架构设计的宏观视角

Posted 2021-04-11 架构师智库

今天我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，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。

腾哥：基于容器构建EFK海量日志系统 (2020-03-22分享笔记)
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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。

我们从头开始。

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。

于是，操作系统就出现了。

它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，如果你在收听音频，你可以点击文稿查看：

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，你可以点击文稿查看：

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。

接下来我们将进一步展开来谈这个程序架构体系里面的每一个环节。你对今天的内容有什么思考与解读，欢迎给我留言，我们一起讨论。如果你觉得有所收获，也欢迎把文章分享给你的朋友。感谢你的收听，我们下期再见。