cpu利用率，系统吞吐量，周转时间，等待时间，响应时间详解(操作系统）

核心比喻再升级

• CPU：超级打工人。
• 进程/作业：一件件要完成的任务。
• 操作系统：工头。
• 调度算法：工头安排工作的**“指导思想”或“工作方法”**。

现在，我们要来评估工头的这套“工作方法”是否优秀。

1. CPU利用率 (CPU Utilization)
1. CPU 利用率

• 通俗讲解：这很好理解，就是看我们的超级打工人有多忙。如果一天8小时工作制，他有7个小时都在埋头干活，只有1个小时在发呆等任务，那他的利用率就很高。反之，如果他干1小时活，等7小时，那我们就是花大钱养了个闲人，CPU利用率就很低。
• 衡量目标：我们当然希望CPU利用率越高越好，因为CPU是很宝贵的资源，不能让它闲着。
• 计算公式：CPU利用率 = (CPU忙碌的总时间) / (测量的总时间)

2. 系统吞吐量 (System Throughput)

• 通俗讲解：这个指标衡量的是**“出活儿”的速度**。就是看在固定的时间内（比如一天、一个小时），办公室总共能完成多少件完整的任务。一个好的工作方法，应该能让办公室高效运转，单位时间内产出更多的成果。
• 衡量目标：吞吐量自然也是越高越好，代表系统处理任务的能力强。
• 计算公式：系统吞吐量 = (完成的总任务数) / (总共花费的时间)

3. 周转时间 (Turnaround Time)

• 通俗讲解：这个指标是站在任务本身的角度来看的。它衡量的是一个任务从“出生”到“死亡”所经历的总时间。
  • 想象一下，你把一份“项目A报告”的需求单交给了工头（作业提交），然后这份需求单可能先在工头的收件箱里躺了一会儿（在后备队列等待），然后被工头正式列入“待办清单”（进入就绪队列），接着断断续续地被我们的打工人处理（运行），中间可能还因为要等其他部门的数据而暂停（阻塞），直到最后，打工人把完成的报告交给你（作业完成）。
  • 这整个过程，从你交出需求单到拿到最终报告，所花费的全部时间，就是周转时间。
• 衡量目标：周转时间当然是越短越好。谁也不希望自己的任务拖太久。
• 计算公式：周转时间 = 任务完成时间 - 任务提交时间
• 相关概念：
  • 平均周转时间：把所有任务的周转时间加起来，再除以任务总数。这是衡量整体水平的。
  • 带权周转时间：这个更公平。一个耗时10分钟的小任务，和一个耗时10小时的大任务，都花了双倍的时间完成（一个用了20分钟，一个用了20小时）。你觉得哪个更不能接受？当然是小任务！它才10分钟的活，却多等了10分钟。大任务本来就要10小时，多等10小时虽然也很长，但相对比例没那么夸张。带权周转时间就是用来衡量这种“相对等待”的。
  • 计算公式：带权周转时间 = 周转时间 / 任务实际运行时间。这个值越接近1，说明等待时间占比越小，体验越好。

4. 等待时间 (Waiting Time)

• 通俗讲解：周转时间包含了任务被处理的时间，而等待时间更“纯粹”，它只计算一个任务**“干等着”**的时间。
  • 在我们的比喻中，就是“项目A报告”在工头的“待办清单”（就绪队列）里，排队等着轮到它被处理的时间总和。注意，它不包括任务真正在被处理的时间，也不包括因为它需要等其他部门数据而暂停的时间（那是阻塞时间）。它就是纯粹的、准备好了但CPU没空的等待时间。
• 衡量目标：等待时间也是越短越好。等待最让人心烦。
• 计算公式：对于进程来说，等待时间 = 周转时间 - 实际运行时间 - I/O阻塞时间。在很多简化题目中，如果不考虑I/O，可以近似为 等待时间 = 周转时间 - 实际运行时间。

5. 响应时间 (Response Time)

• 通俗讲解：这个指标非常关注用户的**“第一感受”。它衡量的是从你提出请求，到系统第一次给你反馈**所用的时间。
  • 比如，你在电脑上双击打开一个软件。从你双击的那一刻（提出请求），到屏幕上出现软件的启动窗口或者转圈圈的鼠标（首次响应），中间隔的这段时间，就是响应时间。
  • 它不关心软件最终要花多久才能完全加载好（那是周转时间的一部分），它只关心系统“理你”的速度快不快。
• 衡量目标：对于交互式系统（比如我们用的电脑、手机），响应时间至关重要，必须非常短，否则用户会觉得系统很“卡”。
• 计算公式：响应时间 = 第一次得到响应的时间 - 提出请求的时间

重点例题与详解

【例题】

假设有4个作业（P1, P2, P3, P4）在不同时间到达一个采用非抢占式短作业优先（SJF）调度算法的系统。它们的到达时间和需要运行的时间（服务时间）如下表所示。

请计算：

1. 这4个作业的完成时间、周转时间、等待时间和带权周转时间。
2. 该调度过程的平均周转时间和平均等待时间。

【例题详解】

第一步：画出甘特图，确定执行顺序和时间点。

SJF（短作业优先）算法的核心是：当需要选择下一个作业时，从所有已到达且在等待的作业中，选择一个服务时间最短的来执行。因为是非抢占式的，所以一旦一个作业开始运行，它就会一直运行到结束。

• 时刻 0：系统启动，只有 P1 到达。没有其他选择，CPU 开始执行 P1。
  • [ P1 ]
• 时刻 8：P1 执行完毕。此时，P2（时刻2已到）、P3（时刻3已到）、P4（时刻5已到）都已经到达了就绪队列。我们需要在 P2、P3、P4 中选择一个服务时间最短的。
  • P2 服务时间 = 5
  • P3 服务时间 = 4
  • P4 服务时间 = 6
  • P3 最短，所以接下来执行 P3。
  • [ P1 (0-8) | P3 ]
• 时刻 12 (8 + 4)：P3 执行完毕。此时，就绪队列中还剩下 P2 和 P4。
  • P2 服务时间 = 5
  • P4 服务时间 = 6
  • P2 较短，所以接下来执行 P2。
  • [ P1 (0-8) | P3 (8-12) | P2 ]
• 时刻 17 (12 + 5)：P2 执行完毕。只剩下 P4 了，执行 P4。
  • [ P1 (0-8) | P3 (8-12) | P2 (12-17) | P4 ]
• 时刻 23 (17 + 6)：P4 执行完毕。所有作业完成。

最终的甘特图为： |---P1---(8)---P3---(12)---P2---(17)---P4---(23)|

第二步：根据甘特图和公式进行计算。

我们将所有计算结果整理到一个表格中，方便查看。

第三步：计算平均值。

1. 平均周转时间：

   • (P1周转 + P2周转 + P3周转 + P4周转) / 4
   • = (8 + 15 + 9 + 18) / 4
   • = 50 / 4 = 12.5

2. 平均等待时间：

   • (P1等待 + P2等待 + P3等待 + P4等待) / 4
   • = (0 + 10 + 5 + 12) / 4
   • = 27 / 4 = 6.75

最终答案：

• 各作业的指标如上表所示。
• 系统的平均周转时间为 12.5。
• 系统的平均等待时间为 6.75。