多任務(wù)（multitask）同時執(zhí)行多個進程，而多線程（multithread）允許單個進程同時執(zhí)行多個線程。

1. 多任務(wù)編程

當OS使用一個規(guī)劃策略允許兩個或更多進程并發(fā)共享一個CPU時，它稱做多任務(wù)編程（multitasking）或多程序編程（multiprogramming）。

多任務(wù)可以在3個級別上發(fā)生：

a. 對話級； b. 進程級； c. 線程級。

對話級的多任務(wù)由用戶控制。用戶運行若干應(yīng)用程序或?qū)υ挄r發(fā)生用戶控制多任務(wù)（user-controlled multitask）。對話創(chuàng)建一個虛擬計算機以及它的鍵盤、鼠標和屏幕，當執(zhí)行一個對話時，用戶可以決定切換到另一個對方中。因為由用戶決定哪一個應(yīng)用或?qū)υ捨挥谇芭_或后臺，以及終止哪一個應(yīng)用或?qū)υ挘苑Q之為用戶控制多任務(wù)。用戶也可以打開新應(yīng)用程序或?qū)υ挕?/p>

在對話間，多個進程可以并發(fā)激活，通過相互合作來完成一個目標。當在一個對話中有多個進程激活時，這稱做進程級多任務(wù)編程（process-level multitasking）。

進程由多個單獨的任務(wù)組成，每個任務(wù)都有自己的控制流程，這些任務(wù)充當輕量級的進程即線程。進程內(nèi)的多線程并發(fā)執(zhí)行稱做多線程編程（multithreading）。

對話間的多任務(wù)是一個高級別的多任務(wù)，它受用戶所控制。進程間的多任務(wù)以及多線程在低級別上實現(xiàn)，并受到程序員的嚴重影響。程序員創(chuàng)建進程，并決定每個進程的線程數(shù)，還決定任務(wù)的優(yōu)先權(quán)以及什么時候掛起，什么時候終止。

多任務(wù)的目的是增加系統(tǒng)完成的工作量。多任務(wù)通過保持資源（CPU，I/O等）的繁忙而且試圖防止它們在系統(tǒng)中處于非激活狀態(tài)來使用資源。大部分任務(wù)不能不間斷執(zhí)行，因為它們需要等待I/O或另一個任務(wù)的終止，此時就可讓給其它任務(wù)來使用資源，以充分提高CPU的使用率。

2. 合作和搶占式多任務(wù)

多任務(wù)使用兩種規(guī)劃原則來實現(xiàn)：合作（cooperation）與搶占（preemption）。通過搶占，OS保持對處理器的控制。一旦任務(wù)提交給處理器后，它只執(zhí)行短暫的時間段，然后分配另一個任務(wù)給處理器。而通過合作，任務(wù)分配給處理器后，它就不能被搶占。為了讓另一個任務(wù)執(zhí)行，運行任務(wù)必須自愿從處理器中刪除自身。

2.1 合作多任務(wù)

合作多任務(wù)允許任務(wù)控制處理器，OS放棄對處理器的控制，任務(wù)一旦擁有處理器就可以選擇運行任意長的時間而不會被系統(tǒng)操作搶占，除非它自己放棄了控制權(quán)。在這樣的OS下，任何任務(wù)都可能發(fā)生饑餓。合作多任務(wù)使用優(yōu)先權(quán)規(guī)劃。如果阻塞或掛起一個高優(yōu)先權(quán)的任務(wù)，則低優(yōu)先權(quán)任務(wù)被分配給處理器，它可以獨占處理器，不允許高優(yōu)先權(quán)任務(wù)有執(zhí)行時間。

擁有處理器的任務(wù)可以在等待一個I/O請求完成時一直占據(jù)處理器。系統(tǒng)依賴于任務(wù)間的合作來保持系統(tǒng)平穩(wěn)運行。任務(wù)必須與所有的普通系統(tǒng)函數(shù)合作，否則這些函數(shù)就會受到侵犯，因為任務(wù)正占據(jù)著處理器。

通過合作實現(xiàn)多任務(wù)的方式如下：

a. 設(shè)置它使用處理器的時間限制；

b. 在代碼中設(shè)置邏輯斷點，在此處放棄處理器；

c. 當發(fā)出I/O請求時放棄處理器；

d. 當系統(tǒng)操作需要立即執(zhí)行時放棄處理器；

e. 放棄處理器允許交互任務(wù)使用處理器；

f. 放棄處理器允許系統(tǒng)對中斷作出反應(yīng)。

合作多任務(wù)的優(yōu)點如下：

a. 對時間重要任務(wù)和通信任務(wù)不會被搶占；

b. 程序員控制了系統(tǒng)的操作；

c. 強迫程序員按防錯方式設(shè)計任務(wù)，有目的性地允許合作；

d. 任務(wù)的執(zhí)行和反應(yīng)更具可預(yù)測性；

e. 一種公平的規(guī)劃方法：引入的高優(yōu)先權(quán)任務(wù)不能取代已經(jīng)運行的任務(wù)；

f. 比搶占式規(guī)劃開銷低，搶占式規(guī)劃因為頻繁的上下文切換，所以需要在主存儲器中保持多個任務(wù)。

合作多任務(wù)的缺點：

a. 允許任務(wù)獨占處理器；

b. 多任務(wù)只在任務(wù)得到處理器時才發(fā)生。由程序員決定是否發(fā)生多任務(wù)；

c. 可能得不到可接受的反應(yīng)時間；

d. 程序員控制了系統(tǒng)的操作；

e. 程序員在設(shè)計任務(wù)時，必須考慮OS的操作，而不是排它性地設(shè)計任務(wù)的功能性；（無疑這樣對程序員的要求高了不少）

f. 沒有設(shè)計為合作的任務(wù)可以阻止正常合作任務(wù)的執(zhí)行；

g. 長時間運行任務(wù)將使短時間運行任務(wù)等待；

h. 設(shè)計不良的任務(wù)可能導致整個系統(tǒng)停頓。

2.2 搶占式多任務(wù)

搶占式多任務(wù)是多任務(wù)的一種形式，在這種形式中，OS不會等到任務(wù)自愿將處理器交還系統(tǒng)，讓它分配另一個任務(wù)給處理器。每個任務(wù)運行短暫的一段時間，稱為時間片斷（slice）或時間片（quantum），當時間片過期時，OS搶占執(zhí)行并分配另一個任務(wù)給處理器。任務(wù)在時間段過期前，可以自愿放棄處理器；但如果仍然執(zhí)行，則該任務(wù)會被刪除。

搶占式多任務(wù)的優(yōu)點：

a. 不允許任何任務(wù)獨占處理器；

b. 設(shè)計不良的任務(wù)不限止其它任務(wù)的執(zhí)行，而且不導致整個系統(tǒng)的停頓，因為它們將被搶占；

c. OS保持對系統(tǒng)的控制；

d. 設(shè)計任務(wù)時，程序員不必考慮系統(tǒng)的操作，而可以排它性地設(shè)計任務(wù)的功能性；

e. 通過分配每個任務(wù)一段處理器時間來推進任務(wù)的執(zhí)行；

f. 由于上下文的切換，所以有可接受的反應(yīng)時間；

g. 新引入的高優(yōu)先權(quán)可以搶占運行任務(wù)；

h. 多任務(wù)由OS執(zhí)行，而不是由程序員來執(zhí)行。

搶占式多任務(wù)的缺點：

a. 時間敏感任務(wù)和通信可能被搶占；

b. 比合作式多任務(wù)開銷大，因為頻繁的上下文切換，所以必須在主存儲器中保持多個任務(wù)。

2.3 時間片的大小

如果時間片太長，一旦某個任務(wù)得到處理器，它就執(zhí)行到完成，而不是多任務(wù)地執(zhí)行，系統(tǒng)操作性能就會降級到連續(xù)性執(zhí)行；而如果時間片過短，開銷變得更為重要。時間片的長度隨系統(tǒng)的不同而不同，在不同的條件下也可能發(fā)生變化，還可能針對不同類型的任務(wù)而有所不同。

一些OS允許更改時間片的長度。時間片有一個最小值和一個最大值，以毫秒為單位。用戶按這種方式定義后，它就成為一個靜態(tài)值。缺省時間片為動態(tài)，根據(jù)系統(tǒng)裝載的不同，時間片的大小也會改變。對于允許這種變化的系統(tǒng)，在文件config.sys中定義時間片的大小。

3. 多處理器下的多線程

非對稱和對稱系統(tǒng)都處于一種緊密耦合（tightly coupled）環(huán)境中。緊密耦合環(huán)境意味著，處理器處于一種使用單一操作系統(tǒng)控制所有處理器的單一系統(tǒng)中。這些處理器有一個用于通信的共享內(nèi)存區(qū)域，只要在這里存在共享的內(nèi)容，就有可能存在對它的競爭。通過在處理器間分布任務(wù)裝載、使用阻塞或每個處理器的緩沖內(nèi)存，可以將這種競爭降到最低限度。

緊密耦合環(huán)境與松散耦合環(huán)境相反。在松散耦合環(huán)境中，存在兩個或更多的獨立系統(tǒng)，它們各自有自己的存儲器和操作系統(tǒng)。這種系統(tǒng)通過消息傳遞或遠程過程建立通信鏈接，相互間可以訪問對方的文件。在緊密耦合環(huán)境中，處理器訪問相同的就緒隊列。在松散環(huán)境中，獨立系統(tǒng)保持有自己的單獨就緒隊列。單個進程的線程可以利用緊密耦合的多處理器。

3.1 非對稱多處理器處理

在非對稱組織的多處理器處理系統(tǒng)中，一個處理器執(zhí)行一個設(shè)計好的任務(wù)。設(shè)計用一個處理器（譬如處理器0）一執(zhí)行輸入和輸出，其它處理器（譬如處理器1到處理器n）執(zhí)行計算密集型的任務(wù)。只要需要執(zhí)行I/O，就用處理器0來執(zhí)行，它只執(zhí)行操作系統(tǒng)，而用戶任務(wù)不能在執(zhí)行OS所在的處理器上執(zhí)行。非對稱多處理器處理用于非對稱硬件上，例如一個處理器和一個協(xié)理器（coprocessor）。

非對稱多處理器給其上的每個處理器進行了職能劃分，限定了其分別所可執(zhí)行任務(wù)的種類，因此它允許處理器處理空閑（即使有任務(wù)在等待執(zhí)行），所以整體上減少了處理器的吞吐量。

3.2 對稱多處理器處理

多處理器對稱組織具備一個相互等同的處理器池（pool of processor）。處理器不是設(shè)計用于執(zhí)行特殊類型的任務(wù)。任何處理器都可以執(zhí)行系統(tǒng)或用戶線程，都可以控制某個I/O設(shè)備或引用內(nèi)存地址。操作系統(tǒng)線程可在任何處理器上執(zhí)行，而且從一個處理器漂移到另一個處理器上，所以操作系統(tǒng)代碼需要重新進入。某些系統(tǒng)有一個設(shè)計作為執(zhí)行處理器的處理器，它負責系統(tǒng)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)函數(shù)。對稱多處理器處理是一種更穩(wěn)固、可靠的環(huán)境，如一個崩潰，它就不再屬于可用處理器之列了。

3.3 具有多處理器的多線程處理模型

創(chuàng)建具有同時執(zhí)行多線程的進程強迫程序員按并行的方式來思考，程序員必須考慮在同一時刻所有執(zhí)行的形為，以及它們之間相互影響的方式，或者一些全局結(jié)構(gòu)。同時執(zhí)行的任務(wù)可以相互獨立發(fā)揮作用，或者在某個點，可能需要其它任務(wù)的同步或合作。需求同步化時，該任務(wù)可能不能繼續(xù)執(zhí)行，直到其中一個任務(wù)完成為止。需求合作可能意味著該任務(wù)從其它將完成工作的任務(wù)中獲取一些數(shù)據(jù)。完成與其它任務(wù)獨立發(fā)揮作用的同時（simultaneous）任務(wù)則不需要同步（synchronization）。事實上，它們可以不按特定的順序來執(zhí)行。

容易將完全獨立的線程分配給它們自己的處理器來執(zhí)行。其它任務(wù)可能需要一定程度的同步和合作。需要用一個范例為并發(fā)任務(wù)建立模型。模型將特征化如何將工作分解成線程，以及線程如何同步化。模型應(yīng)當包含數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的任何共享數(shù)據(jù)，使用某種類型的阻塞機制可以保護這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使訪問同步化而避免數(shù)據(jù)競爭。

在多處理器處理環(huán)境中，一個用于多線程進程的模型例子是主-次線程模型（primary-secondary thread model）。在這個模型中，一個線程（指主線程）將任務(wù)分解，并分布到次線程中。這些次線程在同一時間調(diào)用。主線程一直等到所有的次線程都完成了它們的任務(wù)，然后才繼續(xù)。主線程與次線程同步執(zhí)行。主線程根據(jù)事先知道的工作調(diào)用線程，將工作大體平分為相等的部分。

管道線模型：工作分為幾個執(zhí)行階段。這些階段創(chuàng)建一個管道線或裝配線，在每個階段執(zhí)行指定的任務(wù)部分。管道線中的每個階段執(zhí)行不同或相同任務(wù)。這些階段并行執(zhí)行。在管道線中為每個階段分配一個線程。

工作堆：分配任務(wù)以隊列形式存在于工作堆中的多個塊。工作線程從堆中請求任務(wù)來執(zhí)行。可以給工作堆添加工作線程。請求可以得到保證，直到工作堆為空。工作堆不同于主-次線程模型，主-次模型需要預(yù)先知道將要完成的工作量，然后創(chuàng)建相應(yīng)數(shù)量的次線程。而在工作堆模型中，預(yù)告不知道工作量，工作線程可能導致執(zhí)行額外的任務(wù)。

4. 規(guī)劃策略

規(guī)劃策略決定什么時候分配處理器，以及分配哪一個線程給處理器。OS可能使用優(yōu)先權(quán)規(guī)劃，其中最高優(yōu)先權(quán)線程被分配給處理器。當存在多個同一優(yōu)先類（或）優(yōu)先級的線程時，使用另一個規(guī)劃方案。

規(guī)劃的發(fā)生級別有：

a. 線程規(guī)劃；

b. 進程規(guī)劃；

c. 中間級規(guī)劃。

像進程、線程這樣的低級別規(guī)劃由分派器來執(zhí)行（分派器常駐在主存儲器中）。中間級別規(guī)劃決定允許哪一個進程競爭處理器。競爭處理器的進程保存在就緒隊列中。在這一級別，進程可以掛起，由于系統(tǒng)負載的變化也可能恢復。這個級別的規(guī)劃是進入系統(tǒng)的進程與競爭處理器進程之間的一個緩沖器。

規(guī)劃策略的目的是決定哪一個進程或線程使用處理器以及應(yīng)當何時使用處理器。它應(yīng)當偏向于占有重要資源的任務(wù)。低優(yōu)先權(quán)任務(wù)可能鎖定資源，而這些資源將被其它具有較高優(yōu)先權(quán)任務(wù)所使用或被系統(tǒng)中的許多激活任務(wù)所使用，因此可能會導致死鎖。這種規(guī)劃機制應(yīng)當偏向于鎖定這類資源的進程或線程，使得它可以釋放資源。

規(guī)劃策略目標：

a. 最大化吞吐量；

b. 強制優(yōu)先權(quán)；

c. 根據(jù)實際，盡量公平；

d. 最小化開銷；

e. 避免無限延遲和饑餓；

f. 偏向于占據(jù)了其它任務(wù)所需資源的任務(wù)；

g. 在需要時，有充足的可用資源，讓反應(yīng)時間可接受；

h. 不應(yīng)當在重系統(tǒng)負荷下崩潰。

常用的規(guī)劃策略如以下：

FIFO（非搶占式）；SJF（最短任務(wù)優(yōu)先，同樣非搶占式）；RR（輪詢，搶占式的）；STR（最短剩余時間，也是搶占式的），HRN（最高反應(yīng)率其次，非搶占式的）。