进程，在操作系统看来是程序的运行态表现形式。进程调度程序，是确保能有效工作的一个内核子系统。
调度程序负责决定将哪个进程投入运行，何时运行以及运行多长时间。进程调度程序（简称调度程序）可看做在可运行态进程之间分配有限的处理器时间资源的内核子系统。调度程序是像Linux这样的多任务操作系统的基础。只有通过调度程序的合理调度，系统资源才能最大限度的发挥作用，多进程才会有并发执行的效果。
调度程序没有太复杂的原理。最大限度地利用处理器时间的原则是，只要有可以执行的进程，那么就总会有进程正在执行。但是只要系统中可运行的进程的数目比处理器的个数多，就注定某一给定时刻会有一些进程不能执行。这些进程在等待运行。在一组处于可运行状态的进程中选择一个来执行，是调度程序所需完成的基本工作。
4.1 多任务
多任务操作系统就是能同时并发地交互执行多个进程的操作系统。在单处理器机器上，这会产生多个进程在同时运行的幻觉。在多处理器机器上，这会使多个进程在不同的处理机上真正同时、并行地运行。无论在单处理器或者多处理器上，多任务操作系统都能使多个进程处于堵塞或者睡眠状态，也就是说，实际上不被投入运行，直到工作就绪。这些任务尽管位于内存，但并不处于可运行状态。相反，这些进程利用内核阻塞自己，直到某一事件发生。因此，现代Linux系统也许有100个进程在内存，但是只有一个处于可运行状态。
多任务系统可以划分为两类：非抢占式多任务和抢占式多任务。Linux提供了抢占式的多任务模式，在此模式下，由调度程序来决定什么时候停止一个进程的运行，以便其他进程能够得到执行机会。这个强制的挂起动作叫做抢占。进程在被抢占之前能够运行的时间是预先设置好的，叫做进程的时间片。时间片是分配给每个可运行进程的处理器时间段。有效管理时间片能够使调度程序从系统全局的角度做出调度决定，这样做可以避免个别进程独占系统资源。现代操作系统对程序运行都采用了动态时间片计算的方式，并且引入了可配置的计算策略。将看到，Linux的公平调度程序本身并没有采取时间片来达到公平调度。
在非抢占式多任务模式下，除非进程自己主动停止运行，否则它会一直运行。进程主动挂起自己的操作称为让步。理想情况下，进程通常做出让步，让每个可运行的进程享有足够的处理器时间。但这种机制有很多缺点：调度程序无法对每个进程该执行多长时间做出统一规定，所以，进程独占的处理器时间可能超出用户的预料；更糟的是，一个决不做出让步的悬挂进程就能使系统崩溃。Unix从一开始就采用的是抢先式的多任务。
4.2 Linux的进程调度
在Linux2.5开发系列的内核中，开始采用一种叫做O(1)调度程序的新调度程序——它是因为其算法的行为而得名的。它解决了先前版本Linux调度程序的不足，引入了许多强大的新特性和性能特征。主要感谢静态时间片算法和针对每一处理器的运行队列，它们帮助我们摆脱了先前调度程序设计上的限制。
O(1)调度程序虽然在拥有数以十计的多处理器的环境下尚能表现出近乎完美的性能和可扩展性，但是时间证明该调度算法对于调度那些响应时间敏感的程序却有一些先天不足。这些程序称为交互进程——它包括了所有需要用户交互的程序。O(1)调度程序虽然对于大服务器的工作负载很理想，但是在有很多交互程序要运行的桌面系统上则表现不佳，因为其缺少交互进程。自2.6内核系统开发初期，为了提高对交互程序的调度性能引入了新的进程调度算法。最为著名的是反转楼梯最后期限调度算法，该算法吸取了队列理论，将公平调度的概念引入Linux调度程序。最终在2.6.23内核版本中替代了O(1)调度算法，被称为完全公平调度算法（CFS）。
讲解调度程序设计的基础和完全公平调度程序如何运用、如何设计、如何实现以及与它相关的系统调用。也会讲解O(1)调度程序，它是经典Unix调度程序模型的实现方式。
4.3 策略
策略决定调度程序在什么时候让什么进程运行。调度器的策略决定系统的整体印象，并且，还要负责优化使用处理器时间。
1、IO消耗型和处理器消耗型的进程
进程可以被分为IO消耗型和处理器消耗型。IO消耗型指进程的大部分时间用来提交IO请求或是等待IO请求。这样的进程经常处于可运行状态，但通常都是运行短短的一会儿，因为它在等待更多的IO请求时最后总会阻塞。例如，多数用户图形界面程序GUI都属于IO密集型，即便它们从不读取或者写入磁盘，它们也会在多数时间里都在等待来自鼠标或者键盘的用户交互操作。
处理器消耗型进程把时间大多用在执行代码上。除非被抢占，否则它们通常都一直不停地运行，因为它们没有太多的IO需求。但是，因为它们不属于IO驱动类型，从系统响应速度考虑，调度器不应该经常让它们运行。对于这类处理器消耗型的进程，调度策略往往是尽量降低它们的调度频率，而延长其运行时间。处理器消耗型进程的极端例子就是无限循环地执行。
这种划分方法并非绝对的。进程可以同时展示这两种行为：例如，X Window服务器既是IO消耗型，也是处理器消耗型。还有些进程可以是IO消耗型，但属于处理器消耗型活动的范围。
调度策略通常要在两个矛盾的目标中间寻找平衡：进程响应速度（响应时间短）和最大系统利用率（高吞吐量）。为满足上述需求，调度程序通常采用非常复杂的算法来决定最值得运行的进程投入运行，但是它往往并不保证低优先级进程会被公平对待。Unix系统的调度程序更倾向于IO消耗型程序，以提供更好的程序响应速度。Linux为了保证交互式应用和桌面系统的性能，所以对进程的响应做了优化（缩短响应时间），更倾向于优先调度IO消耗型进程。虽然如此，调度程序并未忽略处理器消耗型的进程。
2、进程优先级
调度算法中最基本的一类就是基于优先级的调度。这是一种根据进程的价值和其对处理器时间的需求来对进程分级的想法。通常做法是优先级高的进程先运行，低的后运行，相同优先级的进程按轮转方式进行调度。在某些系统中，优先级高的进程使用的时间片也较长。调度程序总是选择时间片未用尽而且优先级最高的进程运行。用户和系统都可以通过设置进程的优先级来影响系统的调度。
Linux采用两种不同的优先级范围。第一种是用nice值，其范围是从-20到+19，默认值为0；nice值越大意味着更低的优先级。相比高nice值（低优先级）的进程，低nice值（高优先级）的进程可以获得更多的处理器时间。nice值是所有Unix系统中的标准化概念——但不同的Unix系统由于调度算法不同，因此nice值的运用方式有所差异。Linux系统中，nice值代表时间片的比例。可以通过ps -el命令来查看系统中的进程列表，结果中NI的一列是进程对应的nice值。
第二种范围是实时优先级，其值是可配置的，默认情况下它的变化范围是从0到99。越高的实时优先级数值意味着进程优先级越高。任何实时进程的优先级都高于普通的进程，实时优先级和nice优先级处于互不相交的两个范畴。Linux实时优先级的实现参考了Unix的相关标准——特别是POSIX.1b。可以通过命令：
ps -eo state,uid,pid,ppid,rtprio,time,comm来查看系统中的进程列表，以及它们对应的实时优先级，其中如果有进程对应列显示“-”，则说明它不是实时进程。
3、时间片
时间片是一个数值，表明进程在被抢占前所能持续运行的时间。调度策略必须规定一个默认的时间片，但这并不是简单的事情。时间片过长会导致系统对交互的响应表现欠佳，让人觉得系统无法并发执行应用程序；时间片太短会明显增大进程切换带来的处理器耗时，因为肯定会有相当一部分系统时间用在进程切换上，而这些进程能够用来运行的时间片却很短。此外，IO消耗型和处理器消耗型的进程之间的矛盾在这里也再次显露出来。IO消耗型不需要长的时间片，而处理器消耗型的进程希望越长越好。
从上面可以看出，任何长时间片都将导致系统交互表现欠佳。很多操作系统中都特别重视这一点，所以默认的时间片很短，如10ms。但Linux的CFS调度器并没有直接分配时间片到进程，它是将处理器的使用比划分给了进程。这样，进程所获得的处理器时间和系统负载密切相关。这个比例进一步还会受进程nice值的影响，nice值作为权重将调整进程所使用的处理器时间使用比。具有更高nice值（更低优先级）的进程将被赋予低权重，从而丧失一小部分的处理器使用比；而具有更小nice值（更高优先级）的进程则会被赋予高权重，从而抢得更多的处理器使用比。
Linux系统是抢占式的。当一个进程进入可运行状态，它就被准许投入运行。在多数操作系统中，是否要将一个进程立刻投入运行，是完全由进程优先级和是否有时间片决定的。而在Linux中使用新的CFS调度器，其抢占时机取决于新的可运行程序消耗了多少处理器使用比。如果消耗的使用比比当前进程小，则新进程立刻投入运行，抢占当前进程。否则，将推迟其运行。
4、调度策略的活动
例如，这样一个系统，有两个可运行的进程：一个文字编辑程序和一个视频编码程序。文字编辑程序是IO消耗型的，因为它大部分时间都在等待用户的键盘输入。用户总是希望按下键系统就能马上响应。视频编码程序是处理器消耗型的。除了最开始从磁盘上读出原始数据流和最后把处理好的视频输出外，程序所有的时间都用来对原始数据进行视频编码，处理器很轻易地被100%使用。它对什么时间开始运行没有太严格的要求——用户几乎分辨不出也并不关心它到底是立刻运行还是半秒钟以后才开始的。当然，它完成得越早越好，至于所花时间并不是关注的主要问题。
在这样的场景中，理想情况是调度器应该给予文本编辑程序相比视频编码程序更多的处理器时间，因为文本编辑程序属于交互式应用。对文本编辑器，有两个目标。第一是希望系统给它更多的处理器时间，这并非因为它需要更多的处理器时间，是因为希望在它需要时总是能得到处理器；第二是希望文本编辑器能在其被唤醒时抢占视频编码程序。这样才能确保文本编辑器具有很好的交互性能，以便能响应用户输入。在多数操作系统中，上面目标的达成要依靠系统分配给文本编辑器比视频编码程序更高的优先级和更多的时间片。先进的操作系统可以自动发现文本编辑器是交互程序，从而自动地完成上述分配动作。Linux操作系统同样需要追求上述目标，但是它采用不同方法。它不再通过给文本编辑器分配给定的优先级和时间片，而是分配一个给定的处理器使用比。假如文本编辑器和视频编码程序是仅有的两个运行进程，并且具有同样的nice值，那么处理器的使用比将都是50%——它们平分了处理器时间。但因为文本编辑器将更多的时间永远等待用户输入，因此它肯定不会用到处理器的50%。同时，视频编码程序将能有机会用到超过50%的处理器时间，以便它能更快速地完成编码任务。
关键问题是，当文本编辑器程序被唤醒时将发生什么。首要目标是能确保其能在用户输入发生时立刻运行。在上述场景中，一旦文本编辑器被唤醒，CFS注意到给它的处理器使用比是50%，但其实它却用得少之又少。特别是，CFS发现文本编辑器比视频编码器运行的时间短得多。这种情况下，为了兑现让所有进程能公平分享处理器的承诺，它会立刻抢占视频编码程序，让文本编辑器投入运行。文本编辑器运行后，立即处理了用户的按键输入后，又一次进入睡眠等待用户下一次输入。因为文本编辑器并没有消费掉承诺给它的50%处理器使用比，因此情况依旧，CFS总是会毫不犹豫地让文本编辑器在需要时被投入运行，而让视频编码程序只能在剩下的时刻运行。