计算机操作系统7，8（计算题）
第七课：CPU调度——为什么CPU要不停切换？
先思考一个问题。
假设你的电脑现在打开了：
微信
浏览器
QQ
音乐
IDE（代码编辑器）
CPU只有一个。
那么：
CPU应该先运行谁？
有没有规则？
当然有。
这个规则，就叫：
CPU调度（CPU Scheduling）
什么是CPU调度？
一句话：
CPU调度就是操作系统决定"下一个CPU给谁用"。
注意关键词：
决定。
CPU自己不会决定。
操作系统决定。
谁负责调度？
操作系统里有一个模块：
调度器（Scheduler）
你可以把它想象成：
火车站的调度员。
例如：
火车站只有一条轨道。
却有：
高铁A
高铁B
高铁C
调度员必须决定：
A先走？
还是B先走？
还是C先走？
CPU也是一样。
为什么需要调度？
假设没有调度。
QQ：
一直运行。
QQ
QQ
QQ
QQ
QQ
……
浏览器：
永远没有机会。
是不是不行？
所以：
CPU必须：
QQ运行一点
↓
浏览器运行一点
↓
微信运行一点
↓
QQ回来
于是：
所有程序都有机会。
调度发生在什么时候？
这是一个考试喜欢问的点。
调度不是随时发生。
通常发生在下面几种情况：
第一种：时间片用完（★★★★★）
例如：
QQ获得CPU。
规定：
时间片：
10ms
10ms到了。
操作系统说：
到时间了。
于是：
QQ
↓
就绪
↓
浏览器开始运行
这是最常见的调度。
第二种：进程阻塞
QQ：
突然：
读取图片
需要等待硬盘。
CPU怎么办？
当然不能等。
立即：
浏览器开始运行。
所以：
阻塞以后：
发生调度。
第三种：进程结束
例如：
记事本关闭。
CPU空出来。
当然：
马上：
运行别人。
所以：
记住：
CPU空出来的时候，操作系统就要重新调度。
什么是时间片（Time Slice）？
时间片：
就是：
一次允许进程连续使用CPU的最长时间。
例如：
规定：
时间片：
5ms
QQ：
最多：
连续运行：
5ms。
然后：
必须：
让别人运行。
为什么要限制时间片？
举个例子。
只有一个窗口卖票。
如果：
一个人：
买：
500张票。
后面：
100个人：
是不是一直等？
不公平。
于是：
规定：
每次：
最多买5张。
然后：
重新排队。
是不是：
大家都能快一点买到票？
CPU也是一样。
时间片就是：
为了：
公平。
时间片太长会怎样？
假设：
时间片：
10秒。
QQ：
运行：
10秒。
浏览器：
只能等。
你点击浏览器。
要：
10秒以后才响应。
是不是：
电脑很卡？
所以：
时间片：
不能太长。
时间片太短呢？
例如：
0.000001秒
CPU：
不停：
QQ
↓
浏览器
↓
微信
↓
QQ
↓
浏览器
切换。
注意：
切换：
也是需要时间的。
叫：
上下文切换（Context Switch）
如果：
一直切。
CPU：
大部分时间：
都在：
保存PCB。
恢复PCB。
真正运行程序：
反而少了。
所以：
时间片：
不能：
太短。
上下文切换（★★★★★）
这是以后一定会学的。
今天先理解。
例如：
CPU正在运行：
QQ。
突然：
要切换：
浏览器。
CPU不能直接：
跑。
必须：
先保存：
QQ现在执行到了哪里。
保存：
程序计数器（PC）
寄存器
栈
CPU状态
全部：
保存到：
PCB。
然后：
读取：
浏览器PCB。
恢复：
浏览器之前保存的信息。
CPU：
才能继续运行。
整个过程：
叫：
上下文切换（Context Switch）
为什么PCB那么重要？
现在是不是懂了？
切换的时候：
CPU：
其实：
什么都不知道。
它：
完全依赖：
PCB。
所以：
PCB里面：
必须保存：
CPU现场
以后：
回来。
才能：
继续运行。
一个完整的切换过程
假设：
CPU：
正在运行QQ。
QQ运行
↓
时间片结束
↓
保存QQ现场到PCB
↓
读取浏览器PCB
↓
恢复浏览器现场
↓
浏览器继续运行
是不是：
整个过程：
都围绕PCB？
所以：
再记一句：
PCB是进程切换的依据。
调度一定公平吗？
不一定。
例如：
医院：
来了：
普通病人
↓
心脏骤停病人
是不是：
应该：
先抢救？
所以：
CPU调度：
有时候：
不是：
先来先服务。
而是：
优先级高的先运行。
这就是：
后面：
优先级调度算法。
CPU调度的目标
教材一般会列很多目标。
先理解。
① CPU利用率高
不要让CPU闲着。
★★★★★
② 响应快
点击浏览器。
马上：
有反应。
★★★★★
③ 周转时间短
例如：
提交一个程序。
希望：
尽快完成。
★★★★★
④ 公平
不要：
一直运行QQ。
浏览器：
一直等待。
★★★★★
今天先认识几个名词（后面会展开）
以后你会学到这些经典算法：
| 算法 | 中文 | 特点 |
|---|---|---|
| FCFS | 先来先服务 | 最简单，按到达顺序运行 |
| SJF | 短作业优先 | 谁运行时间短，谁先运行 |
| Priority | 优先级调度 | 优先级高的先运行 |
| RR | 时间片轮转 | 每个进程轮流运行一小段时间 |
| 多级反馈队列 | 综合算法 | Linux、Windows都借鉴这种思想 |
今天先知道名字。
下一课开始，我们会一个一个学。
今天知识串起来
现在你已经可以理解整个流程了：
双击QQ
│
▼
创建PCB
│
▼
进入就绪队列
│
▼
调度器选择QQ
│
▼
QQ运行
│
┌──┴───────────────┐
│ │
│ 时间片到 │ 等待I/O
▼ ▼
就绪 阻塞
│ │
└──────事件完成─────┘
│
▼
就绪
│
▼
再次被调度
│
▼
运行
│
▼
结束 → 撤销PCB
你会发现，我们从第四课开始学的所有知识，现在已经串成了一条完整的链。
本课重点（必背）
✅ CPU调度：决定下一个由哪个进程使用CPU。
✅ 调度器（Scheduler）：负责选择进程。
✅ 时间片：进程一次连续使用CPU的最大时间。
✅ 上下文切换：保存当前进程现场并恢复另一个进程现场。
✅ PCB保存了上下文，是进程切换的关键。
这是操作系统第一种调度算法，也是所有调度算法的基础。我会带你从零开始学会画 时间轴（Gantt图） ，并计算：
- 完成时间（Completion Time）
- 周转时间（Turnaround Time）
- 带权周转时间（Weighted Turnaround Time）
- 平均周转时间
这些是期末考试、考研 408 中最经典的计算题。学会 FCFS 后，SJF、RR、优先级调度都会变得很容易。
太好了，现在正式进入 操作系统第一道计算题 。
很多同学一看到调度算法就害怕，其实 本质只有一句话：
CPU 就像一个人在排队办事，调度算法就是"排队规则"。
今天这一课学会以后，你后面的 SJF、优先级、RR 基本都会了。
我们先看一个生活例子
去银行办业务。
已经有三个人：
小明
小红
小刚
他们到达时间：
9:00 小明
9:05 小红
9:10 小刚
银行会怎么安排？
当然是：
先来的先办。
不会因为：
小刚长得帅，
就让他插队。
这就是：
FCFS（先来先服务）
CPU也是一样
假设：
现在有三个进程。
| 进程 | 到达时间 | 运行时间 |
|---|---|---|
| A | 0 | 5 |
| B | 2 | 3 |
| C | 4 | 2 |
这里有两个非常重要的新概念。
什么叫到达时间（Arrival Time）？
就是：
什么时候进入就绪队列。
例如：
A：
0秒
进入就绪队列
B：
2秒
进入就绪队列
C：
4秒
进入就绪队列
注意：
不是创建时间。
而是：
开始等待CPU的时间。
什么叫运行时间（Burst Time）
又叫：
CPU执行时间。
例如：
A：
需要：
5秒CPU
意思就是：
CPU连续给它5秒。
它就完成了。
FCFS怎么排？
规则只有一句：
谁先到，谁先运行。
我们一步一步来。
第一步
时间：
0秒
谁到了？
只有：
A
所以：
CPU：
运行A
第二步
A运行：
5秒。
于是：
时间来到：
5秒。
这时候：
B到了吗？
到了。
C呢？
也到了。
所以：
等待队列：
B
↓
C
谁先来？
B。
所以：
继续：
运行B
第三步
B：
运行：
3秒。
时间：
8秒。
只剩：
C。
于是：
运行：
C
2秒。
结束。
我们画出甘特图（Gantt Chart）
考试一定会画。
时间 →
0 5 8 10
|--------|--------|--------|
A B C
这个图一定要会画。
以后所有算法都要画它。
什么叫完成时间（Completion Time）
完成时间：
就是：
什么时候结束。
看看图。
A：
结束：
5
所以：
完成时间：
5
B：
结束：
8
完成时间：
8
C：
结束：
10
完成时间：
10
整理一下。
| 进程 | 完成时间 |
|---|---|
| A | 5 |
| B | 8 |
| C | 10 |
什么叫周转时间（Turnaround Time）
这是考试最喜欢考的。
公式只有一个。
周转时间 = 完成时间 − 到达时间
为什么？
因为：
例如：
A：
0秒到达
↓
5秒完成
是不是：
总共：
经历了：
5秒？
所以：
5−0=5
计算一下。
A
5−0=5
B
8−2=6
C
10−4=6
整理：
| 进程 | 周转时间 |
|---|---|
| A | 5 |
| B | 6 |
| C | 6 |
平均周转时间
公式：
所有周转时间
相加
÷
进程数
所以：
(5+6+6)
÷3
=
17/3
≈5.67
带权周转时间（考试重点）
很多同学看到这里开始慌。
其实：
公式很简单。
带权周转时间 = 周转时间 ÷ 运行时间
为什么要除？
因为：
运行时间不同。
举个例子。
甲：
运行：
100秒。
等了：
10秒。
影响大吗？
不大。
乙：
运行：
1秒。
等了：
10秒。
是不是很亏？
所以：
要：
标准化。
开始计算。
A
5÷5=1
B
6÷3=2
C
6÷2=3
整理：
| 进程 | 带权周转时间 |
|---|---|
| A | 1 |
| B | 2 |
| C | 3 |
平均：
(1+2+3)
÷3
=
2
一道完整考试题
假设：
| 进程 | 到达 | 运行 |
|---|---|---|
| P1 | 0 | 4 |
| P2 | 1 | 3 |
| P3 | 2 | 2 |
| P4 | 3 | 1 |
第一步：画甘特图
FCFS：
按到达顺序：
0 4 7 9 10
|------|------|------|-------|
P1 P2 P3 P4
第二步：完成时间
| 进程 | 完成时间 |
|---|---|
| P1 | 4 |
| P2 | 7 |
| P3 | 9 |
| P4 | 10 |
第三步：周转时间
公式：
完成
−
到达
| 进程 | 周转时间 |
|---|---|
| P1 | 4 |
| P2 | 6 |
| P3 | 7 |
| P4 | 7 |
第四步：带权周转时间
| 进程 | 带权周转 |
|---|---|
| P1 | 4÷4=1 |
| P2 | 6÷3=2 |
| P3 | 7÷2=3.5 |
| P4 | 7÷1=7 |
FCFS优点
✅ 简单。
✅ 公平。
先来先服务。
FCFS缺点（重点）
来看这个例子。
| 进程 | 到达 | 运行 |
|---|---|---|
| A | 0 | 100 |
| B | 1 | 1 |
| C | 2 | 1 |
FCFS：
0 100 101 102
|---------------|--------|--------|
A B C
问题来了。
B：
只需要：
1秒。
却：
等待：
99秒。
是不是很离谱？
这种现象叫：
护航效应（Convoy Effect）
长作业像一辆慢卡车，后面的短作业都被"堵住"了。
这就是 FCFS 最大的缺点。
本课必须掌握的四个公式
一定要记住：
① 完成时间
= 结束时间
② 周转时间
= 完成时间 − 到达时间
③ 带权周转时间
= 周转时间 ÷ 运行时间
④ 平均周转时间
= 所有周转时间 ÷ 进程数
课堂练习（请你自己算）
下面这道题，不要急着看答案，先拿纸自己画一遍甘特图。
| 进程 | 到达时间 | 运行时间 |
|---|---|---|
| A | 0 | 3 |
| B | 2 | 4 |
| C | 4 | 2 |
请完成：
- 画出 FCFS 甘特图。
- 写出 A、B、C 的完成时间。
- 计算每个进程的周转时间。
- 计算平均周转时间。
- 计算每个进程的带权周转时间。
学习建议
先自己做这道题，我再帮你逐步批改。 调度算法最重要的是动手算 ，而不是看答案。
等你这道题掌握之后，我们进入 第九课：SJF（Shortest Job First，短作业优先） 。你会发现，它和 FCFS 的区别只在于 排队规则变了 ，计算方法几乎完全一样。
openEuler 是由开放原子开源基金会孵化的全场景开源操作系统项目，面向数字基础设施四大核心场景（服务器、云计算、边缘计算、嵌入式），全面支持 ARM、x86、RISC-V、loongArch、PowerPC、SW-64 等多样性计算架构
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