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第1部分　基础知识1

第1章　预备知识3

1.1　并行计算的主要研究目标和内容3

1.1.1　什么是并行计算4

1.1.2　并行计算的主要研究目标和内容4

1.1.3　推动并行计算发展的主要动力6

1.2　并行计算机发展历史9

1.2.1　应用需求的推动作用9

1.2.3　20世纪80年代早期10

1.2.4　20世纪80年代中期10

1.2.2　20世纪70年代10

1.2.5　20世纪80年代后期11

1.2.6　20世纪90年代早期12

1.2.7 20世纪90年代中后期13

1.2.8 2000年到当前17

1.3 并行计算机体系结构20

1.3.1 结点21

1.3.2 并行计算机互联网络拓扑结构22

1.3.3 多级存储体系结构33

1.3.4 访存模型40

1.3.5 并行计算机分类41

1.4 操作系统与并行编程环境46

1.4.1　进程、进程间通信与线程47

1.4.2　并行编程环境51

1.5　并行算法56

1.5.1　并行算法的分类56

1.5.2　并行算法的发展阶段57

习题59

第2章　Linux操作系统与程序开发环境60

2.1　Linux安装与使用入门60

2.1.1　Linux系统的安装60

2.1.2　基本使用与管理64

2.2.1　一些基本命令74

2.2　Linux基本命令和概念74

2.2.2　shell94

2.2.3　文本文件处理122

2.3　程序开发环境131

2.3.1　第一个程序（C程序）131

2.3.2　FORTRAN程序的开发141

2.3.3　软件开发146

第3章　消息传递编程接口MPI164

3.1　MPICH安装与程序编译、运行、调试165

3.1.1　单机环境下MPICH的安装165

3.1.2　机群环境下MPICH的安装171

3.2.1　MPI编程的基本概念177

3.2　MPI编程177

3.2.2　程序基本结构179

3.2.3　MPI的原始数据类型181

3.2.4　点对点通信函数与通信模式181

3.2.5　聚合通信与同步187

3.2.6　自定义数据类型189

3.2.7 进程组与通信器194

3.2.8　进程拓扑结构195

3.2.9　文件输入输出196

3.3　MPI程序主要结构203

习题207

4.1　并行程序执行时间210

第4章　程序性能评价与优化210

4.2　并行加速比与效率211

4.3　并行程序性能评价方法212

4.3.1 浮点峰值性能与实际浮点性能212

4.3.2　数值效率和并行效率213

4.4　可扩展分析216

4.5　程序性能优化217

4.5.1　串行程序性能优化217

4.5.2　并行程序性能优化223

习题225

第2部分　并行算法设计与实现实例229

5.1　梯形积分公式231

第5章　自适应数值积分231

5.2　局部二分自适应区间加密232

5.3　串行程序235

5.4　基于简单区域分解的并行算法239

5.5　基于主从模式的并行算法243

5.5.1　基于非阻塞通信的并行程序249

5.5.2　基于散发／收集通信的并行程序252

5.6　基于动态负载调度的并行算法256

习题259

第6章　矩阵并行计算261

6.1.2　行列划分算法263

6.1.1　串行矩阵乘法263

6.1　并行矩阵乘法263

6.1.3　行行划分算法264

6.1.4　列列划分算法265

6.1.5　列行划分算法266

6.1.6　Cannon算法267

6.2　线性代数方程组并行求解方法268

6.2.1　分布式系统的并行LU分解算法269

6.2.2　三角方程组的并行解法271

6.3　对称正定线性方程组的并行解法273

6.3.1　Cholesky分解列格式的并行计算273

6.3.2　双曲变换Cholesky分解275

6.3.3　修正的双曲变换Cholesky分解277

6.4　三对角方程组的并行解法279

6.5　经典迭代算法的并行化282

6.5.1　Jacobi迭代法282

6.5.2　Causs-Seidel迭代法283

6.6　异步并行迭代法284

6.6.1　异步并行迭代法基础284

6.6.2　线性迭代的一般收敛性结果285

6.7　代数特征值问题的并行求解286

6.7.1 对称三对角矩阵特征值问题287

6.7.3　化对称矩阵为三对角矩阵289

6.7.2　Householder变换289

习题290

第7章　FFT算法与应用291

7.1　一维串行FFT算法292

7.2　二维串行FFT算法297

7.3　并行FFT算法298

7.4　FFT应用示例305

7.4.1　多项式相乘305

7.4.2　循环矩阵方程组的求解306

第8章　二维Poisson方程308

8.1　并行算法设计310

8.2　MPI并行程序设计312

8.3　并行效率分析317

8.4　MPI并行程序的改进319

习题323

第9章　二维热传导方程325

9.1　空间离散与区域划分325

9.2　时间离散：显式格式326

9.3　时间离散：隐式／半隐式格式331

9.4　时间离散：ADI方法332

9.5　分块流水线方法334

9.5.1　模型问题334

9.5.2　模型问题的并行效率分析337

9.5.3　二维热传导方程的分块流水线算法程序实例340

习题351

第3部分　附录353

附录A　并行程序开发工具与高性能程序库355

A.1 BLAS355

A.1.1 Level 1 BLAS357

A.1.2 Level 2 BLAS357

A.1.3 Level 3 BLAS359

A.2 LAPACK360

A.2.1 LAPACK软件包组成361

A.2.2 LAPACK程序文档364

A.2.3 LAPACK参数设计364

A.2.4 LAPACK使用示例367

A.3 ScaLAPACK376

A.3.1 ScaLAPACK体系结构377

A.3.2 ScaLAPACK程序介绍380

A.3.3 ScaLAPACK安装384

A.3.4 ScaLAPACK编程指南388

A.4 FFTW392

A.4.1 复型变换393

A.4.2 实型变换396

A.4.3 并行FFTW397

A.4.4 FFTW计算实例397

A.5 PETSc400

A.5.1 PETSc的系统结构401

A.5.2 PETSc的基本特色402

A.5.3 PETSc的基本功能404

A.5.4 PETSc计算实例406

A.5.5 PETSc小结419

附录B MPI参考手册421

B.1 MPI函数、变量速查表421

B.2 MPI预定义的变量及类型426

B.2.1 C语言MPI原始数据类型426

B.2.2 FORTRAN 77语言MPI原始数据类型427

B.2.3　预定义的通信器与进程组428

B.2.4　用于归约函数的预定义的二目运算428

B.2.5　C变量类型及预定义函数429

B.2.6　空对象430

B.2.7　MPI常量430

B.2.8　进程拓扑结构431

B.2.9 通信状态信息431

B.2.10　错误码432

B.2.11　MPI-2用于文件输入输出的常量与类型432

B.3　初始化、退出与错误处理函数434

B.4 点对点通信函数436

B.4.1　阻塞型通信函数436

B.4.2　非阻塞型通信函数438

B.4.3　持久通信函数442

B.5　数据类型与打包函数444

B.6　同步与聚合通信函数448

B.7 进程组与通信器操作453

B.7.1　进程组操作453

B.7.2　域内通信器操作455

B.7.3　进程拓扑结构457

B.7.4　域间通信器操作462

B.8　时间函数462

B.9　MPI-2文件输入输出函数463

参考文献475

MPI函数、变量索引479

名词索引483