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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　shell 94

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MPI 164

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 BLAS 355

A.1.1 Level 1 BLAS 357

A.1.2 Level 2 BLAS 357

A.1.3 Level 3 BLAS 359

A.2 LAPACK 360

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 ScaLAPACK 376

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 FFTW 392

A.4.1 复型变换 393

A.4.2 实型变换 396

A.4.3 并行FFTW 397

A.4.4 FFTW计算实例 397

A.5 PETSc 400

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