1.1 上下文切換
切換CPU的當前任務，從一個進程/線程轉換到另一個進程/線程；但切換之前要保護現場，保存當前進程/線程在PCB/TCP中的執行上下文（也就是CPU的狀態）；切換任務需要讀取下一個進程/線程的上下文。
1.2 CPU調度
從就緒隊列中挑選一個進程/線程作為CPU將要運行的下一個進程/線程；需要調度程序（挑選進程/線程的內核函數）；需要考慮的問題是調度的時機。
1.3 調度時機
調度發生在進程/線程生命周期的什么時候呢？從一個狀態轉到另一個狀態的時候會發生調度。
1.4 調度的條件
內核運行調度程序的條件如下（滿足其一即可）：
（1）一個進程從運行狀態切換到等待狀態
（2）一個進程被終結了
1.5 CPU調度方式
1.5.1 不可搶占
調度程序必須等待事件結束（效率低，不采用）。
1.5.2 可以搶占
調度程序在中斷被響應后執行；當前的進程從運行切換到就緒，或者一個進程從等待切換到就緒；當前運行的進程可以被換出。
2、調度原則
（1）調度策略
（2）程序執行模型
執行模型：程序在CPU突發和I/O中交替。
每個調度決定都是關於在下一個CPU突發時將哪個工作交給CPU；在時間分片機制下，線程可能在結束當前CPU突發前被迫放棄CPU。
（3）比較調度算法的准則
- CPU使用率：CPU處於忙狀態所占時間的百分比
- 吞吐量：在單位時間內完成的進程數量
- 周轉時間：一個進程從初始化到結束，包括所有等待時間所花費的時間
- 等待時間：進程在就緒隊列中的總時間
- 響應時間：從一個請求被提交到產生第一次響應所花費的時間
（4）吞吐量 vs 延遲
- 對快的評價指標：傳輸文件時的高帶寬；玩游戲時的低延遲（這兩點相互獨立）
- 減少響應時間：及時處理用戶的輸出並盡快將輸出提供給用戶
- 減少平均響應時間的波動：在交互系統中，可預測性比高差異/低平均更重要
- 增加吞吐量：減少開支（操作系統開支/上下文切換）；系統資源的高效利用（CPU，I/O設備）
- 減少等待時間：減少每個進程的等待時間
- 低延遲調度增加了交互式表現（個人電腦）：如果移動了鼠標，希望屏幕迅速反饋光標的移動。
- 操作系統保證吞吐量不受影響（服務器）：若想結束長時間的編程，所以操作系統必須不時進行調度，即使存在許多交互任務。
吞吐量是操作系統的計算帶寬；響應時間是操作系統的計算延遲。
（5）公平目標
e.g. 保證每個進程占用相同的CPU時間（並不公平，因為一個用戶可能比其它用戶運行更多進程）；保證每個進程都有相同的等待時間。公平通常會增加平均響應時間。
3、調度算法
3.1 FCFS（先來先服務）
FIFO隊列規定，如果進程在執行中阻塞，隊列中的下一個會得到CPU。
優點：簡單
缺點：平均等待時間波動較大（沒有搶占）；花費時間少的任務可能排在花費時間長的任務后面；可能導致I/O和CPU之間的重疊處理（CPU密集型進程會導致I/O設備閑置時，I/O密集型進程也在等待）。
3.2 SRT短剩余時間優先
SPN（SJF）短進程優先（短作業優先）的意思是 選擇下一個最短的進程（短任務優先），即按照預測的完成時間排序將任務入列；注意，它可以是搶占的也可以是不搶占的，對於搶占類型的，才是SRT短剩余時間優先。
優點：平均周轉時間最少；（下圖是一個例子，可以發現SRT的進程平均周轉時間會短一些）
缺點：可能導致飢餓（連續的短任務流會使長任務飢餓；短任務可用時的任何長任務的CPU時間都會增加平均等待時間）；
因此就需要預知未來，但是怎么預估下一個CPU突發的持續時間是一個問題；當進程沒有進行時無法知道下一個進程是長是短。其中一個簡單的解決辦法：詢問用戶。如果用戶欺騙就殺死進程；但是用戶不知道該怎么處理？一般情況下，根據歷史時間分配預估未來時間的分配（也就是根據之前該進程所花的時間來預測它將要花多少時間）：
3.3 HRRN最高響應比優先
在SPN調度的基礎上改進（考慮了等待時間，改善飢餓現象）；不可搶占；關注進程等待了多長時間；防止無限期推遲；
R = (w + s) / s （選擇R值最高的進程） ，其中w：waiting time（等待時間）s：service time（執行時間）
3.4 Round Robin輪轉調度算法
在一個叫做 量子（或時間切片）的離散單元中分配處理器；
如果時間片結束了，那么就接換到下一個准備好的進程(processes execute every (n-1)q time units)；
舉一個例子來理解，如下圖，先設置一個時間片，例如20，那么就讓進程輪流分享這個時間片。先P1執行，用完20后，讓出CPU給P2；但是P2只有8，用完直接給P3；同樣，P3只用20；以此類推。
上表顯示了在不同時間切片長度的情況下，進程的平均等待時間（假設沒有上下文切換的時間損失）：上圖的Best和Worst FCFS分別對應着短的進程線路和長的進程先來。
（1）優點：公平
（2）缺點：額外的上下文切換花銷；如果時間量子太大，則等待時間過長，極限情況下退化成FCFS；如果時間量子太小，雖反應迅速，但是開銷大；吞吐量由於大量的上下文切換開銷而受到影響
（3）目標：選擇一個合適的時間量子
（4）經驗規則：維持上下文切換開銷處於1%以內
3.5 Multilevel feedback queues多級反饋隊列
（1）Multilevel queues多級隊列
兼顧到RR和SRT的優點。就緒隊列被划分為獨立的隊列，比如說前台隊列是負責交互的進程，后台隊列負責批處理進程；而且每個隊列可以有自己的調度策略，比如說前台隊列可以是RR，后台隊列可以是FCFS；需要注意的是調度必須在隊列間進行。比如說，固定優先級，例如先處理前台進程，后處理后台，但是可能會造成飢餓；時間切片，每個隊列都得到一個確定的能夠調度其進程的CPU總時間，例如，80%給前台，20%給后台。
（2）多級反饋隊列
對於I/O密集型任務，放在高優先級隊列，這里的時間片比較短；對於CPU密集型任務，防止低優先級隊列，這里的時間片比較長。（我們希望交互性好，占用資源多的可以放在后面）一個進程可以在不同的隊列中移動。例如，時間量子的大小歲優先級級別的增加而增加；如果任務在當前的時間量子中沒有完成，那么就降到下一個優先級。
3.6 Fair share scheduling公平共享調度
站在用戶的角度實現公平共享CPU資源。因為有的用戶可能開的進程多，有的用戶進程少。
它考慮了以下情況：一些用戶組比其他用戶組更重要；保證不重要的組無法壟斷資源；未使用的資源按照每個組所分配的資源的比例來分配；沒有達到資源使用目標的組獲得更高的優先級。
3.7 不同調度模型的評價准則
- 確定性建模：確定一個工作量，然后計算每個算法的表現
- 隊列模型：用來處理隨機工作負載的數學方法
- 實現/模擬：建立一個允許算法運行實際數據的系統
3.8 面向通用計算系統的調度算法總結
實際上這些調度算法和實際的調度算法是有很多區別的（復雜的多），但是基本的特征是類似的。
（1）FCFS先來先服務：不公平，等待時間較長
（2）SPN/SRT短進程優先：不公平，但是平均等待時間最小；需要精確預測計算機時間；可能導致飢餓；
（3）HRRN最高響應比優先：給予SPN調度的改進；不可搶占；
（4）Round Robin輪循：公平，但是平均等待時間較長；
（5）MLFQ多級反饋隊列：根據CPU和I/O狀態動態調整；和SPN類似；
（6）Fair share scheduling公平共享調度：公平是第一要素
4、實時調度
4.1 實時系統
定義：正確性依賴於其時間和功能兩方面的一種操作系統；
性能指標：時間約束的及時性（deadlines）；速度和平均性能相對不重要；
主要特性：時間約束的可預測性；
強實時系統：需要在保證的時間內完成重要的任務，必須完成；
弱實時系統：要求重要的進程的優先級更高，盡量完成，並非必須；
相關術語：
任務（工作單元job）：一次計算，一次文件讀取，一次信息傳遞等。
屬性：取得進展所需資源；定時參數。
周期任務：任務有規律地重復；周期p = inter-release time (0 < p)；（兩個紅箭頭內）執行時間E = 最大執行時間 (0 < e < p)；（藍色區域）使用率U = e / p。
硬時限：如果錯過了最后期限，可能會發生災難性或非常嚴重的后果；保證確定性。
軟時限：理想情況下，時限應該被最大滿足。如果有時限沒有被滿足，那么就相應地降低要求；盡最大努力去保證。
4.2 可調度性
表示一個實時系統是否可以滿足deadline要求，決定實時任務執行的順序；
靜態優先級調度：運行之前優先級就是確定的；
動態優先級調度：優先級在運行中是動態變化的；
4.3 調度算法
RM（Rate Monotonic）速率單調調度：最佳靜態優先級調度；通過周期安排優先級；周期越短，優先級越高；先執行周期最短的任務
EDF（Earliest Deadline First）最早期限調度：最佳的動態優先級調度；Deadline越早，優先級越高；先執行Deadline最早的任務
5、多處理器調度與優先級反轉
5.1 多處理器調度的原因
多處理器的CPU調度更加復雜（多個相同的單處理器組成一個多處理器，它的優點是負載共享）；
還有對稱多處理器（SMP）（每個處理器運行自己的調度程序，需要在調度程序中同步）；
5.2 優先級反轉
優先級反轉可以發生在任何基於優先級的可搶占的調度機制；當系統內的環境強制使高優先級任務等待低優先級任務時發生。
5.2.1 優先級反轉
優先級反轉的持續時間取決於其它不相關任務的不可預測的行為。在這種情況下，高優先級可能比低優先級任務晚完成。例如下圖，優先級T1 > T2 > T3。
首先時間軸上，只有T3有任務，所以在t1 ~ t3是T3在執行；到t2的時候，T3訪問了一個藍色的貢獻資源（T1在t4時也要用）；到了t3時，T1出現了，它的優先級更高，所以T3中斷，T1執行；直到t4時刻，T1需要使用T3占用的藍色資源釋放后才能繼續執行，所以把CPU讓給T3；t4 ~ t5是T3執行，t5時，此時T2出現，優先級比T3高，所以T3終止，執行T2；T2執行完后，T3在時間t6 ~ t7中釋放了藍色共享資源，T1才能繼續執行。這里出現了個奇怪的現象，也就是優先級更高的T1，需要等T2運行完才能執行。
5.2.2 優先級繼承
低優先級任務即成高優先級任務的優先級，這個依賴於他們共享的資源。此時T3的優先級會動態的得到提升，此時T2無法搶占T3。
優先級天花板：