現代操作系統的內核線程調度是什麼方式，和CPU使用率什麼關係？

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CPU使用率是如何計算的呢？一般情況下如果一個線程結束了，只需要分配CPU給下一個就好了啊，不會存在中間什麼都不做的空狀態的吧，那佔用率應該是100%啊？

題主說的情況基本不會遇到。現代操作系統雖然都是 preemptive multitask。但是 99.99% 的情況下是一個進程 voluntarily relinquish CPU。比如說，一個進程讀 disk 的時候，控制權就交給 disk controller 了，這時進程就被掛起了，直到 disk controller 告訴操作系統任務完成，這個進程才會再參與到 schedule 中。

在 95% 以上的時間裡，系統里的所有進程都是被掛起的：都在等待某個外圍設備。現代操作系統中很少有進程發起全力計算兩分鐘以上的，對於 MBP 來說，這個時候風扇就已經開始高速了。

CPU 的使用率：CPU 是不存在「什麼都不做」的狀態的。當所有進程都掛起的時候，操作系統會運行內核里的一個零號進程。這個進程佔用 CPU 的百分比就是系統的 idle 率。在古老的 386 里，這個零號進程就是空循環。後來有了高級電源管理，這個零號進程就是調用高級電源管理的功能讓 CPU 降頻等等，把發熱降下來。

樓主的問題描述有些不清晰，我來總結一下你的問題：

1）如果系統中由兩個以上的未結束線程，那麼CPU不會處於空閑態？

2）CPU是按照時間片進行調度的，一個線程的時間片用完以後，就會切換到下一個進程？

3）既然是按照時間片來調度，那麼為何我們在播放音樂的時候，感覺不到某個線程的停頓？

問題：CPU會不會空閑?

首先，對於問題1，應該區分線程空閑和CPU空閑本質上是兩個事情。如果樓主使用的是linux系統，可以查看/pro/stat下面的數據：

hyk@hyk-pc:~/doc/zhihu$ cat /proc/stat

cpu 83354 334 53262 201868 1122 0 34 0 0 0

cpu0 17994 190 16228 49495 691 0 30 0 0 0

cpu1 17943 18 14140 52669 111 0 0 0 0 0

cpu2 26525 18 10393 48140 188 0 1 0 0 0

cpu3 20890 107 12500 51563 131 0 1 0 0 0

這裡面顯示的是CPU在系統時間、用戶時間、空閑時間、IO等待時間等方面消耗的時間片.回到樓主的問題，CPU會不會空閑？答案是會！從宏觀上講，如果進程在等待磁碟讀寫、網卡數據等，都會造成CPU空閑；從圍觀上講，如果CPU執行了nop指令，比如sleep函數，也會導致cpu空閑。一個系統中的真正活躍進程並不多，所以會由cpu使用率並不高的情況。

問題：線程/進程如何根據時間片切換？

第一，一個進程運行的時候，如果發生了阻塞，即使時間片沒有用完，也會進行切換；

第二，對於帶有優先順序的進程調度演算法，即使當前時間片用完，進程的分配時間片如果還有剩餘，也不會發生切換。

所以一個線程的時間片用完之後，切換到下一個時間片，這個說法不嚴謹。

問題：為何我們感受不到音樂線程的暫停？

首先，我們要弄清楚一件事情，音樂是由音效卡來播放的，不是由CPU來播放的；所以CPU僅僅需要做好控制工作，將數據發送給音效卡驅動就可以了，播放music，其實和CPU沒有太大的關係。

其他：1)系統負載和CPU利用率的關係？

目前的負載評價手段，雖然由很多，但主要的是運行隊列中的進程數目，這個你可以調用uptime來查看。即使只有一個程序，比如核心代碼是

while（true）{

a++;

}

那麼這個程序將會導致CPU的利用率是100%；但是這個CPU的負載並不高。但是如果你的CPU需要運行很多進程，而且這些進程又都處在就緒態，那麼這個CPU負載就很高了。

2）SMP下的進程調度

在現代計算機上，又很多CPU，目前的調度演算法是如果某個CPU的負載超過最低CPU負載的25%，那麼將發生進程遷移。當然，你也可以講某個線程綁定在某個CPU上。

實踐：《編程之美》上有一道題目：如果編寫程序講CPU的利用率曲線變成一個正弦曲線，不妨試一試，就能理解很多問題了。

先簡單回答一下:

以linux來講, 不管個人桌面還是sever端, 都不太可能有100個以上的物理線程.

其次, linux的"時間片"默認是4ms.

如何保證每個進程的運作近似連續的？

沒辦法三言兩語說清楚, 簡單說就是每個線程輪流運行.

一般情況下如果一個線程結束了，只需要分配CPU給下一個就好了啊.

還有負載均衡的問題, 比較複雜.

不會存在中間什麼都不做的空狀態的吧，那佔用率應該是100%啊？

簡單說, 會的, 所以使用率不會一直是100%.

請參考 @馮東的答案.

現在虛擬化技術很常見了, 這種情況下統計各任務cpu準確使用率比較複雜, 不細講.

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任務調度其實重點就是計算優先順序（權重）的策略不同而已，優先順序的策略不同導致了時間片分配策略不同。os分配時間片時還要考慮虛擬化的因素。細節搜vruntime

數據結構linux內核cfs用rbtree實現優先隊列，rt調度用雙向鏈表。有些用戶態job scheduler也有用graph，其實基本就是實現優先隊列。軟實時硬實時啥的我就不扯了，自己google

調度策略就主動sleep/sche_yield，或者被動等kernel每次硬中斷時統一處理work queue（linux默認是4ms）。

切換時不同的task實現需要保存的context（簡單理解為結構體）不同而已，比如linux的task_struct（內嵌thread_info標識線程），lua的lua_state，erlang的 process等等。

概念上, 進程比線程多了切換頁表的開銷.

userland task優點是沒有進出內核的切換開銷, 缺點是需要自行實現任務調度和context管理, 一般人都使用庫或者原生支持userland task的語言.

掃盲看看Schedule

題主舉的例子很理想化。

假如單核，同時有50個進程線程處在運行狀態，如果這些進程執行過程中一直不會因為等待資源（硬碟、網路、感測器等）進入阻塞態，只會因為時間片用完了進入就緒態。

那此時linux下cpu佔用率是100% ，負載高達50 。就不要想太多了。

事實上，單核只要一個這樣的線程，就能把cpu佔用率搞到100%了。

這樣的線程也很好寫， while(1) ; 就ok。只要線程優先順序夠高。

另一個問題，是媒體播放器如何做到流暢的? 簡單說這樣的音頻視頻網路控制器都會有自己的硬體緩衝區，就像水庫那樣，緩衝區里有數據，控制器就能持續輸出。只要程序在佔有時間片時，準備好了足夠多的數據，自己搬或者稍後用dma搬到控制器自己的緩衝區里，就能保證不斷流了。

1000個進程，100個最高優先順序（並且是就緒狀態），確實多了。不管怎樣，按這個討論。

Linux上現在預設用的CFS（完全公平調度器），時間片的長度是會變的。沒修改過的話，是從0.75ms到6ms。進程數，也是影響時間片長度的因素之一。所以，即使有100個，輪到的一次的時間，也沒那麼長。

另外，任何線程做阻塞的系統調用，就放棄當前的時間片了。系統里的多數進程，其實都在等用戶的輸入；在用戶有新的輸入之前，系統調用不會返回，它也就不會得到新的時間片。也就是說，真正就緒狀態的線程不會太多的。

至於音樂播放器，流暢播放和時間片之間的間隔沒有太大關係。只要每個時間片里準備的音樂數據，超過時間間隔，就可以了。剩下的就是音效卡處理了。

系統里還會有idle進程。其他所有進程都沒有就緒的時候，就會執行它。執行它的時間是不會統計到CPU佔用率裡面的。