许式伟:架构设计的宏观视角

本文内容选自 《许式伟的架构课》

在信息科技高度发展的今天,我们每个人随时随地都可以接触到由程序驱动的智能电子设备,包括手机(如 iPhone、oppo 拍照手机)、平板电脑(如 iPad)、手表(如 iWatch、小天才智能手表)、音箱(如天猫精灵)、汽车(如特斯拉)等等。

这些东西背后是怎么工作的?单就其中的软件系统而言,这些小小的设备上往往运行着成千上万个软件模块,这些模块是如何如此精密地一起协作的?

对此,我过去接触过很多的软件开发工程师,或者架构师,很多人对这些原理也是一知半解,虽然“知其然”,但却“不知其所以然”。甚至有些朋友可能觉得,学这些有什么用处呢,在我看来,这部分内容恰恰是我们 成为架构师很重要的一门基础课

为什么需要建立宏观视角?

如同造房子有建筑工人(负责搬砖)和建筑师(负责架构设计)一样,软件系统的开发过程同样需要有程序员(负责搬“砖”)和架构师(负责架构设计)。作为架构师,我们需要的第一个能力是宏观的全局掌控能力。

如果把应用程序比作一座大厦,那么我们作为大厦的架构师,需要把大厦的结构搭建好,让程序员可以把砖填充进去,我们都知道,一个大厦的结构建得是否稳固,与地基密不可分。

所以,我们首先就需要从大厦的地基开始,熟悉这座大厦。毕竟,你对所依赖的基础架构了解得越全面,做业务架构设计就会越发从容。

介绍基础架构的知识点并不是让你真的去实现它们。但你仍然需要懂得它们的核心思想是什么,知道有哪些信息是你必须深刻理解的,以便可以更好地驾驭它们。

我们的 整个专栏内容 也会 从基础架构开始讲起,最后逐步过渡到业务架构,到最终完成一个完整应用程序的设计过程。

那么,在今天的开篇第一篇,我们需要站在宏观视角,从基础架构开始,逐渐来解剖一个应用程序的整体构成,我希望,通过今天的文章,可以让你对于一个程序的全貌,形成完整的认识。

应用程序的基础架构

我们想学习一个程序的基础架构,其实就是弄清楚电脑的工作原理,以及程序的运行原理。

无论是什么样的智能电子设备,手机也好,汽车也罢,它们都可以称为“电脑”。所有的电脑都可以统一看作由 中央处理器 + 存储 + 一系列的输入输出设备 构成。

中央处理器,也就是我们平常说的 CPU,负责按指令执行命令;存储负责保存数据,包括我们要执行的命令,也是以数据形式保存在存储中的。

每次在打开电脑的电源后,中央处理器都会从存储的某个固定位置处开始读入数据(也就是指令),并且按指令执行命令,执行完一条指令就会继续执行下一条指令。电脑就这样开始工作了。

你可能会说,就这么简单?是的,就是这么简单。

那这么简单的话, 为何电脑能够完成这么多复杂而多样化的工作?

这整个过程,在我看来主要依赖两点。

第一是可编程性 大体来说,中央处理器(CPU)的指令分为如下这几类。

  • 计算类,也就是支持我们大家都熟知的各类数学运算,如加减乘除、sin/cos 等等。

  • I/O 类,(从存储读写数据)从输入输出设备读数据、写数据。

  • 指令跳转类,在满足特定条件下跳转到新的当前程序执行位置。

虽然, CPU 指令是一个很有限的指令集,但是 CPU 执行的指令序列(或者叫“程序”)并不是固定的,而是依赖保存在存储中的数据—— 由软件工程师(或者叫“程序员”)编写的软件来决定。指令序列的可能性是无穷的,这也就意味着电脑能够做的事情的可能性也是无穷的。

第二是开放设计的外部设备支持。虽然我们电脑可以连接非常非常多种类的外部设备,比如键盘、打印机、屏幕、汽车马达等等,但 CPU 并不理解这些设备具体有什么样的能力,它只和这些设备交换数据。它能够做的是从某个编号的设备(通常这个设备编号被称为“端口”)读入一段数据,或者向设备的端口写入一段数据。

例如,当你在键盘上按下了 A 的时候,CPU 可以从键盘连接的端口读到一段数据,通过这段数据来表达你按了“A”,可能 CPU 会向打印机连接的端口发送一段数据,来驱动打印机打印特定的文本;还有可能 CPU 会向汽车马达所在的端口发送数据,来驱动马达转动,从而让汽车按照预期来行驶。

值得注意的是,CPU 知道的是如何和这些设备交换数据,但是并不理解数据代表什么含义。这些外部设备的厂商在提供设备硬件的同时,往往也需要提供和硬件匹配的软件,来完成和 CPU 的协作,让软件工程师可以轻松使用这些设备。

从上面可以看出, 电脑的 CPU 是一个非常简洁的模型,它只读入和写出数据,对数据进行计算 。这也是为什么我们往往把电脑也叫作“计算机”,这是因为 CPU 这个计算机的大脑的确只会做“计算”。

这个基础的设计体系,我们很多人都知道,这就是冯·诺依曼计算机体系。1945 年 6 月,冯·诺依曼以“关于 EDVAC 的报告草案”为题起草的长达 101 页的总结报告,定义了“冯·诺依曼体系结构”,他现在也被称为计算机之父。我想看到这里,你应该不难理解他的伟大之处了吧?

有了这个基础的计算机体系之后,我们就可以编写软件了。

当然我们遇到的第一个问题是 直接用机器指令编写软件太累,而且这些机器指令像天书一样没人看得懂 ,没法维护。

所以, 编程语言 + 编译器 就出现了。编译器负责把我们人类容易理解的语言,转换为机器可以理解的机器指令,这样一来就大大解放了编写软件的门槛。

在编写软件不是问题时, 我们遇到的第二个问题,就是多个软件在同一个电脑上怎么共处。多个软件大家往同一个存储地址写数据冲突怎么办?一起往打印机去发送打印指令怎么办?有的软件可能偷偷搞破坏怎么办?

于是, 操作系统 就出现了。

首先要解决的是软件治理的问题 。它要建立安全保护机制,确保你的电脑免受恶意软件侵害。同时,它也要建立软件之间的协作秩序,让大家按照期望的方式进行协作。比如存储你写到这里,那么我就要写到别处;使用打印机要排队,你打完了,我才能接着去打印。

操作系统其次解决的是基础编程接口问题。这些编程接口一方面简化了软件开发,另一方面提供了多软件共存(多任务)的环境,实现了软件治理。

例如,对于屏幕设备,操作系统需要提供多任务窗口系统,以避免屏幕被多个软件画得乱七八糟;对于键盘输入设备,操作系统引入焦点窗口,以确定键盘输入的事件被正确发送到正确的软件程序。

你会发现,今天的我们开发软件的时候,已经处于一些基础的架构设计之中。像冯·诺依曼计算机体系,像操作系统和编程语言,这些都是我们开发一个应用程序所依赖的基础架构。

基础架构解决的是与业务无关的一些通用性的问题,这些问题往往无论你具体要做什么样的应用都需要面对。而且,基础架构通常以独立的软件存在,所以也称为基础软件。

例如,我们熟知的 Linux、Nginx、MySQL、PHP 等这些软件都属于基础软件,这些基础软件极大地降低了应用开发的难度。在今天软件服务化的大趋势下,很多基础软件最终以互联网服务的方式提供,这就是所谓的“云计算”。

完整的程序架构是怎样的?

讲完了程序的地基,让我们来总览一下程序的完整架构。

在越强大的基础架构支撑下,应用程序开发需要关注的问题就越收敛,我们的开发效率就越高。 在我们只需要关注应用程序本身的业务问题如何构建时,我们说自己是在设计应用程序的业务架构(或者叫“应用架构”)。

业务架构虽然会因为应用的领域不同而有很大的差异,但不同业务架构之间,仍然会有许多共通的东西。它们不只遵循相同的架构原则,还可以遵循相同的设计范式。

一些设计范式被人们以应用程序框架的方式固化下来。例如,在用户交互领域有著名的 MVC 框架(如 JavaScript 语言的 Angular,PHP 语言的 Zend,Python 语言的 Django),在游戏开发领域有各种游戏引擎(如 JavaScript 语言的 Phaser,C# 语言的 Unity3D),等等。

对于一个服务端应用程序来说,其完整的架构体系大体如下

对于客户端应用程序来说,和服务端的情况会有非常大的差别。客户端首先面临的是多样性的挑战。

单就操作系统来说,PC 就有 Windows、Mac、Linux 等数十种,手机也有 Android、iOS,Windows Mobile 等等。而设备种类而言就更多了,不只有笔记本、平板电脑,还有手机、手表、汽车,未来只会更加多样化。

第一个想消除客户端的多样性,并且跨平台提供统一编程接口的,是浏览器。

可能在很多人看来,浏览器主要改变的是软件分发的方式,让软件可以即取即用,无需安装。但从技术角度来说,底层操作系统对软件的支持同样可以做到即取即用。

这方面苹果在 iOS 上已经在尝试,大家可能已经留意到,如果你一个软件很久没有用,iPhone 就会把这个软件从本地清理出去,而在你下一次使用它时又自动安装回来。假如软件包足够小,那么这种行为和 Web 应用就毫无区别。不同之处只在于 Web 应用基于的指令不是机器码,而是更高阶的 JavaScript 脚本。

JavaScript 因为指令更高阶,所以程序的尺寸比机器码会有优势。但另一方面来说 JavaScript 是文本指令,表达效率又要比机器码低。但这一点也在发生变化,近年来 WebAssembly 技术开始蓬勃发展,JavaScript 作为浏览器的机器码的地位会被逐步改变,我们前端开发会面临更多的可能性。

浏览器的地位非常特殊,我们可以看作操作系统之上的操作系统。一旦某种浏览器流行起来,开发人员都在浏览器上做应用,那么必然会导致底层操作系统管道化,这是操作系统厂商所不愿意看到的。

而如果浏览器用户量比较少,那么通过它能够触达的用户量就太少,消除不同底层操作系统差异的价值就不存在,开发人员也就不乐意在上面开发应用。

我们知道,PC 的浏览器之战打到今天,基本上就剩下 Chrome、Internet Explorer、Safari、Firefox 等。有趣的是,移动浏览器的战场似乎是从中国开始打起的,这就是微信引发的小程序之战,它本质上是一场浏览器的战争。

浏览器是一个基础软件,它能够解决多大的问题,依赖于它的市场占有率。但是基于同样的浏览器技术核心也可以构建出跨平台的应用框架。我们看到 React Native 就是沿着这个思路走的。当然这不是唯一的一条路,还有人会基于类似 QT 这样的传统跨平台方案。

整体来说,对于一个客户端应用程序来说,其完整的架构体系大体如下:

对于架构师来说,不仅仅只是想清楚业务应该怎么去做好分解,整个应用从底到最顶层的上层建筑,每一层都需要进行各种决策。先做 iOS 版本,还是先做小程序?是选择 Java 还是 Go 语言?这些都是架构的一部分。

结语

今天,我们从“计算机是如何工作”开始,一起登高鸟瞰,总览了程序完整的架构体系。

可能有人看到今天的内容心里会有些担心:“原来架构师要学这么多东西,看来我离成为架构师好远。”

好消息是:我们就是来打消这个担心的。如果我们把写代码的能力比作武功招式,那么 架构能力 就好比内功。内功修炼好了,武功招式的运用才能得心应手。而架构能力的提升,本质上是对你的知识脉络(全身经络)的反复梳理与融会贯通的过程。具备架构思维并不难,而且极有必要。不管今天的你是不是团队里的一位架构师,对任何一位程序员来说,具备架构思维将会成为让你脱颖而出的关键。

这就像你没有从事云计算行业,但是你仍然需要理解云计算的本质,需要驾驭云计算。你也不必去做出一个浏览器,但是你需要理解它们的思考方式,因为你在深度依赖于它们。

作者介绍:

许式伟,七牛云 CEO,ECUG 社区发起人。曾就职于金山、盛大,在搜索和分布式存储相关技术领域有十几年的研发经验。在金山,他以首席架构师的身份主导了 WPS Office 2005 的架构设计和开发。在创立金山实验室后,作为技术总监主导了分布式存储开发,后加入盛大创新院,并成功推出“盛大网盘”和“盛大云”。

这些年,他扛过国产软件研发的大旗,忍受过在 Office 和盗版夹击下的艰难求生,经历过公司转型和个人转型交织的洗礼。2011 年,他成为一名创业者,建立了七牛,专注企业级存储服务。

这个专栏是他第一次完整、系统地分享自己的架构经验和思考 ,老许将毫无保留地分享自己近 20 年的经验总结, 让你一定能够学有所得

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