操作系统之调度算法评价指标 (十二) --- 利用率、系统吞吐量、周转时间、等待时间、响应时间...

调度算法评价指标

利用率

我们先说说CPU利用率，由于早期CPU造价极其昂贵，因此人们希望让CPU尽可能多的工作。于是出现了一个衡量指标，CPU利用率。当然，利用率同样适用于其他设备。下面是利用率计算公式。

$$利用率=\frac{工作的时间}{总时间}$$

Eg：某计算机只支持单道程序，某个作业刚开始需要在CPU上运行5秒，再用打印机打印输出6秒，之后再在CPU运行7秒。问：在此过程中，CPU利用率、打印机利用率分别为多少？
直接给出计算结果。

$$CPU利用率=\frac{5+7}{5+6+7}=66.66\%$$
$$打印机利用率=\frac{6}{5+6+7}=33.33\%$$

拓展：如果题目考察的是多道程序并发执行的情况，可以用"甘特图"来辅助计算。甘特图类似下图。

系统吞吐量

对于人们来说，人们希望计算机能用尽可能少的时间处理完尽可能多的作业，于是又出现了一个衡量指标，系统吞吐量。下面是系统吞吐量计算方法。
$$系统吞吐量=\frac{总共完成了多少道作业}{总时间}$$

Eg：某计算机处理完10道作业，费时100秒，请计算系统吞吐量。

$$系统吞吐量=\frac{10}{100}=0.1道/秒$$

周转时间

对于计算机用户来说，他们很关心自己的作业从提交到完成花了多少时间。周转时间，是指作业从被提交给系统开始，到作业完成为止的这段时间间隔。它包括四个部分：作业从外存后备队列上等待作业调度(高级调度)的时间、进程在就绪队列上等待进程调度(低级调度)的世界、进程在CPU上运行的时间、进程等待I/O操作(即输入输出操作)完成的时间，注意后三项在一个作业的整个处理过程中可能发生多次。下面给出周转时间计算公式。
$$周转时间=作业完成时间点-作业提交时间点$$
对于用户来说，他们关心自己的单个作业的周转时间，但是对于操作系统来说，操作系统更关心整体表现，于是出现了平均周转时间，即 周转时间的平均值。下面是平均周转时间的计算公式。
$$平均周转时间=\frac{各作业周转时间之和}{作业数目}$$

当然，除了以上的两个时间，下面还有带权周转时间和平均带权周转时间，先说说为什么需要这两个衡量指标。
我们知道，作业之间的运行时间长短有所差距，有的长，有的短，因此在运行周转时间相同的情况下，运行不同的作业，给用户的感觉肯定是不一样的。

举个例子：
小明去打酱油，他打酱油很快，只需要1分钟。但是到酱油铺后，由于人太多了，小明等了10分钟才轮到自己，这是小明打酱油的经历。现在小红去打醋，她打醋要花10分钟，她到醋铺后只等了1分钟就轮到了自己。
我们可以算出他们的周转时间都是11分钟，但是他们的体验感有所不同，小明打酱油1分钟却等了10分钟，他肯定很暴躁。而小红打醋10分钟却只等了1分钟，她觉得这样的体验挺OK的。
回到操作系统，类比一下，打酱油和打醋都是作业，小明和小红作为用户。可以看出，他们在周转时间相同的情况下，体验是不一样的。

于是，人们提出了带权周转时间来衡量满意度。公式如下。
$$带权周转时间=\frac{作业周转时间}{作业实际运行的时间}=\frac{作业完成时间点-作业提交时间点}{作业实际运行的时间}$$
可以看出，带权周转时间肯定大于等于一，因为作业周转时间包括了作业实际运行的时间。而且，带权周转时间越小，用户满意度越高，反之则越低。例如上面的小明小红，他们的平均周转时间分别是11、1.1。
当然，操作系统更关心他们的整体满意度，所以出现了平均带权周转时间，即 带权周转时间的平均值，公式如下。
$$平均带权周转时间=\frac{各作业带权周转时间之和}{作业数目}$$

等待时间

对于计算机的用户来说，他们希望自己的作业尽可能少的等待处理机。于是人们又提出了一个衡量指标， 等待时间。
等待时间，是指进程/作业处于等待处理机状态的时间之和，显然，等待时间越长，用户满意度越低。公式如下。
$$等待时间=周转时间-运行时间$$

注意：
对于作业来说，不仅要考虑作业建立为进程后的等待时间，还要加上作业在外存后备队列中等待的时间。
对于进程来说，等待时间就是指进程建立后等待被服务的时间之和，在等待I/O完成的期间其实也是在被服务，所以不计入等待时间。
如果进程被I/O设备服务，那该服务时间也算入运行时间。

与前面的指标类似，操作系统依靠平均等待时间来评价整体性能。
$$平均等待时间=\frac{等待时间}{总数}$$

响应时间

对于计算机用户来说，他们希望自己提交的请求尽早的开始被系统服务、回应，于是人们提出响应时间来衡量这个尺度。
响应时间，指从用户提交请求到首次产生响应所用的时间。

总结

感谢

以上内容大部分来自王道操作系统系列视频教学。