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人工智能重大基础研究丛书

“十四五”时期国家重点出版物出版专项规划项目

《程序性能优化理论与方法》

主编：韩林、高伟

ISBN：978-7-04-059928-2

定价：139.00元

出版日期：2023年6月

内容简介

本书是“十四五”时期国家重点出版物出版专项规划项目“人工智能重大基础研究丛书”图书，从计算机体系结构、编译系统、操作系统、作业管理等多角度，对程序实现中的算法、数据结构、程序设计语言特性、资源占用及程序运行过程等多维度，全面探讨程序性能优化的理论和方法。

全书共12章，分为上下两篇。上篇第1-6章为基础部分，主要对程序性能优化的意义、度量指标、常用流程及如何进行程序性能的分析与测量进行阐述，并从程序编码和编译的角度介绍多种优化方法。下篇第7-12章为进阶部分，结合系统硬件特性讲述更深层次的优化方法，包括单核优化、访存优化、OpenMP程序优化、CUDA程序优化、MPI程序优化，以及多层次并行程序优化。

本书适用于具备一定程序设计基础并致力于程序性能优化的程序设计人员，也可以作为高等教育计算机程序设计的学习使用，还可作为从事性能优化专业技术人员的参考书。

专家推荐

在数字科技的智能时代，程序软件对人类社会的重要性越来越突出，软件的健康不仅关系使用者的体验，更关系着社会的安全。软件的健康性可以从功能和性能两个方面进行衡量，其中性能问题是威胁软件健康的一个难题。性能问题具体可能表现为开销太大、完成速度慢等。本书直面程序性能优化问题，从多角度多维度总结提炼了程序性能优化的理论和方法，系统深入地探讨了程序性能优化过程中的关键性问题，着重对现有系统性能的方法和理论进行提炼、概括和归纳，并对计算性能进行外科手术式的层层解析。本书准确把握智能计算领域的热点问题，填补了该内容专著出版的空白，体现出国际水平的学术价值和结合国内实际需求的应用价值和出版价值。

彭绍亮

湖南大学、国家超级计算长沙中心 教授

在人类对计算要求能力越来越高的今天，高性能计算向着多核、众核方向不断发展，计算机体系结构碎片化趋势明显。在这样的背景下，如果不对程序的性能进行优化，不仅将会对计算资源等造成极大浪费，而且降低智能计算的效能。目前，缺少一本针对先进高性能计算、系统地讲述程序性能优化方法的著作。本书作者及其团队长期从事高性能计算、先进编译与并行程序优化的科研工作，承担了国家重大专项、核高基专项、973、863、自然科学基金等相关课题，在高性能计算、并行程序设计与优化、国产自主可控等相关领域形成了若干领先成果，实践经验丰富。该书的出版填补了本领域专著出版的空白，在国内外都具有较高的学术和应用价值。

罗向阳

解放军战略支援部队信息工程大学 教授

序言

自20世纪40年代人类发明电子计算机，到当今的云计算、大数据、人工智能、移动互联网与物联网时代，各种类型的计算设备在人类的生活中已是无处不在，大到超级计算机、小到可穿戴设备都运行着执行各种类型处理任务的程序。人类正在用各种各样的程序重构现代社会，程序已经渗透入人们的生活，并越来越多地影响着人类社会。

不言而喻，程序作为以计算机为处理工具，描述计算任务的处理对象和处理规则的计算机语言代码，对人类的生产与生活产生了日趋广泛的影响，以至于程序的安全性、健壮性、稳定性、可靠性等指标被越来越多地予以讨论。一般来说，程序的好坏可以从功能和性能两个方面进行衡量，其中功能关乎程序的基本功用，而性能则用于衡量完成功能时程序所展示出来的及时性。健康的程序需要同时在功能和性能上都有完美的表现，然而，迄今为止人们并没有找到一种充分的手段来保证程序不会出现瑕疵。程序中的瑕疵不仅会消耗各类计算、存储或通信中的资源，使得程序的性能大幅降低，严重的还会造成程序功能的丧失，甚至系统的崩溃。检测、定位和解决隐藏在程序中的各类瑕疵的过程称之为调试，而在此基础上进行系统评测，进一步改进系统运行状况。提高程序性能和效率的过程称之为调优。

相比于调试而言，调优的难度更大。这是因为调试的主要目标是寻找瑕疵，而瑕疵固定存在于程序中的某些点上，因此调试时可以通过设置程序断点等技术手段将执行中的程序停止到断点处，查看运行情况并进行各类分析。调优则是需要通过观察正确运行的程序，评估其综合使用各类软硬件资源的情况，调优时一般不会让程序的运行中断，而是需要对程序的执行做长时间监视或统计，凭借经验进行不间断的各类优化。

一些复杂的程序性能问题，需要运用诸如计算机体系结构、编译系统、操作系统等多方面的知识，需要对程序实现中的算法、数据结构、程序设计语言特性、资源占用及程序运行过程有深入的理解。程序调优的过程，不仅要有俯瞰全局的大局观，更要有探微索隐、铁杵磨针的工匠精神，可谓是致广大而尽精微，伴随其间的千磨百折、兴奋欢欣将是一次次美妙的经历和体验。

随着现代社会对程序要求的不断提高，对程序功能与性能的重视程度已提升到前所未有的高度。程序性能优化逐渐从幕后走到了台前，成为一个重要的研究方向。本书直面程序性能优化问题，结合作者及其团队多年来在程序优化方面的研究成果，从多个角度及多个维度探讨程序性能优化的理论与方法，系统论述程序性能优化过程中的若干问题，相信会让读者耳目一新。

为了更好地读懂本书，读者需要对计算机体系结构、操作系统、编译优化、高级程序设计语言、汇编语言等有基础的了解，如对相关知识尚有欠缺，建议自行学习，拥有扎实的计算机专业知识将有助于读者更深刻地理解相关内容。

作者团队

团队长期致力于高性能计算、编译技术、程序优化等方向的科研工作。先后承研国家重大专项、核高基专项、973、863、自然科学基金等相关课题，在高性能计算、并行程序设计与优化、国产自主可控等相关领域已经形成了若干领先成果，曾获国家科技进步一等奖、省部级科技进步一等奖等奖项。在国内外超算及程序优化的竞赛中，多次获PAC全国并行应用挑战赛优化金奖、银奖、铜奖，ASC世界大学生超级计算机竞赛一等奖、二等奖、卓越奖，CPC国产并行应用挑战赛银奖、铜奖，IPCC-ACM中国国际并行计算挑战赛二等奖等。

致谢

本书由先进编译实验室科研人员，在长期编译研发及大量程序性能优化实践的基础上总结编写而成。先进编译实验室的王梦园、柴晓楠、李雁冰、聂凯、王琦、王冬、何亚茹、谢景明、吴昊、李嘉楠、柴赟达、王洪生、孙回回、姚金阳、罗有才、宫一、夏文博等参与了本书的撰写。在撰写过程中，单征、商建东、李颖颖、徐金龙、于哲、郑秋生、赵荣彩、齐宁等专家为本书的最终完稿提出了许多中肯的建议和帮助，在此表示衷心的感谢。

谨以本书献给热爱程序性能优化的朋友们。

转自：“高教学术”微信公众号

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