《软件优化技术》陈虎 汤德佑 黄敏 | PDF下载|ePub下载

前言
第 1 章 引言　　　　　　 1
1.1 软件优化概述　　　　　1
1.1.1 软件优化的主要方法 1
1.1.2 软件性能工程　　　3
1.1.3 关于软件优化的一些观点　　　　　　4
1.2 评价软件性能的指标和方法　 6
1.2.1 延迟和吞吐率　　　6
1.2.2 加速比和效率　　　7
1.2.3 Amdahl 定理　　　 8
1.2.4 M/M/k 模型　　　9
1.3 常用软件工具和时间测量方法　　　　　　 10
1.3.1 常用软件工具　　　10
1.3.2 时间测量　　　　13
1.4 一个程序性能分析的实例　　15
1.5 扩展阅读　　　　　　16
1.6 习题　　　　　　　17
1.7 实验题　　　　　　 18
参考文献　　　　　　　20
第 2 章 CPU 上的基本优化方法　21
2.1 计算机体系结构基础　　　21
2.1.1 指令集体系结构　　 21
2.1.2 指令铁律　　　　24
2.1.3 流水线及其相关性　26
2.1.4 超标量和乱序执行　27
2.1.5 典型微处理器的微结构　　　　　 29
2.2 针对算术逻辑指令的优化　　31
2.2.1 现代微处理器的算术逻辑指令延迟与吞吐率　　31
2.2.2 选择合适的数据类型　32
2.2.3 使用简单指令代替复杂指令　　　　　33
2.2.4 使用特殊指令　　　34
2.2.5 查表法　　　　 35
2.3 针对条件分支指令的优化　　36
2.3.1 分支预测　　　　36
2.3.2 消除分支　　　　38
2.3.3 组合多个分支以提高分支预测的准确度　　　38
2.3.4 使用条件执行指令　39
2.3.5 合理使用 switch 语句40
2.4 针对 Cache 的优化　　　 41
2.4.1 现代微处理器的Cache　41
2.4.2 数据对齐　　　　43
2.4.3 SoA 的结构组织方式　44
2.4.4 数据分块以提升 Cache命中率　　　　 45
2.4.5 Cache 预取　　 46
2.5 针对循环结构的优化　　　47
2.5.1 消除循环　　　　47
2.5.2 循环展开　　　　47
2.6 综合实例　　　　　　49
2.6.1 Linux 内核中的 ECC 计算　　　　　 49
2.6.2 Hash 表的构建　　 53
2.7 扩展阅读　　　　　　55
2.8 习题　　　　　　　56
2.9 实验题　　　　　　 57
参考文献　　　　　　　59
第 3 章 基于 SIMD 指令系统的优化方法　　　　　 61
3.1 SIMD 指令系统简介　　61
3.1.1 SIMD 指令系统概况 61
3.1.2 软件系统使用 SIMD 指令的方法　　　　63
3.2 SIMD 内嵌原语　　　　64
3.2.1 内嵌原语的数据类型　64
3.2.2 向量设置操作　　　65
3.2.3 计算操作　　　　66
3.2.4 比较操作　　　　68
3.2.5 访存操作　　　　69
3.2.6 数据排列操作　　　71
3.3 基于内嵌原语的 SIMD 程序设计　　　　　　 72
3.3.1 数据对齐和数据宽度　73
3.3.2 SoA 结构　　　　74
3.3.3 数据比较　　　　76
3.3.4 特殊指令　　　　77
3.3.5 寄存器数量　　　 79
3.4 SIMD 程序实例　　　　81
3.4.1 使用 SSE 指令去除空格　　　　　 81
3.4.2 基于 SIMD 指令的双调排序和归并排序　　82
3.4.3 fftw 的可移植设计　84
3.5 扩展阅读　　　　　　88
3.6 习题　　　　　　　88
3.7 实验题　　　　　　 88
参考文献　　　　　　　90
第 4 章 基于多线程的优化方法　94
4.1 多核处理器体系结构　　　94
4.1.1 多线程处理器　　　94
4.1.2 多核处理器系统　　 96
4.1.3 Cache 一致性协议　　98
4.2 操作系统级线程调用　　 100
4.2.1 线程　　　　　100
4.2.2 线程基本 API　　 102
4.2.3 Linux 的线程同步和互斥　　　　 105
4.2.4 Windows 的线程同步和互斥　　　　　110
4.3 OpenMP　　　　　 113
4.3.1 for 编译制导语句　114
4.3.2 共享变量和私有变量　115
4.3.3 归约子句　　　116
4.3.4 nowait 子句　　　117
4.3.5 single 制导指令　　118
4.3.6 critical 子句　　119
4.3.7 barrier 子句　　 119
4.3.8 其他子句　　　120
4.4 多线程程序的一些问题　　120
4.4.1 临界区　　　　 120
4.4.2 Cache 伪共享　　 123
4.4.3 多线程的并行化设计方法　　　　 124
4.5 多线程并行化实例　　 125
4.5.1 Horner算法的并行化　125
4.5.2 构建 Hash 表　　 126
4.5.3 归并排序　　　127
4.6 扩展阅读　　　　　129
4.7 习题　　　　　　 130
4.8 实验题　　　　　　131
参考文献　　　　　　　133
第 5 章 GPU 的优化方法　　 135
5.1 GPU 体系结构　　　　135
5.1.1 面向吞吐率优化的异构
计算　　　　　135
5.1.2 GPU 总体结构　　 136
5.1.3 SIMT 机制　　 136
5.1.4 存储器结构　　　139
5.2 GPU 基本编程方法　　　139
5.2.1 线程的组织结构　　139
5.2.2 GPU 函数说明　　 140
5.2.3 存储器管理以及与主机的数据交换　　　141
5.2.4 GPU 上线程之间的同步　　　　 143
5.2.5 OpenCL 的程序对象和内核对象　　　　144
5.2.6 程序实例　　　145
5.3 GPU 程序优化方法　　　148
5.3.1 指令吞吐率　　　148
5.3.2 资源利用率　　　149
5.3.3 共享存储器　　　150
5.3.4 全局存储器　　　152
5.3.5 掩盖主机和 GPU 之间的数据传输延迟　　152
5.3.6 动态并行机制　　 154
5.4 GPU 程序实例　　　　155
5.4.1 矩阵乘法　　　155
5.4.2 LU 分解　　　　157
5.5 扩展阅读　　　　　159
5.6 习题　　　　　　 159
5.7 实验题　　　　　　160
参考文献　　　　　　　160
第 6 章 面向对象程序设计语言的优化方法　　　　 162
6.1 C 的性能优化　　　 162
6.1.1 C 实现简介　　162
6.1.2 STL　　　　　167
6.2 Java 的性能优化　　　 168
6.2.1 Java 虚拟机简介　　168
6.2.2 Java 字节码的执行机制　　　　 170
6.2.3 Java 本地接口　　 172
6.2.4 Java 的多线程机制　 174
6.3 垃圾回收　　　　　176
6.3.1 垃圾回收基本技术 176
6.3.2 HotSpot JVM 中的垃圾回收　　　　　181
6.4 扩展阅读　　　　　183
6.5 习题　　　　　　 184
6.6 实验题　　　　　　184
参考文献　　　　　　　186
第 7 章 系统级软件优化　　　188
7.1 硬盘系统与文件系统的性能优
化　　　　　　 189
7.1.1 硬盘系统　　　189
7.1.2 文件系统　　　191
7.1.3 性能优化方法　　 193
7.1.4 实例：外排序　　 194
7.2 网络连接的性能优化　　 196
7.2.1 网络连接硬件　　 196
7.2.2 网络编程简介　　 197
7.2.3 性能优化方法　　 200
7.2.4 实例：Web 服务器的结构　　　　　204
7.3 软件总体结构的设计考虑　 207
7.3.1 用户友好性设计　　207
7.3.2 可移植性设计　　 208
7.3.3 错误处理设计　　 209
7.3.4 系统可维护性设计 210
7.4 扩展阅读　　　　　211
7.5 习题　　　　　　 212
7.6 实验题　　　　　　212
参考文献　　　　　　　213