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出版者:Jones & Bartlett Publishers

作者:Arthur J. Bernstein

出品人:

頁數:548

译者:

出版時間:1993-1-15

價格:USD 68.95

裝幀:Hardcover

isbn號碼:9780867202052

叢書系列:

圖書標籤:

• 並發編程
• 數據庫係統
• 並行計算
• 事務處理
• 鎖機製
• 死鎖
• 分布式係統
• 數據一緻性
• 性能優化
• 多綫程

《現代並發編程的藝術與實踐》 在當今快速發展的數字時代，軟件的性能、響應能力和可擴展性已成為衡量其成功與否的關鍵指標。而要實現這些目標，掌握並發編程的精髓至關重要。本書——《現代並發編程的藝術與實踐》，將帶您深入探索並發編程的宏偉世界，揭示如何設計、實現和優化能夠高效利用多核處理器，同時處理大量並發任務的應用程序。 本書並非一本枯燥的技術手冊，而是一次啓發性的旅程，旨在培養您對並發思維的深刻理解，以及駕馭復雜並發場景的實際能力。我們將從並發編程的基本概念入手，逐步深入到更高級的主題，並結閤當下最流行、最具影響力的編程語言和技術棧，為您提供一套全麵而實用的知識體係。 第一部分：並發編程的基礎與思維模型 在深入瞭解具體的並發機製之前，我們首先需要建立堅實的理論基礎和清晰的思維模型。本部分將為您解析並發與並行的核心區彆，理解它們在不同硬件架構下的運作方式。我們將探討為什麼並發如此重要，它如何幫助我們應對日益增長的數據量和用戶需求，以及在沒有並發的情況下，程序會麵臨哪些瓶頸。 並發的本質與並行： 區分“並發”——處理多個任務的能力，與“並行”——同時執行多個任務。理解在單核、多核以及分布式係統中的不同錶現。 綫程模型與進程： 深入剖析綫程與進程的概念，它們的生命周期、資源消耗、通信機製以及在操作係統層麵的調度策略。我們將探討它們各自的優缺點，以及在何時選擇使用綫程，何時選擇使用進程。 共享內存模型與消息傳遞： 介紹兩種主要的並發通信範式。在共享內存模型下，我們將詳細講解內存可見性、緩存一緻性、原子操作等核心概念，並預警由此帶來的潛在問題，如數據競爭和死鎖。在消息傳遞模型下，我們將探索如何通過獨立的內存空間和明確的消息傳遞來規避共享內存的復雜性。 並發的安全與正確性： 並發編程最令人頭疼的問題莫過於其固有的復雜性和潛在的錯誤。本部分將詳細闡述數據競爭、死鎖、活鎖、飢餓等常見的並發問題，並介紹一係列行之有效的識彆和預防策略。我們將學習如何通過嚴格的編程實踐、清晰的設計模式和閤適的同步原語來確保程序的正確性。 第二部分：核心並發原語與模式 掌握瞭基本概念後，我們將開始學習實際的工具和技術，用於構建健壯的並發係統。本部分將聚焦於各種編程語言中提供的核心並發原語，以及在實際開發中被廣泛采納的並發設計模式。 鎖（Locks）與互斥量（Mutexes）： 學習如何使用鎖來保護共享資源，確保同一時間隻有一個綫程能夠訪問關鍵代碼段。我們將探討不同類型的鎖，如互斥鎖、讀寫鎖，以及它們的適用場景和性能考量。 信號量（Semaphores）： 理解信號量在控製對有限資源的訪問方麵的作用，以及它們如何用於綫程間的協作和同步。 條件變量（Condition Variables）： 掌握條件變量如何與鎖結閤使用，實現更靈活的綫程等待與通知機製，解決生産者-消費者等經典問題。 原子操作（Atomic Operations）： 學習如何利用底層硬件支持的原子操作，實現無需鎖的輕量級並發更新，從而提升性能和簡化代碼。 並發集閤（Concurrent Collections）： 探索各種編程語言提供的綫程安全的數據結構，如並發隊列、並發映射、並發集等，以及如何高效地使用它們來管理共享數據。 綫程池（Thread Pools）： 理解綫程池的工作原理，以及如何通過復用綫程來減少綫程創建和銷毀的開銷，顯著提升應用程序的吞吐量和響應速度。 Future/Promise 與異步編程： 深入瞭解異步編程模型，以及如何使用 Future 和 Promise 來處理非阻塞操作的結果。我們將探討迴調（Callbacks）、事件驅動（Event-driven）等異步模式，並重點關注現代語言如 JavaScript (Node.js)、Python (asyncio) 以及 Java (CompletableFuture) 中的異步編程實踐。 Actor 模型： 介紹 Actor 模型作為一種強大的並發抽象，如何通過獨立的、消息驅動的 Actor 來實現高度並發和容錯的係統。我們將探討 Akka（Java/Scala）、Erlang 等Actor模型框架的應用。 第三部分：高級並發主題與架構 在掌握瞭基礎原語和常見模式之後，本書將帶領您探索更高級的並發技術和架構，以應對更復雜的挑戰，構建真正可擴展、高可用、高性能的係統。 內存模型詳解與內存可見性： 深入研究不同處理器架構下的內存模型（如 Java Memory Model, C++ Memory Model），理解緩存一緻性協議（如 MESI）如何影響並發程序的行為。我們將學習如何通過內存屏障（Memory Barriers）來顯式控製內存操作的順序，確保跨綫程的內存可見性。 無鎖數據結構（Lock-Free Data Structures）： 探索如何設計和實現不依賴於傳統鎖的並發數據結構。我們將討論原子操作在構建無鎖算法中的關鍵作用，以及無鎖編程的挑戰和潛在優勢，如避免死鎖和提高吞吐量。 事務內存（Transactional Memory）： 介紹事務內存作為一種潛在的鎖替代方案，如何在硬件或軟件層麵實現代碼塊的原子執行，簡化並發編程的復雜性。 分布式並發： 將並發的概念擴展到分布式係統。我們將探討分布式鎖、分布式事務、一緻性協議（如 Paxos, Raft）等核心概念，以及它們在構建可伸縮、高可用的分布式應用中的作用。 並發性能調優與剖析： 學習如何使用各種工具和技術來度量、分析和優化並發程序的性能。我們將介紹性能剖析（Profiling）工具，如何識彆性能瓶頸，以及通過調整並發策略、同步原語和數據結構來提升性能。 並發編程的錯誤處理與容錯： 探討在並發環境中進行有效的錯誤處理和構建容錯係統的方法。我們將學習如何優雅地處理綫程異常，實現任務的重試機製，以及利用監督（Supervision）機製來提高係統的健壯性。 現代並發框架與庫： 深入瞭解當下主流編程語言中提供的強大並發框架和庫，例如： Java: `java.util.concurrent` 包，Project Loom，Spring WebFlux。 Python: `threading`, `multiprocessing`, `asyncio`, `Tornado`, `Celery`。 Go: Goroutines, Channels, `sync` 包。 Rust: `std::thread`, `rayon`, `tokio`, `async-std`。 C++: C++11/14/17/20 標準庫中的並發特性，`Boost.Thread`。 並發在特定領域的應用： 探討並發編程在不同領域的實際應用，例如： Web 服務器與微服務： 如何利用並發處理海量請求，構建高吞吐量的 Web 應用。 數據處理與大數據： 如何使用並發加速數據分析、ETL 過程。 遊戲開發： 如何在遊戲中實現流暢的動畫、物理計算和 AI。 實時係統： 如何在有嚴格時間限製的係統中實現可靠的並發。 學習方法與目標 本書的編寫力求清晰易懂，並輔以大量的代碼示例和實際場景分析。我們鼓勵讀者在閱讀過程中積極實踐，動手嘗試書中介紹的各種並發技術和模式。每一章都將包含“思考與實踐”環節，引導您深入理解概念並將其應用到實際問題中。 通過學習本書，您將能夠： 建立堅實的並發理論基礎： 深刻理解並發與並行的本質，以及各種並發機製的工作原理。 掌握核心並發原語和設計模式： 熟練運用鎖、信號量、條件變量、原子操作等工具，構建健壯的並發程序。 解決常見的並發問題： 有效識彆、預防和調試數據競爭、死鎖等棘手的並發錯誤。 設計和實現高性能並發係統： 運用高級並發技術和架構，構建可擴展、響應迅速的應用程序。 選擇和使用現代並發框架： 熟悉並能夠靈活運用主流編程語言中的並發庫和框架。 提升解決復雜並發挑戰的能力： 培養用並發思維解決實際問題的能力，應對不斷演進的技術需求。 無論您是經驗豐富的軟件工程師，還是剛剛踏入編程世界的新手，本書都將成為您探索並發編程的寶貴指南。讓我們一起踏上這段激動人心的旅程，掌握現代並發編程的藝術與實踐，為構建更加強大、高效的軟件世界貢獻力量。

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這本書的排版和圖示設計，是我近年來看到的工程類書籍中最優秀的範例之一。在講解復雜的鎖升級、死鎖檢測與預防機製時，作者大量使用瞭結構清晰的流程圖和狀態轉移圖，這些視覺輔助工具極大地降低瞭理解門檻。例如，在描述“活鎖”現象時，那種圖形化的衝突路徑展示，比單純的文字描述要直觀得多，讓我瞬間抓住瞭問題的核心所在。我驚喜地發現，作者對於不同編程語言生態中的並發原語，如Java的`volatile`關鍵字、C++的內存模型，都有恰如其分的提及和對比，這錶明作者的視野超越瞭單一的技術棧。雖然這是一本偏嚮底層理論的書籍，但它從未讓人感到枯燥乏味，反而像是一部精心編排的交響樂，不同樂章（如內存模型、事務管理、並行計算）的切換自然流暢，始終保持著高度的學術嚴謹性與工程實用性。

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這本書的敘事節奏和邏輯推進，給我的閱讀體驗帶來瞭極大的震撼，它仿佛一位經驗老到的導師，帶著你從最底層的硬件緩存一緻性模型開始，逐步攀登到高層的應用層並發設計哲學。最讓我印象深刻的是它對於“非阻塞”數據結構那一章的闡述，作者沒有用過於晦澀的術語堆砌，而是通過一係列精心設計的僞代碼和時序圖，將CAS操作（Compare-and-Swap）的魔力展現得淋灕盡緻。我曾花費數周時間試圖弄明白無鎖棧和無鎖隊列的正確實現，但總是陷入死鎖或丟失更新的泥潭，直到讀到這本書中對ABA問題的詳盡分析和解決方案，纔恍然大悟。這種“解構再重構”的教學方法，極大地提升瞭我對並發編程的直覺認知。不過，我必須指齣，對於初學者來說，前幾章的抽象概念密度可能偏高，需要多次閱讀纔能完全消化其中的深層含義，它更像是為那些已經具備一定編程基礎，渴望突破瓶頸的工程師準備的“進階指南”。

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從一個軟件架構師的角度來看，這本書提供瞭一個極佳的、統一的框架來審視所有涉及共享資源訪問的問題。它真正做到瞭“編程與數據庫係統”的無縫銜接，打破瞭傳統教材中將兩者割裂開來的弊端。書中關於分布式一緻性協議在數據庫復製場景下的應用分析，讓我對理解CAP理論有瞭更深層次的認識，特彆是當涉及到拜占庭容錯的探討時，其深度已經達到瞭博士論文的級彆。這本書的討論遠超齣瞭日常開發中常見的綫程同步問題，它探討的是如何構建在不可靠網絡和硬件之上，仍然能提供強一緻性保證的宏大體係。我發現自己開始在設計新的微服務架構時，習慣性地去套用書中的並發約束模型進行評估，這種思維方式的轉變，無疑是閱讀此書帶來的最大收獲。總而言之，這是一本需要投入時間和精力的著作，但它所帶來的知識迴報，是任何快速教程或博客文章無法比擬的，是領域內不可或缺的基石性讀物。

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讀完這本《Concurrency in Programming and Database Systems》，我的感受真是五味雜陳，有點像是第一次嘗試探索一個宏大而復雜的迷宮。坦率地說，這本書的內容深度和廣度都超齣瞭我的預期，尤其是在係統層麵的並發控製和數據庫事務處理方麵，作者的講解鞭闢入裏。我特彆欣賞它在理論和實踐之間的平衡，書中不僅詳細剖析瞭經典算法的數學基礎，比如兩階段鎖定（2PL）的變體以及樂觀並發控製（OCC）的各種優化策略，還穿插瞭大量真實的工程案例。例如，在討論分布式事務的挑戰時，作者並沒有止步於Paxos或Raft的錶麵描述，而是深入挖掘瞭它們在處理網絡分區和節點故障時的細微差異，這對於我這種希望構建高可用係統的開發者來說，無疑是寶貴的財富。然而，書中對某些新興的、基於Actor模型的並發框架著墨不多，略顯遺憾，或許是受限於齣版時間的考量，但從整體架構設計思路來看，這依然是一本值得反復研讀的經典之作，它提供瞭一個堅實的基礎，讓你能夠理解為何某些看似簡單的操作背後隱藏著如此精妙的工程權衡。

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我最近一直在研究如何優化我們舊版係統的數據庫性能瓶頸，這本書中關於“快照隔離級彆（Snapshot Isolation）”的章節簡直就是及時雨。作者沒有簡單地羅列隔離級彆的定義，而是深入剖析瞭在不同數據庫內核（比如PostgreSQL和MySQL）中，快照隔離是如何通過多版本並發控製（MVCC）來實現的，特彆是關於“幻讀”問題的處理機製，解釋得尤為透徹。書中對比瞭基於時間戳的並發控製和基於鎖的並發控製在延遲和吞吐量上的內在矛盾，這一點讓我對係統選型有瞭更清晰的認識。我尤其喜歡作者在討論可序列化（Serializable）級彆時，引入瞭“可串行化性理論”的嚴格證明，這使得原本感覺虛無縹緲的理論變得具體可感。這本書的價值不僅在於告訴你“如何做”，更在於讓你理解“為什麼必須這樣做”，它培養的是一種審視和質疑現有設計的能力，而不是單純的復製粘貼代碼。

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