架构设计的宏观视角

今天咱们来谈谈架构设计的宏观视角。

在信息科技高度发展的今天，咱们每一个人随时随地均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做的？单就其中的软件系统而言，这些小小的设备上每每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块儿协做的？

对此，我过去接触过不少的软件开发工程师，或者架构师，不少人对这些原理也是只知其一;不知其二，虽然“知其然”，但却“不知其因此然”。甚至有些朋友可能以为，学这些有什么用处呢，在我看来，这部份内容偏偏是咱们成为架构师很重要的一门基础课。

为何须要创建宏观视角？

如同造房子有建筑工人（负责搬砖）和建筑师（负责架构设计）同样，软件系统的开发过程一样须要有程序员（负责搬“砖”）和架构师（负责架构设计）。做为架构师，咱们须要的第一个能力是宏观的全局掌控能力。

若是把应用程序比做一座大厦，那么咱们做为大厦的架构师，须要把大厦的结构搭建好，让程序员能够把砖填充进去，咱们都知道，一个大厦的结构建得是否稳固，与地基密不可分。

因此，咱们首先就须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，作业务架构设计就会愈加从容。

介绍基础架构的知识点并非让你真的去实现它们。但你仍然须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入理解的，以即可以更好地驾驭它们。

腾哥：基于容器构建EFK海量日志系统 (2020-03-22分享笔记)
你们自取（点击原文，加入社群）
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咱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，咱们须要站在宏观视角，从基础架构开始，逐渐来解剖一个应用程序的总体构成，我但愿，经过今天的文章，可让你对于一个程序的全貌，造成完整的认识。

咱们从头开始。

应用程序的基础架构

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

不管是什么样的智能电子设备，手机也好，汽车也罢，它们均可以称为“电脑”。全部的电脑均可以统一看做由“中央处理器+存储+一系列的输入输出设备”构成。

中央处理器，也就是咱们日常说的CPU，负责按指令执行命令；存储负责保存数据，包括咱们要执行的命令，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），而且按指令执行命令，执行完一条指令就会继续执行下一条指令。电脑就这样开始工做了。

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，为什么电脑可以完成这么多复杂而多样化的工做？

这整个过程，在我看来主要依赖两点。

第一是可编程性。大致来讲，中央处理器（CPU）的指令分为以下这几类。

• 计算类，也就是支持咱们你们都熟知的各种数学运算，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，在知足特定条件下跳转到新的当前程序执行位置。

虽然， CPU 指令是一个颇有限的指令集，可是CPU 执行的指令序列（或者叫“程序”）并非固定的，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，这也就意味着电脑可以作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。虽然咱们电脑能够链接很是很是多种类的外部设备，好比键盘、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。它可以作的是从某个编号的设备（一般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 能够从键盘链接的端口读到一段数据，经过这段数据来表达你按了“A”，可能CPU 会向打印机链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，可是并不理解数据表明什么含义。这些外部设备的厂商在提供设备硬件的同时，每每也须要提供和硬件匹配的软件，来完成和CPU 的协做，让软件工程师能够轻松使用这些设备。

从上面能够看出，电脑的 CPU 是一个很是简洁的模型，它只读入和写出数据，对数据进行计算。这也是为何咱们每每把电脑也叫做“计算机”，这是由于 CPU 这个计算机的大脑的确只会作“计算”。

这个基础的设计体系，咱们不少人都知道，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”，他如今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以后，咱们就能够编写软件了。

固然咱们遇到的第一个问题是直接用机器指令编写软件太累，并且这些机器指令像天书同样没人看得懂，无法维护。

因此，编程语言+编译器就出现了。编译器负责把咱们人类容易理解的语言，转换为机器能够理解的机器指令，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，咱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。多个软件你们往同一个存储地址写数据冲突怎么办？一块儿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？

因而，操做系统就出现了。

它首先要解决的是软件治理的问题。它要创建安全保护机制，确保你的电脑免受恶意软件侵害。同时，它也要创建软件之间的协做秩序，让你们按照指望的方式进行协做。好比存储你写到这里，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。

操做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，另外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，操做系统须要提供多任务窗口系统，以免屏幕被多个软件画得乱七八糟；对于键盘输入设备，操做系统引入焦点窗口，以肯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，今天的咱们开发软件的时候，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，像操做系统和编程语言，这些都是咱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，这些问题每每不管你具体要作什么样的应用都须要面对。并且，基础架构一般以独立的软件存在，因此也称为基础软件。

例如，咱们熟知的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下降了应用开发的难度。在今天软件服务化的大趋势下，不少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，让咱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，应用程序开发须要关注的问题就越收敛，咱们的开发效率就越高。在咱们只须要关注应用程序自己的业务问题如何构建时，咱们说本身是在设计应用程序的业务架构（或者叫“应用架构”）。

业务架构虽然会由于应用的领域不一样而有很大的差别，但不一样业务架构之间，仍然会有许多共通的东西。它们不仅遵循相同的架构原则，还能够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类游戏引擎（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讲，其完整的架构体系大致以下，若是你在收听音频，你能够点击文稿查看：

对于客户端应用程序来讲，和服务端的状况会有很是大的差异。客户端首先面临的是多样性的挑战。

单就操做系统来讲，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，不仅有笔记本、平板电脑，还有手机、手表、汽车，将来只会更加多样化。

第一个想消除客户端的多样性，而且跨平台提供统一编程接口的，是浏览器。

可能在不少人看来，浏览器主要改变的是软件分发的方式，让软件能够即取即用，无需安装。但从技术角度来讲，底层操做系统对软件的支持一样能够作到即取即用。

这方面苹果在iOS 上已经在尝试，你们可能已经留意到，若是你一个软件好久没有用，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。不一样之处只在于Web 应用基于的指令不是机器码，而是更高阶的 JavaScript 脚本。

JavaScript 由于指令更高阶，因此程序的尺寸比机器码会有优点。但另外一方面来讲 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 做为浏览器的机器码的地位会被逐步改变，咱们前端开发会面临更多的可能性。

浏览器的地位很是特殊，咱们能够看做操做系统之上的操做系统。一旦某种浏览器流行起来，开发人员都在浏览器上作应用，那么必然会致使底层操做系统管道化，这是操做系统厂商所不肯意看到的。

而若是浏览器用户量比较少，那么经过它可以触达的用户量就太少，消除不一样底层操做系统差别的价值就不存在，开发人员也就不乐意在上面开发应用。

咱们知道，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，移动浏览器的战场彷佛是从中国开始打起的，这就是微信引起的小程序之战，它本质上是一场浏览器的战争。

浏览器是一个基础软件，它可以解决多大的问题，依赖于它的市场占有率。可是基于一样的浏览器技术核心也能够构建出跨平台的应用框架。咱们看到 React Native 就是沿着这个思路走的。固然这不是惟一的一条路，还有人会基于相似 QT 这样的传统跨平台方案。

总体来讲，对于一个客户端应用程序来讲，其完整的架构体系大致以下，你能够点击文稿查看：

对于架构师来讲，不只仅只是想清楚业务应该怎么去作好分解，整个应用从底到最顶层的上层建筑，每一层都须要进行各类决策。先作 iOS 版本，仍是先作小程序？是选择 Java 仍是 Go 语言？这些都是架构的一部分。

结语

今天，咱们从“计算机是如何工做”开始，一块儿登高鸟瞰，总览了程序完整的架构体系。

可能有人看到今天的内容内心会有些担忧：“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：咱们就是来打消这个担忧的。若是咱们把写代码的能力比做武功招式，那么架构能力就比如内功。内功修炼好了，武功招式的运用才能驾轻就熟。

而架构能力的提高，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。具有架构思惟并不难，并且极有必要。无论今天的你是否是团队里的一位架构师，对任何一位程序员来讲，具有架构思惟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，可是你仍然须要理解云计算的本质，须要驾驭云计算。你也没必要去作出一个浏览器，可是你须要理解它们的思考方式，由于你在深度依赖于它们。

接下来咱们将进一步展开来谈这个程序架构体系里面的每个环节。你对今天的内容有什么思考与解读，欢迎给我留言，咱们一块儿讨论。若是你以为有所收获，也欢迎把文章分享给你的朋友。感谢你的收听，咱们下期再见。

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