2.1 軟件的概念

軟件，也叫程序，那么究竟什么是軟件？在回答這個問題之前，先來看下面的例子。

老李要求他的癡呆兒子（下稱小李）在一張紙上畫三角形并計算出三角形的面積。老李準備了兩張白紙：一張白紙上標注了三個點：A點、B點和C點，以及每個點的坐標；另一張白紙上寫下了畫三角形的步驟和計算三角形面積的方法。小李只要按照這些步驟和計算方法動手即可。步驟如下：

（1）畫一條直線連接A點和B點。

（2）畫一條直線連接A點和C點。

（3）畫一條直線連接B點和C點。

（4）根據(jù)下面的公式計算三角形的面積并寫在紙上：

（xayb+xbyc+xcya?xayc?xbya?xcyb）÷2

（5）把那張畫了三角形并標注了面積的紙張交回給老李。

老李把這兩張紙交給小李后，小李在書桌上攤開這兩張紙開始工作。大概過了十分鐘，老李得到了一張畫好三角形并標注了面積的紙張，任務完成，如圖2-1所示。

現(xiàn)在把小李比喻成計算機的CPU（中央處理器），繪制三角形的步驟就是軟件，一個步驟就是一條指令（語句），老李就相當于程序員，而那張畫了三角形并標注了面積的紙張就相當于軟件的輸出（在屏幕上顯示或者打印出來）,“畫一個三角形并計算面積”就是軟件要完成的任務（程序要處理的數(shù)據(jù)）。

幾天后，老李要畫更多形狀不同的三角形并計算出各自的面積，如果還是按照原來的方式，那么針對每個三角形，老李都要給小李提交兩張紙，一張紙標明三個點，另一張紙寫明步驟。這樣做一方面浪費了紙張，另一方面增加了工作量。于是老李想出了一個辦法，只交給小李一張寫有步驟的紙張，畫一個三角形并計算面積的步驟改為：

（1）詢問A點的坐標。

（2）詢問B點的坐標。

（3）詢問C點的坐標。

（4）畫一條直線連接A點和B點。

（5）畫一條直線連接A點和C點。

（6）畫一條直線連接B點和C點。

（7）根據(jù)下面的公式計算三角形的面積并寫在紙上：

（xayb+xbyc+xcya?xayc?xbya?xcyb）÷2

（8）把那張畫了三角形并標注了面積的紙張交回給老李。

這樣小李收到老李遞過來的紙張后，先詢問老李三角形的三個頂點的坐標，然后再去畫三角形并計算面積，如圖2-2所示。

現(xiàn)在不只是老李，任何人只要復印那張寫了步驟的紙張，都可以叫小李畫出任何他們想要的三角形，只不過小李在畫三角形前要詢問頂點的坐標。繼續(xù)把這些步驟比喻成軟件，那么相對于前面的軟件，這次增加了三條輸入語句，用戶在運行這個軟件時，要用鍵盤輸入三角形的三個頂點的坐標，然后就會在屏幕上看到一個三角形及這個三角形的面積。

至此，我們總結出這個軟件已經(jīng)具備如下特征。

完成任務：畫三角形并計算面積。

輸入數(shù)據(jù)：頂點坐標。

輸出結果：三角形及三角形的面積。

指令集：詳細定義畫一個三角形的步驟和計算三角形面積的方法。

指令集保存在一個文件中，這個文件就叫可執(zhí)行程序，允許存放在硬盤、U 盤、光盤或者網(wǎng)盤中，可以任意復制和傳播。比如，Windows 操作系統(tǒng)中的“計算器”這個程序（指令集）保存在硬盤上的C:\Windows\ system32\calc.exe文件中，用鼠標雙擊它或者單擊“開始”→“所有程序”→“附件”→“計算器”，即表示命令 CPU 現(xiàn)在就按照里面的步驟進行操作（專業(yè)術語叫執(zhí)行指令）。

最后，我們通俗地定義一下軟件：由程序員寫的需要讓CPU來完成某項任務的步驟。只不過這些步驟是用計算機語言來描述的。常見的計算機語言有 C 語言、C++、Java、PHP、Go 等，編程人員必須嚴格按照計算機語言的語法規(guī)則來寫程序，如下面用C語言語句實現(xiàn)的加法運算。

上面左側灰色框內(nèi)就是程序員用 C 語言寫的兩個數(shù)相加的程序語句，右側是說明信息。

軟件必須包含輸入/輸出語句和計算語句，沒有包含輸入/輸出語句的軟件沒有任何用途，因為它就像一個黑盒子，既不能輸入任何東西，也不能從它那里得到任何東西。在這里，我們要澄清兩個概念：實時輸入/輸出和批量輸入/輸出。實時輸入/輸出是指CPU執(zhí)行輸入/輸出步驟時，立即完成輸入/輸出動作；而批量輸入/輸出是一次性輸入全部的信息，一次性輸出全部的計算結果。大部分計算機軟件，如辦公軟件，都要求實時輸入/輸出；絕大部分網(wǎng)站都是批量輸入/輸出的，比如注冊一個在線免費郵箱，我們要一次性輸入全部的注冊信息，然后再單擊“提交”按鈕，送出全部的輸入信息。

實時輸入/輸出軟件可進一步劃分為強交互性軟件和弱交互性軟件兩種，強交互性軟件是指在運行時需要實時地進行大量輸入/輸出操作，且輸入之后馬上能看到輸出結果；而弱交互性軟件是指軟件運行時實時地進行少量的輸入操作，然后就源源不斷地輸出了。屬于強交互性軟件的有：微軟的辦公軟件（Word、Excel、PowerPoint）、記事本、QQ、Photoshop、AutoCAD，金山的辦公軟件WPS、金山詞霸，Visual Studio、Eclipse、Vim等，共同特點是用鍵盤輸入的內(nèi)容馬上能在屏幕上顯示出來；而下面這些軟件屬于弱交互性軟件：酷狗音樂播放器、Adobe Reader、家庭相冊、迅雷下載等，共同特點是在程序運行初期只需輸入少量信息，然后就源源不斷地輸出了。

在規(guī)劃云計算方案時，要特別關注軟件的輸入/輸出是實時的還是批量的。如果是實時的，那么還要進一步區(qū)分是強交互性的還是弱交互性的。對于實時的強交互性軟件，有兩種解決方法：（1）計算機網(wǎng)絡的延時控制在合理的范圍內(nèi)（一般要小于100毫秒），解決方法是就近部署云計算分支中心。如果延時過大，那么當使用諸如Word等辦公軟件時，需要等一會兒才能在屏幕上看到剛才用鍵盤輸入的字符，用戶體驗很差。（2）改造軟件以便能通過網(wǎng)頁瀏覽器訪問，用戶只與本地的網(wǎng)頁瀏覽器進行實時輸入/輸出交互，而網(wǎng)頁瀏覽器與“云”中軟件進行批量輸入/輸出傳輸，使用瀏覽器改造強交互性軟件如圖2-3所示。

計算機網(wǎng)絡延時的概念在2.3節(jié)會詳細介紹。

最后，我們用圖2-4來表示一個軟件運行模型。

一個軟件以文件的形式保存在硬盤上，當我們用鼠標雙擊它時，這個軟件就被讀取到內(nèi)存中，此后CPU就按照里面的步驟一步步執(zhí)行。執(zhí)行到一些輸入步驟時，就要從輸入設備上獲取信息（常見的輸入設備有鍵盤、鼠標、掃描儀、話筒、攝像頭、網(wǎng)絡等）；執(zhí)行一些計算步驟時，要用到計算設備；執(zhí)行輸出步驟時，把計算的結果通過輸出設備輸出（常見的輸出設備有計算機顯示器、打印機、繪圖儀、音箱、耳機、網(wǎng)絡、機械手等）。對于一些較大的軟件，不一定就是按照“輸入—計算—輸出”的順序進行的，在軟件執(zhí)行的過程中，隨時可能需要輸入，也隨時可能會輸出，計算步驟也可能安排在任意時刻。

注意：硬盤上的文件既可以作為輸入設備，也可以作為輸出設備。例如，編輯一個已經(jīng)存在的PPT文檔，首先作為輸入設備，PPT文檔中的內(nèi)容被讀取到內(nèi)存，編輯完成后保存時又作為輸出設備，內(nèi)存中被修改的內(nèi)容又被寫入這個PPT文檔中。計算設備一般指CPU、內(nèi)存、存儲器（硬盤屬于最典型的存儲設備）和網(wǎng)絡，為什么網(wǎng)絡也算計算設備呢？在云端運行一個分布式應用程序時，網(wǎng)絡是必需的。換個角度來看，計算設備就是程序運行時需要使用的資源——計算資源。硬盤上的PPT文檔本身不是程序，只是用于輸入/輸出的數(shù)據(jù)文件，雙擊它能打開進行編輯，實際上運行了微軟的辦公軟件中的powerpoint.exe程序，因為在安裝辦公軟件時自動建立了數(shù)據(jù)文件和程序的關聯(lián)，建立好關聯(lián)之后，只要雙擊數(shù)據(jù)文件，就能運行關聯(lián)的程序。

最后我們總結一下本節(jié)的知識點：

（1）軟件是由程序員寫的讓CPU來完成某項任務的步驟。

（2）這些步驟包括輸入/輸出步驟和計算步驟兩大類。

（3）輸入/輸出步驟要使用輸入/輸出設備，計算步驟要使用計算設備，計算設備也稱為計算資源。

（4）鍵盤和鼠標是最常見的輸入設備，顯示器和音箱是最常見的輸出設備，CPU、內(nèi)存、存儲器和網(wǎng)絡統(tǒng)稱為計算資源。

（5）軟件平時保存在硬盤中，但必須讀取到內(nèi)存中去執(zhí)行，一個軟件可以被多次執(zhí)行。

計算設備和輸入/輸出設備的分離是云計算的特征之一。也就是說，對于云計算而言，計算設備位于遠方的云端，而輸入/輸出設備就在眼前。究竟如何分離計算設備和輸入/輸出設備，請看后續(xù)章節(jié)。