辑上可能是串行的，也可能部分并行。接着，教材介绍了基本的线程（Threads）和共享内存（Shared Memory）的概念。 教材详细介绍了基础的Fork-Join并行化模式，并通过实例讲述了为什么不应该为每个处理器创建一个线程。Fork-Join模式是一种任务并行的模型，其中主线程可以创建子任务，并等待这些子任务完成后继续执行。教材还讨论了“Divide-and-Conquer”并行化策略，并特别关注Java中的Fork/Join框架。 在"Analyzing Fork-Join Algorithms"部分，教材讲解了并行算法的分析方法。其中"Work"和"Span"是用来衡量并行算法性能的两个重要指标。"Work"指的是算法的总计算量，而"Span"则是在理想情况下算法的最小执行时间。此外，还介绍了Amdahl定律，这个定律说明了在给定计算任务中，即使增加更多的处理器，加速比也会受到串行部分的限制，即受限于程序中最慢的部分。教材还对Amdahl定律与摩尔定律进行了比较。 更进一步，教材探索了更高级的Fork-Join算法，包括并行前缀求和（Parallel-Prefix Sum）、打包（Pack）算法、并行快速排序（Parallel Quicksort）和并行归并排序（Parallel Mergesort）。这些算法都是在共享内存的环境下，如何高效地并行处理数据的实例。 在"Basic Shared-Memory Concurrency"部分，教材讨论了共享内存并发编程模型，以及为什么需要同步机制。同步是为了解决多个线程同时访问和修改共享数据时出现的潜在问题。教材详细介绍了锁（Locks）的概念，并深入探讨了Java中的锁使用。 针对并发编程中可能出现的问题，教材专门讨论了竞态条件（Race Conditions）、坏的交错执行（Bad Interleavings）和数据竞争（Data Races）。竞态条件是指由于线程调度顺序的不确定性导致程序行为不可预测的情况，这通常是由于没有正确同步所导致的。教材通过具体示例，如堆栈操作的坏交错执行，来说明这一概念。 为了给出并发编程指南，教材提出了将内存概念上分为三部分的策略，并讨论了同步的不同方法。在"Deadlock"部分，教材讲述了死锁的概念，即当两个或多个线程相互等待对方释放资源时造成的无限等待状态。 教材还介绍了其他同步原语，如读写锁（Reader/Writer Locks）、条件变量（Condition Variables）和其他并发控制机制。这些原语提供了更细粒度的控制，有助于解决并发编程中的特定问题。 整个教材贯穿了对Java语言的深入探讨，包括如何使用Java中的线程和同步原语，以及如何应用这些概念来编写高效的并行和并发程序。此外，教材还涉及了对算法分析的介绍，为学生打下理解和设计并行算法的基础。通过这本教材的学习，学生可以掌握并行编程的核心概念，并能够在多核处理器上有效地设计和实现并发程序。