對於多道程式設計的系統，就會有多個程序或者執行緒在同時競爭cpu。對於單核系統，排程問題，就是選擇下乙個要執行的程序或者執行緒是哪乙個。
執行緒的排程與程序類似，對於按核心級別的排程，與執行緒所屬的程序基本沒有關係。
程序切換的代價是比較大的，包括使用者態到核心態的切換、儲存當前程序的狀態、記憶體映像的改變、排程程式以及載入新程序的狀態；另外，會導致快取記憶體的失效。
排程程式要考慮的要素：
（1）程序是cpu密集型還是i/o密集型。i/o密集型可能會需要盡快執行，並且很快就阻塞。cpu密集型可能會長期占用cpu。
（2）何時排程。建立程序、程序退出、程序阻塞以及i/o中斷發生。
（3）是否支援搶占。支援搶占的排程，可以不必等待當前程序執行完或阻塞，直接上cpu執行。
一、排程演算法的分類。
不同的環境需要不同的排程演算法，也有不同的考量指標：
（1）批處理。批處理系統下，不需要特別快的響應速度，所以可以考慮非搶占以及每個程序都有長時間的搶占演算法。指標主要是：吞吐量、周轉時間以及cpu利用率。
（2）互動式。互動式系統下，搶占是必須的，因為操作者會希望比較快的得到響應。考慮的指標主要是最小響應時間、均衡性。
（3）實時。實時系統下，最重要的是滿足截止時間要求，即在一定的時間內完成任務。
二、批處理系統中的排程
1、先來先服務（first-come-first-serve）。最簡單的方式，非搶占式的先來先服務，從字面意思就可以看出，把任務作為乙個佇列，先來先服務。缺點是，無法體現任務的輕重緩急，達不到理想的指標效能。
2、最短作業優先。非搶占式下，即當乙個任務完成時，從任務佇列中挑選最短的乙個作業執行。相對於先來先服務，提高了一些效能。執行時間必須提前掌握。
3、最短剩餘時間優先。即最短作業優先的搶占版本。排程程式總是選擇剩餘執行時間最短的作業執行。每當乙個新的作業到達，如果執行時間比當前程序的剩餘執行時間短，就掛起當前程序並切換到新的程序。
三、互動式系統中的排程
1、輪轉排程。最簡單且最公平的方法，給每個程序分配乙個時間片。時間片耗盡時，程序會下cpu並加入到就緒佇列的末尾。問題的關鍵是選擇合適的時間片。
2、優先順序排程。程序有輕重緩急，於是給程序設定不同的優先順序，每次排程優先順序最高的程序執行。當然，這樣可能會導致低優先順序程序飢餓。解決方案是，實行獎懲機制，高優先順序程序耗盡時間片時會降低它的優先順序。
3、多級佇列。給不同優先順序的程序佇列，設定不同單位的時間片。同時，也實行獎懲機制，耗盡時間片會改變程序的佇列級別。
四、執行緒的排程
執行緒的排程，取決於支援的是核心級執行緒還是使用者級執行緒。
對於使用者級執行緒，核心不知道執行緒的存在，就給了程序很大的自主權。核心只是排程程序，程序中的排程程式選擇哪個執行緒來執行。
對於核心級執行緒，執行緒的排程就交給了系統完成。
五、linux中的程序與執行緒排程
首先明確乙個概念，linux系統中甚至沒有真正的執行緒。不過，可以認為linux是系統的執行緒是核心執行緒，所以排程是基於執行緒的。
乙個程序由於其執行空間的不同, 從而有核心執行緒和使用者程序的區分, 核心執行緒執行在核心空間, 之所以稱之為執行緒是因為它沒有虛擬位址空間, 只能訪問核心的**和資料, 而使用者程序則執行在使用者空間, 但是可以通過中斷, 系統呼叫等方式從使用者態陷入核心態。
使用者程序執行在使用者空間上, 而一些通過共享資源實現的一組程序我們稱之為執行緒組, linux下核心其實本質上沒有執行緒的概念, linux下執行緒其實上是與其他程序共享某些資源的程序而已。但是我們習慣上還是稱他們為執行緒或者輕量級程序。
因此, linux上程序分3種，核心執行緒（或者叫核心程序）、使用者程序、使用者執行緒, 當然如果更嚴謹的，也可以認為使用者程序和使用者執行緒都是使用者程序。
linux中，程序和執行緒都被維護為乙個task_struct結構，執行緒和程序被同等對待來進行排程。
linux將執行緒區分為3類：
（1）實時先入先出。
（2）實時輪轉。
（3）分時。
實時先入先出有最高的優先順序，不會被其他執行緒搶占，除非是另外乙個剛剛準備好的且優先順序更高的實時先入先出線程。
實時輪轉執行緒與實時先入先出類似，不過有乙個輪轉體系，即分配乙個時間片，時間到了就可以被搶占。時間片消耗完就進入實時輪轉執行緒列表的末尾。其實，這兩種都不是真的實時，因為執行的最後期限無法確定，只是比分時執行緒有更高的優先順序。
實時執行緒的優先順序從0-99,0是實時執行緒的最高優先順序，99是實時執行緒的最低優先順序。
傳統的非實時執行緒，優先順序從100-139。linux系統根據非實時執行緒的優先順序分配時間量。
linux使用乙個重要的結構，排程佇列。每個cpu有自己的排程佇列，包括兩個陣列：活動的和過期失效的。每個陣列包括了140個煉表頭，對應140個優先順序的鍊錶。
排程器從正在活動陣列中選擇乙個優先順序最高的任務，如果時間片耗盡失效，就加入到過期失效陣列中。如果程序在時間片內被阻塞，那麼在時間片失效之前，等待的事件發生就可以繼續執行，放回到正在活動的陣列中。如果活動陣列沒有任務了，排程器交換指標，使得活動陣列和失效陣列調換。
不同的優先順序被賦予不同的時間片長度，優先順序越高的程序，時間片越長。
linux採用靜態優先順序與動態優先順序結合的方式。linux採用了獎懲機制，目的在於獎勵互動程序以及懲罰占用cpu的程序。乙個程序初始被賦予了乙個優先順序，耗盡和阻塞會改變nice值，活動與過期程序轉換時，動態改變程序優先順序。
另外，對於多核處理器，執行佇列資料結構與某乙個處理器相對應，排程器盡量進行親和排程，即將之前在某個處理器上執行過的任務再次調入該處理器。
排程器只考慮可以執行的任務，不可執行的任務和正在等待各種i/o操作的或核心事件的任務被放入等待佇列中。每一種等待某種事件的任務組成乙個等待佇列。等待佇列的頭部包含乙個指向任務鍊錶的指標及乙個自旋鎖。
作業系統學習筆記（三） 程序和執行緒的排程
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