并行分布仿真原理
丛 书 名：
新工科建设·系统仿真与工程应用系列
作 译 者：唐文杰 等
出 版 日 期：2026-10-01
书 代 号：G0537120
Ｉ Ｓ Ｂ Ｎ：9787121537127
图书简介：
本书立足于并行分布仿真技术的基础与前沿，面向复杂系统仿真的实际需求，详细阐述系统建模仿真基础、并行计算理论、并行编程、保守时间管理、乐观时间管理、高级并行仿真技术、分布式虚拟环境、数据分发、分布式时间同步等关键理论和技术环节，注重理论与实践相结合，力求为读者构建完整的知识体系与实践能力框架。本书可作为高等院校系统工程、仿真建模、计算机科学与技术等专业的高年级本科生与研究生教材，也可供从事并行分布仿真系统研发的工程技术人员参考。期望本书能为读者打开复杂系统仿真世界的大门，助力其在科研创新与工程实践中走得更远。
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配 套 资 源
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图 书 内 容
内容简介
本书立足于并行分布仿真技术的基础与前沿，面向复杂系统仿真的实际需求，详细阐述系统建模仿真基础、并行计算理论、并行编程、保守时间管理、乐观时间管理、高级并行仿真技术、分布式虚拟环境、数据分发、分布式时间同步等关键理论和技术环节，注重理论与实践相结合，力求为读者构建完整的知识体系与实践能力框架。本书可作为高等院校系统工程、仿真建模、计算机科学与技术等专业的高年级本科生与研究生教材，也可供从事并行分布仿真系统研发的工程技术人员参考。期望本书能为读者打开复杂系统仿真世界的大门，助力其在科研创新与工程实践中走得更远。图书详情
ISBN：9787121537127开 本：16(185*260)页 数：288字 数：507本书目录
第1 章 系统建模仿真基础·······001 1.1 基本概念······001 1.1.1 模型·001 1.1.2 仿真·002 1.1.3 计算机仿真·······002 1.2 仿真分类······003 1.2.1 按应用目的分类················003 1.2.2 按时间更新方式分类········005 1.2.3 按应用场景分类················007 1.3 离散事件仿真···············008 1.3.1 时间·008 1.3.2 未来事件列表···009 1.3.3 事件驱动执行··.009 1.3.4 离散事件仿真程序············010 1.4 离散事件仿真的世界观 011 1.4.1 引例.011 1.4.2 面向对象的建模················012 1.4.3 面向进程的建模················014 1.5 基于智能体的建模仿真015 1.5.1 多智能体模型典型结构····015 1.5.2 智能体特征·······016 1.5.3 智能体交互·······017 1.5.4 环境建模···········018 1.6 并行分布仿真案例·······019 1.7 本章小结······020 课后习题·····020 第2 章 并行计算理论···············022 2.1 并行计算的需求与挑战022 2.1.1 为什么需要并行计算········022 2.1.2 并行编程的挑战················026 2.2 并行计算机体系结构···033 2.2.1 并行计算机实例················033 2.2.2 并行计算机抽象模型········042 2.2.3 互连网络···········046 2.3 并行算法分析···············053 2.3.1 加速比与加速效率············053 2.3.2 阿姆达尔定律···054 2.3.3 古斯塔夫森定律················058 2.3.4 基于计算任务的并行算法分析··········058 2.4 并行算法案例···············061 2.4.1 前缀和计算·······061 2.4.2 归并排序···········063 2.4.3 分治算法的一般形式········065 2.4.4 施特拉森算法···070 2.5 本章小结······071 课后习题·····072 第3 章 并行编程·····073 3.1 影响并行程序性能的关键因素·····073 3.1.1 并行开销···········073 3.1.2 资源竞争···········074 3.1.3 负载均衡···········074 3.2 OpenMP 编程················074 3.2.1 共享内存编程模型············075 3.2.2 使用OpenMP 编写多线程程序··········076 3.2.3 循环并行化·······078 3.2.4 任务并行化·······089 3.3 MPI 编程······093 3.3.1 消息传递接口···093 3.3.2 MPI 的基本操作················096 3.3.3 进程间点对点通信············097 3.3.4 进程间集合通信················101 3.3.5 阻塞和非阻塞通信············104 3.3.6 通信模式···········104 3.3.7 死锁问题···········105 3.3.8 MPI 消息传输的一些特点·108 3.4 CUDA 编程··109 3.4.1 CUDA 概述······109 3.4.2 软件架构··········.110 3.4.3 编程模型··········.110 3.4.4 CUDA 流·········.115 3.4.5 CUDA 库·········.117 3.5 本章小结······123 课后习题·····123 第4 章 保守时间管理···············124 4.1 并行仿真及其正确性保证·············124 4.1.1 并行仿真的描述范式········124 4.1.2 并行仿真与串行仿真的本质区别······125 4.1.3 并行仿真的时间管理问题·127 4.2 基于空消息的时间管理算法·········128 4.2.1 一个简单的保守时间管理算法··········128 4.2.2 CMB 算法·········129 4.3 前瞻值·129 4.3.1 前瞻值的基本概念············129 4.3.2 前瞻值与仿真模型的关系·130 4.3.3 前瞻值的修改···131 4.3.4 解决时间爬行问题············131 4.4 死锁的检测和恢复·······132 4.4.1 死锁检测···········132 4.4.2 死锁恢复···········134 4.5 栅栏同步与暂态消息···135 4.5.1 同步执行问题···135 4.5.2 集中式栅栏·······136 4.5.3 广播栅栏···········137 4.5.4 树栅栏··············137 4.5.5 蝴蝶栅栏···········138 4.5.6 刷新栅栏及其实现············138 4.6 时间戳下界计算与逻辑进程间的距离··········139 4.6.1 时间戳下界计算················139 4.6.2 逻辑进程间的距离············140 4.6.3 同步保守时间管理协议····141 4.7 时间窗口受限算法和条件消息·····141 4.7.1 时间窗口受限算法············141 4.7.2 无条件信息与有条件信息·142 4.8 动态进程及互联···········142 4.9 影响保守时间管理性能的因素·····144 4.10 保守机制的总结与评论···············145 4.11 本章小结····146 课后习题·····146 第5 章 乐观时间管理···············147 5.1 基本概念······147 5.2 时间弯曲算法···············148 5.2.1 时序检测···········148 5.2.2 状态保存与恢复················149 5.2.3 已发送消息的取消及已处理事件重新排队151 5.2.4 零前瞻值和同时事件对可重复性的影响···153 5.2.5 时间弯曲算法全局控制机制··············155 5.2.6 内存回收···········155 5.2.7 错误处理···········156 5.3 GVT 计算·····156 5.3.1 暂态消息问题···157 5.3.2 同时报告问题···158 5.3.3 Samadi GVT 算法··············158 5.3.4 Mattern GVT 算法·············159 5.3.5 Fujimoto GVT 算法···········163 5.3.6 混合异步GVT 算法··········163 5.4 乐观控制······164 5.5 并行仿真的可重复性挑战及应对·165 5.5.1 同时事件和随机数带来的可重复性问题···166 5.5.2 同时事件可重复性应对策略··············167 5.5.3 随机数可重复性应对策略·168 5.6 乐观时间管理与保守时间管理的比较··········170 5.7 本章小结······170 课后习题·····170 第6 章 高级并行仿真技术·······172 6.1 分析仿真性能需求与高性能并行仿真技术思路····172 6.1.1 分析仿真特点及性能需求·172 6.1.2 基于高性能并行计算的分析仿真系统层次式体系架构··············174 6.2 负载均衡技术···············176 6.2.1 并行计算中的负载均衡策略··············176 6.2.2 并行离散事件仿真的负载平衡策略··184 6.3 兴趣匹配算法···············190 6.3.1 蛮力匹配算法···192 6.3.2 基于网格的匹配算法········192 6.3.3 混合算法···········193 6.3.4 基于排序的匹配算法········193 6.3.5 基于树结构的匹配算法····197 6.4 本章小结······200 课后习题·····200 第7 章 分布式虚拟环境···········201 7.1 目标····201 7.2 与PDES 系统的对比····202 7.3 集中式架构与分布式架构·············202 7.4 DIS 介绍······204 7.4.1 DIS 设计原则···205 7.4.2 DIS 协议数据单元·············207 7.4.3 延迟约束···········209 7.4.4 自治与协同的权衡············209 7.5 推算定位······210 7.5.1 推算定位模型··.211 7.5.2 时间补偿···········212 7.5.3 平滑处理···········213 7.5.4 精度与可扩展性的权衡····213 7.6 HLA ····213 7.6.1 历史演进：从DIS 到HLA················214 7.6.2 HLA 概述·········215 7.6.3 HLA 规则·········218 7.6.4 OMT 218 7.6.5 接口规范···········222 7.6.6 典型的联邦执行················223 7.6.7 体系化设计：从规范约束到灵活协作·······224 7.7 本章小结······225 课后习题·····226 第8 章 数据分发·····227 8.1 数据分发需求分析·······227 8.1.1 消息传输的服务特性········228 8.1.2 案例说明···········229 8.1.3 网络性能关键指标············230 8.1.4 DVE 对网络的性能要求···231 8.2 数据分发的网络通信技术基础·····232 8.2.1 网络类型与性能特征········232 8.2.2 通信协议···········233 8.2.3 组通信··············234 8.3 发布/订阅：数据分发的接口抽象235 8.3.1 发布/订阅机制的原理·······235 8.3.2 名字空间、兴趣与描述表达式··········236 8.3.3 接口设计的权衡················237 8.4 HLA 中的数据分发管理···············237 8.4.1 基于类的静态数据分发····238 8.4.2 基于值的动态数据分发····239 8.4.3 组播映射优化···242 8.4.4 动态组播组管理················244 8.4.5 特殊场景挑战：广域观察者与快速移动实体······245 8.5 现代数据分发中间件及应用·········246 8.5.1 消息队列中间件················246 8.5.2 数据分发服务···248 8.6 本章小结······251 课后习题·····252 第9 章 分布式时间同步···········253 9.1 问题描述······253 9.2 消息排序服务···············254 9.2.1 分布式事件排序的意义····255 9.2.2 因果序··············255 9.2.3 因果全序···········258 9.2.4 增量因果序·······260 9.2.5 时间戳排序·······261 9.2.6 消息排序方法的比较与选择··············262 9.3 同步墙钟时间···············263 9.3.1 时间和时钟源···264 9.3.2 时钟同步算法···266 9.3.3 时钟同步误差的修正········268 9.3.4 网络时间协议···268 9.4 本章小结······270 课后习题·····271 参考文献············273 后记···277展开前 言
复杂系统广泛存在于自然界与人类社会之中——从生态系统的种群演化、金融市场的价格波动，到城市交通网络的拥堵蔓延、战场态势的动态演变，无不呈现出非线性相互作用、涌现行为与自适应特征。对这些系统进行建模与仿真，已成为揭示其内在机理、预测演化趋势、支撑科学决策的核心手段。然而，随着系统规模的急剧膨胀与交互拓扑的日益复杂，单机串行仿真已无力承载现实世界对高保真度与强时效性的双重苛求。正是在这一背景下，并行分布仿真技术应运而生，并迅速成为现代复杂系统研究不可或缺的重要支撑。 过去二十年间，并行计算从超算专属逐步走向通用普及，为复杂系统仿真提供了前所未有的强大算力基础。随着多核处理器、GPU 集群与云计算的广泛应用，底层硬件架构与编程接口持续快速演进。面对瞬息万变的技术生态，学习者面临着一个核心挑战：在并行分布仿真的知识体系中，如何准确区分长效的“理论基石”与易逝的“技术细节”？ 这正是编者撰写本书的初衷。近年来，介绍通用并行编程的书籍日益丰富，但专门聚焦并行分布仿真核心机制的教材却相对匮乏。这种理论断层在实践中常埋下隐患：许多从业人员难以理解仿真程序与一般计算程序之间的本质区别，缺乏对因果序与底层机制的深刻认知，导致构建的系统在规模扩展时常暴露出状态不一致或性能断崖式下跌等问题。本书试图直面并行分布仿真的两大基石——时间同步与消息通信，为读者建立一套穿越技术周期的算法与理论坐标系。 本书分为三大部分，遵循“从基础到前沿、从理论到系统”的递进逻辑。 第一部分：基础篇（第1～3 章）。系统梳理建模仿真基础、并行计算机体系结构与并行计算核心理论，夯实知识基础。 第二部分：并行离散事件仿真篇（第4～6 章）。深入剖析逻辑进程范式、保守与乐观时间管理算法，以及负载均衡、兴趣管理等高级技术，贯通并行仿真的核心原理和关键技术。 第三部分：分布式虚拟环境篇（第7～9 章）。探讨分布式虚拟环境、数据分发与时钟同步机制，解决分布式仿真面临的互操作、可扩展性等问题。 本书的目标读者是系统工程、仿真建模、计算机科学与技术等专业的高年级本科生及研究生，以及从事并行分布仿真系统研发的工程技术人员。阅读本书需具备基本的程序设计与算法分析能力。为兼顾不同背景的读者，编者在关键算法处提供了直观的可视化示例与简化伪代码。 本书脱胎于编者团队多年的科研攻关与教学实践。感谢历届选课研究生充当了“第一读者”，他们在课堂讨论中提出的尖锐问题，极大地完善了本书的逻辑体系。特别感谢袁浩哲、汤曜坤、刘卓等骨干成员，他们分别审阅了不同章节，并补充了大量的实验数据与图表。 科学研究是一场没有终点的跋涉。如果本书能让初入此门的年轻学者在面对复杂仿真系统时，拥有一张锚定本质的航海图，那么将慰藉编者数年来的挑灯耕耘。恳请广大读者与同行不吝赐教，您的任何批评与指正都将是对本书最大的支持。 编 者 2026 年1 月展开作者简介
唐文杰，博士，副教授，长期从事复杂系统建模与高性能仿真教学科研工作；主持国家自然科学基金、军委科技委173领域基金等项目；担任多项国家和军队重点科研项目副总师/主任设计师、《系统仿真学报》青年编委、中国计算机用户协会仿真应用分会理事、SIGSIM-PADS等国际会议委员；在ACM TOMACS、IEEE TPDS、JPDC、SIMULATION等期刊发表论文40余篇；获省部级科技进步一等奖、二等奖各1项，国家一级学会科技进步一等奖2项；入选军队高层次人才“青年科技英才”、国防科技大学卓越青年人才。 -
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