如果系统只有一个处理器，那么给定时刻只有一个程序可以运行。在多处理器系统中，真正并行运行的进程数目取决于物理CPU的数目。内核和处理器建立了多任务的错觉，是通过以很短的间隔在系统运行的应用程序之间不停切换做到的。由此，以下两个问题必须由内核解决：除非明确要求，否则应用程序不能彼此干扰；CPU时间必须在各种应用程序之间尽可能公平共享（一些程序可能比其他程序更重要）。本篇博文主要涉及内核共享CPU时间的方法以及如何在进程之间切换（内核为各进程分配时间，保证切换之后从上次撤销其资源时执行环境完全相同）。
一、进程优先级
并非所有进程的重要程度都相同，对于进程，首先比较粗糙的划分，进程可以分为实时进程和非实时进程。
- 硬实时进程：有严格的时间限制，某些任务必须在指定时限内完成。比如汽车的安全气囊，一旦发生碰撞，必须保证在一定时间内触发，超过时限则产生灾难性的后果。主流的Linux内核不支持实时处理，但有一些修改版本如RTLinux、Xenomai、RATI提供了这些特性，这些方案中，将Linux内核作为独立的“进程”运行处理次要软件，实时工作在Linux内核外部完成。
- 软实时进程：软实时进程是硬实时进程的一种弱化形式，优先于其他普通进程，稍微晚一点不会造成巨大影响。比如对CD的写入操作。
- 普通进程：没有特定时间约束的进程，可以根据重要性对其进行分配优先级。
图1 通过时间片分配CPU时间调度示意图
图1是CPU分配时间的一个简图。进程运行按时间片调度，分配进程的时间片额与其相对重要性相当。系统中时间的流动对应于圆盘的转动，重要的进程会比次要的进程得到更多CPU时间，进程被切换时，所有的CPU寄存器内容和页表都会被保存，下次该进程恢复执行时，其执行环境可以完全恢复。这种简化模型忽略了一些进程状态相关的信息，不能使CPU时间利益回报尽可能最大化。但是为调度器的质量确立一种定量标准非常困难。自Linux内核诞生以来，调度器的代码已经重写了好几次。按时间先后顺序，主要有O(n)调度器，O(1)调度器和CFS(completely fair scheduler)调度器。详细区别戳这里。
二、进程生命周期
进程并不总是可以立即运行，有时候它需要等待来自外部信号源、不受其控制的事件（如文本编辑等待输入）。在调度器进行进程切换时，必须知道每个进程的状态，因为将CPU事件分配给无事可做的进程没有意义，进程在各个状态之间的转换也同样重要。
图2 进程状态之间的切换示意图
进程可能存在的状态有：运行、等待和睡眠。图2描述了进程的几种状态及其转换。除了图中所示的几种状态以外，还有一种状态被称为僵尸态。
- 运行：该进程正在运行。
- 等待（就绪）：进程能够运行，但没有得到许可，因为CPU分配给了另一个进程。调度器可能在下一次任务切换时选择该进程。
- 睡眠：进程正在睡眠无法运行（“睡眠”状态有两种）。因为它在等待一个外部事件，调度器无法在任务切换时选择该进程。
- 僵尸：进程已经死亡，但是它的数据还没有从进程表中删除。（在UNIX操作系统下销毁进程需要两步，第一步由另一个进程或一个用户杀死（通过信号完成）；第二步是进程的父进程在子进程终止时必须调用或已经调用wait4系统调用，使内核释放为子进程保留的资源。当条件一发生，第二个条件不成立的情况，便会出现“僵尸”状态）
为了维持系统中现存的各个进程，防止它们与系统其他部分相互干扰，Linux进程管理结构中还需要两种进程状态选项：用户状态和核心态。进程通常处于用户状态，只能访问自身的数据，无法干扰系统中其他进程。如果进程想要访问系统数据，则必须切换到核心态，这种访问必须经由明确定义的路径（系统调用）。从用户状态进入核心态的第二种方法是通过中断，此时切换是自动触发的，处理中断操作，通常与中断发生时执行的程序无关。（系统调用是由用户应用程序有意调用的，中断则是不可预测的）
内核的抢占调度模型是优先让优先级高的进程占用CPU，它建立了一个层次结构，用于判断哪些进程状态可由其他状态抢占。
- 普通进程总是可能被抢占，甚至由其他进程抢占。
- 如果系统处于核心态并正在处理系统调用，那么其他进程是无法夺取CPU时间的。
- 中断可以暂停处于用户态和和心态的进程，具有最高优先级。
在内核2.5开发期间，内核抢占（kernel preemption）选项被添加到内核，它支持紧急情况下切换到另一个进程，甚至当前进程处于系统调用也行。内核抢占可以减少等待时间，但代价是增加了内核的复杂度，因为抢占时有许多数据结构需要针对并发访问进行保护。
三、进程表示
Linux内核涉及进程和程序的所有算法都围绕数据结构task_struct建立，该结构定义在include/sched.h中。task_struct包含很多成员，将进程与各内核子系统联系起来。task_struct定义的简化版本如下：
1 struct task_struct { 2 volatile long state; /* -1表示不可运行，0表示可运行，>0表示停止 */ 3 void *stack; 4 atomic_t usage; 5 unsigned long flags; /* 每进程标志，下文定义 */ 6 unsigned long ptrace; 7 int lock_depth; /* 大内核锁深度 */ 8 int prio, static_prio, normal_prio; 9 struct list_head run_list; 10 const struct sched_class *sched_class; 11 struct sched_entity se; 12 unsigned short ioprio; 13 unsigned long policy; 14 cpumask_t cpus_allowed; 15 unsigned int time_slice; 16 #if defined(CONFIG_SCHEDSTATS) || defined(CONFIG_TASK_DELAY_ACCT) 17 struct sched_info sched_info; 18 #endif 19 struct list_head tasks; 20 /* 21 * ptrace_list/ptrace_children链表是ptrace能够看到的当前进程的子进程列表。 22 */ 23 struct list_head ptrace_children; 24 struct list_head ptrace_list; 25 struct mm_struct *mm, *active_mm; 26 /* 进程状态 */ 27 struct linux_binfmt *binfmt; 28 long exit_state; 29 int exit_code, exit_signal; 30 int pdeath_signal; /* 在父进程终止时发送的信号 */ 31 unsigned int personality; 32 unsigned did_exec:1; 33 pid_t pid; 34 pid_t tgid; 35 /* 36 * 分别是指向（原）父进程、最年轻的子进程、年幼的兄弟进程、年长的兄弟进程的指针。 37 *（p->father可以替换为p->parent->pid） 38 */ 39 struct task_struct *real_parent; /* 真正的父进程（在被调试的情况下） */ 40 struct task_struct *parent; /* 父进程 */ 41 /* 42 * children/sibling链表外加当前调试的进程，构成了当前进程的所有子进程 43 */ 44 struct list_head children; /* 子进程链表 */ 45 struct list_head sibling; /* 连接到父进程的子进程链表 */ 46 struct task_struct *group_leader; /* 线程组组长 */ 47 /* PID与PID散列表的联系。 */ 48 struct pid_link pids[PIDTYPE_MAX]; 49 struct list_head thread_group; 50 struct completion *vfork_done; /* 用于vfork() */ 51 int __user *set_child_tid; /* CLONE_CHILD_SETTID */ 52 int __user *clear_child_tid; /* CLONE_CHILD_CLEARTID */ 53 unsigned long rt_priority; 54 cputime_t utime, stime, utimescaled, stimescaled; 55 unsigned long nvcsw, nivcsw; /* 上下文切换计数 */ 56 struct timespec start_time; /* 单调时间 */ 57 struct timespec real_start_time; /* 启动以来的时间 */ 58 /* 内存管理器失效和页交换信息，这个有一点争论。它既可以看作是特定于内存管理器的， 59 也可以看作是特定于线程的 */ 60 unsigned long min_flt, maj_flt; 61 cputime_t it_prof_expires, it_virt_expires; 62 unsigned long long it_sched_expires; 63 struct list_head cpu_timers[3]; 64 /* 进程身份凭据 */ 65 uid_t uid,euid,suid,fsuid; 66 gid_t gid,egid,sgid,fsgid; 67 struct group_info *group_info; 68 kernel_cap_t cap_effective, cap_inheritable, cap_permitted; 69 unsigned keep_capabilities:1; 70 struct user_struct *user; 71 char comm[TASK_COMM_LEN]; /* 除去路径后的可执行文件名称-用[gs]et_task_comm访问（其中用task_lock()锁定它）-通常由flush_old_exec初始化 */ 72 /* 文件系统信息 */ 73 int link_count, total_link_count; 74 /* ipc相关 */ 75 struct sysv_sem sysvsem; 76 /* 当前进程特定于CPU的状态信息 */ 77 struct thread_struct thread; 78 /* 文件系统信息 */ 79 struct fs_struct *fs; 80 /* 打开文件信息 */ 81 struct files_struct *files; 82 /* 命名空间 */ 83 struct nsproxy *nsproxy; 84 /* 信号处理程序 */ 85 struct signal_struct *signal; 86 struct sighand_struct *sighand; 87 sigset_t blocked, real_blocked; 88 sigset_t saved_sigmask; /* 用TIF_RESTORE_SIGMASK恢复 */ 89 struct sigpending pending; 90 unsigned long sas_ss_sp; 91 size_t sas_ss_size; 92 int (*notifier)(void *priv); 93 void *notifier_data; 94 sigset_t *notifier_mask; 95 #ifdef CONFIG_SECURITY 96 void *security; 97 #endif 98 /* 线程组跟踪 */ 99 u32 parent_exec_id; 100 u32 self_exec_id; 101 /* 日志文件系统信息 */ 102 void *journal_info; 103 /* 虚拟内存状态 */ 104 struct reclaim_state *reclaim_state; 105 struct backing_dev_info *backing_dev_info; 106 struct io_context *io_context; 107 unsigned long ptrace_message; 108 siginfo_t *last_siginfo; /* 由ptrace使用。*/ 109 ... 110 };