1. 程序通訊（Process Communication）
程序協作有其根本性的需求，主要是出於四點：資訊共享，通過並行提升計算速度，利於模組化以及方便性。因此也衍生出了程序通訊（IPC）的需求。下面將概述IPC的相關內容。
程序通訊用於程序之間的資料交換，主要有兩種抽象模型：其一共享記憶體模型（Shared memory），其二訊息傳遞模型（Message passing）。
顧名思義，採用共享記憶體的程序間通訊需要建立共享記憶體區域，它們通過在共享記憶體區域讀或寫來交換資訊。我們通過生產者—消費者模型對共享記憶體模型稍作研究。這個模型裡，生產者程序產生資訊以供消費者程序“消費”。為了能使這兩種程序併發執行，必須要有一個緩衝來被生產者填充併為消費者所使用。緩衝可以看作一個佇列，生產和消費可以分別看作入隊和出隊。這裡緩衝分為兩類，有限緩衝和無限緩衝，二者區別在於後者情況下，生產者無需等待，總是有緩衝區域存放其生產的訊息。
對於訊息傳遞模型，則不需要共享地址空間。訊息傳遞工具需要至少提供兩種操作：傳送訊息和接收訊息。而這兩種操作的關鍵在於通訊線路（Communication Link）。這裡我們只分析其邏輯實現，關注以下幾個問題。命名：在直接通訊中，需要通訊的每個程序必須明確的命名通訊的接收者或者傳送者。這種方案會在二者之間自動建立線路。但是這樣限制了程序定義的模組化。而在間接通訊中，通過郵箱或者埠來傳遞訊息。同步：訊息傳遞可以是阻塞非阻塞的，也稱為同步或者非同步。很容易理解，即程序是否會因為send()或者receive()而阻塞。緩衝：通訊交換的資訊駐留在臨時佇列裡，有三種實現方法：零容量，有限容量，無限容量。關鍵區別在於佇列的大小不同，對傳送者的阻塞情況不同，零容量必須阻塞傳送，有限容量會在佇列滿了的時候阻塞傳送，無限容量不會阻塞。
通過網路通訊的程序需要使用一對sockets作為端點，由一個iP地址和一個埠號組成。Socket一般採用客戶端-伺服器結構，伺服器通過監聽指定埠來等待客戶請求，收到請求後會自動連線。一般，1024以下的埠用於標準服務。

除此之外，程序通訊的方式還有管道（pipe）。管道分為普通管道和命名管道；兩者都是半雙工的。普通管道只能用於父子程序或兄弟程序間的通訊，因為普通管道通過fork呼叫來拷貝檔案描述符的，在檔案系統中，普通管道並不對應物理檔案。命名管道在檔案系統中有物理檔案存在，因此可以用於非親屬的程序間通訊。

2. 程序同步（Process Synchronization）
系統的不同部分操作資源，自然需要這些變化不相互影響，這是就需要程序同步。
總體來說，程序同步通過臨界區來實現，臨界區問題必須確保：互斥，前進，有限等待。臨界區前後分別由進入區和退出區，其它為剩餘區。
臨界區問題有兩類處理方法：搶佔核心和非搶佔核心。容易理解，非搶佔核心資料從根本上不會導致競爭條件，而搶佔核心情況下則複雜得多。但是考慮到後者在響應時間和實時程式設計的優勢，這種複雜值得花費力氣解決。這裡討論一些solution proposals。（a）使臨界區不可被打斷，與非搶佔核心類似，程序在臨界區內時不允許上下文切換，我們可以通過一個系統呼叫來實現這個需求。（b）嚴格輪換，但是忙等會浪費CPU資源。而且輪換如此嚴格，使連續多次執行某個程序的臨界區成為不可能。（c）對嚴格輪換進行改進得到Peterson’s solution，使用了兩個共享資料項int turn和boolean flag。但是同樣會導致忙等，而且可能會使程序的優先權錯位（d）在硬體上實現互斥鎖，同樣忙等。
實際最終我們選擇的方案是——訊號量。訊號量是一種資料型別，只能通過兩個標準原子操作訪問wait()和signal()。訊號量通常分為計數訊號量和二進位制訊號量，後者有時稱為互斥鎖。可以使用二進位制訊號量處理多程序的臨界區問題，而計數訊號量可以用來控制訪問具有若干例項的某種資源，此時訊號量表示可用資源的數量。
當一個程序位於臨界區時，其他試圖進入臨界區的程序必須在進入程式碼中連續地迴圈，這種稱為自旋鎖，會導致忙等。為了克服這一點可以修改wait()和signal()地定義——當一個程序執行wait()需要等待的時候，改為阻塞自己而不是忙等。阻塞操作將此程序放入到與訊號量相關的等待佇列中，狀態改為等待，然後會選擇另一個程序來執行。
考慮程序同步時，很重要的一點是避免死鎖。死鎖的特徵包括：互斥、佔有並等待、非搶佔、迴圈等待。當死鎖發生時，程序永遠不能完成，所以必須解決。有三種方法：（1）使用協議確保死鎖不發生（2）允許死鎖然後檢測恢復（3）認為死鎖不存在。

此外，程序同步中有三個經典問題，用來檢驗新的同步方案——生產者消費者問題、讀者-寫者問題、哲學家進餐問題，可以用來分析中的各種情況包括死鎖問題，這裡不作具體分析。

3. 程序排程
首先明確，程序執行由CPU執行和I/O等待週期組成，程序在這兩種狀態之間且切換。因為運算資源CPU是有限的，所以為了提高利用率，在CPU空閒時，必須從就緒佇列中選擇一個程序執行，具體到如何選擇，這就產生了排程。
排程應當滿足以下準則：CPU使用率和吞吐量最大化，週轉時間、等待時間和響應時間最小化。
稍微概述幾種排程演算法。
a) 先到先服務演算法：即先請求cpu的程序先分配到程序，實現簡單，但平均等待時間通常較長。考慮FCFS排程在動態情況下，會產生護航效果，會導致cpu和裝置使用率變得很低。
b) 最短作業優先排程：cpu空閒時，它會賦給具有最短cpu區間的程序，SJF演算法可證為最佳，其平均等待時間最小。但是困難在於如何知道下一個cpu區間的長度。一種方法是近似SJF排程，可以用以前cpu長度的指數平均來預測下一個區間長度。
c) 優先順序排程：每個程序都會有一個優先順序，具有最高優先順序的程序會被分配到cpu。這種演算法的主要問題是無窮阻塞或者飢餓，可以使用老化的方法來處理。
d) 輪轉法排程：專門為分時系統設計，與FCFS類似，但是增加了搶佔。這裡定義了一個時間片，就緒佇列作為迴圈佇列，每個程序分配不超過一個時間片的cpu。
e) 多級佇列排程：將就緒佇列分為多個獨立佇列，根據程序屬性每個佇列有自己的排程演算法。而且佇列之間必須有排程，通常採用固定優先順序搶佔排程。例如，前臺佇列可以比後臺佇列具有絕對的優先順序，這樣也符合互動的要求。
f) 多級佇列反饋排程：與多級佇列相比，差異在於允許程序在佇列之間移動。
如果在多個處理器的情況下，負載分配成為可能。一種方法是讓一個處理器處理所有排程決定，成為非對稱多處理。這種方法，資料共享的需要較小。另一種是對稱多處理（SMP），每個處理器自我排程。
此外，程序在不同處理器轉移時，第一個處理器快取必須無效，第二個處理器快取需要重構，這樣做代價太高，所以SMP系統儘量避免這樣做，試圖提高處理器親和性，努力使一個程序在用同一個處理器上執行。
為了更好的利用多處理器，更重要的一點是負載平衡，負載平衡通常有兩種方法：Push migration和Pull migration，篇幅所限，此不贅述。
參考文獻:
[1] Abraham Silberschatz. 作業系統概念. 高等教育出版社, 2007.3.