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软件(程序)是什么?

软件,也叫程序,那么究竟什么是软件?在回答这个问题之前,先来看下面的例子。

老李要求他的痴呆儿子(下称小李)在一张纸上画三角形并计算出三角形的面积。老李准备了两张白纸:一张白纸上标注了三个点:A 点、B 点和 C 点,以及每个点的坐标;另一张白纸上写下了画三角形的步骤和计算三角形面积的方法。小李只要按照这些步骤和计算方法动手即可。步骤如下:

1)画一条直线连接 A 点和 B 点。

2)画一条直线连接 A 点和 C 点。

3)画一条直线连接 B 点和 C 点。

4)根据下面的公式计算三角形的面积并写在纸上:

老李把这两张纸交给小李后,小李在书桌上摊开这两张纸开始工作。大概过了十分钟,老李得到了一张画好三角形并标注了面积的纸张,任务完成,如图 1 所示。
画三角形并计算面积
图 1  画三角形并计算面积

现在把小李比喻成计算机的 CPU(中央处理器),那么书桌就是内存,绘制三角形的步骤就是软件,一个步骤就是一条指令(语句),老李就相当于程序员,而那张画了三角形并标注了面积的纸张就相当于软件的输出(在屏幕上显示或者打印出来),“画一个三角形并计算面积”就是软件要完成的任务(程序要处理的数据)。

几天后,老李要画更多形状不同的三角形并计算出各自的面积,如果还是按照原来的方式,那么针对每个三角形,老李都要给小李提交两张纸,一张纸标明三个点,另一张纸写明步骤。这样做一方面浪费了纸张,另一方面增加了工作量。于是老李想出了一个办法,只交给小李一张写有步骤的纸张,画一个三角形并计算面积的步骤改为:

1)询问 A 点的坐标。

2)询问 B 点的坐标。

3)询问 C 点的坐标。

4)画一条直线连接 A 点和 B 点。

5)画一条直线连接 A 点和 C 点。

6)画一条直线连接 B 点和 C 点。

7)根据下面的公式计算三角形的面积并写在纸上:

8)把那张画了三角形并标注了面积的纸张交回给老李。

这样小李收到老李递过来的纸张后,先询问老李三角形的三个顶点的坐标,然后再去画三角形并计算面积,如图 2 所示。
画三角形并计算面积(2)
图 2  画三角形并计算面积(2)

现在不只是老李,任何人只要复印那张写了步骤的纸张,都可以叫小李画出任何他们想要的三角形,只不过小李在画三角形前要询问顶点的坐标。继续把这些步骤比喻成软件,那么相对于前面的软件,这次增加了三条输入语句,用户在运行这个软件时,要用键盘输入三角形的三个顶点的坐标,然后就会在屏幕上看到一个三角形以及这个三角形的面积。

至此,我们总结出这个软件已经具备如下特征。
  • 完成任务:画三角形并计算面积。
  • 输入数据:顶点坐标。
  • 输出结果:三角形及三角形的面积。
  • 指令集:详细定义画一个三角形的步骤和计算三角形面积的方法。

指令集保存在一个文件中,这个文件就叫可执行程序,允许存放在硬盘、U 盘、光盘或者网盘中,可以任意复制和传播。比如,Windows 操作系统中的“计算器”这个程序(指令集)保存在硬盘上的 C:\Windows\system32\calc.exe 文件中,用鼠标双击它或者单击“开始”(“所有程序”(“附件”(“计算器”,即表示命令 CPU 现在就按照里面的步骤进行操作(专业术语叫执行指令)。

最后,我们通俗地定义一下软件:由程序员写的需要让 CPU 来完成某项任务的步骤。只不过这些步骤是用计算机语言来描述的。常见的计算机语言有 C 语言、C++Java、PHP、Go 等,编程人员必须严格按照计算机语言的语法规则来写程序,如下面用 C 语言语句实现的加法运算。


上面左侧灰色框内就是程序员用 C 语言写的两个数相加的程序语句,右侧是额外加上的说明信息。

软件必须包含输入/输出语句和计算语句,没有包含输入/输出语句的软件没有任何用途,因为它就像一个黑盒子,既不能输入任何东西,也不能从它那里得到任何东西。

在这里,我们要澄清两个概念:实时输入/输出和批量输入/输出。
  • 实时输入/输出是指 CPU 执行输入/输出步骤时,立即完成输入/输出动作。
  • 批量输入/输出是一次性输入全部的信息,一次性输出全部的计算结果。

大部分计算机软件,如办公软件,都要求实时输入/输出。绝大部分网站都是批量输入/输出的,比如注册一个在线免费邮箱,我们要一次性输入全部的注册信息,然后再单击“提交”按钮,送出全部的输入信息。

实时输入/输出软件可进一步划分为强交互性软件和弱交互性软件两种,强交互性软件是指在运行时需要实时地进行大量输入/输出操作,且输入之后马上能看到输出结果;而弱交互性软件是指软件运行时实时地进行少量的输入操作,然后就源源不断地输出了。

属于强交互性软件的有:微软的办公软件(Word、Excel、PowerPoint)、记事本、QQ、Photoshop、AutoCAD、金山的办公软件 WPS、金山词霸、Visual Studio、Eclipse、Vim、飞信等,共同特点是用键盘输入的东西马上能在屏幕上显示出来。

下面这些软件属于弱交互性软件:酷狗音乐播放器、暴风影音、千千静听、PPTV、Adobe Reader、家庭相册、迅雷下载等,共同特点是在程序运行初期只需输入少量信息,然后就源源不断地输出了。

在规划云计算方案时,要特别关注软件的输入/输出是实时的还是批量的。如果是实时的,那么还要进一步区分是强交互性的还是弱交互性的。对于实时的强交互性软件,有两种解决方法:

1)计算机网络的延时控制在合理的范围内(一般要小于 100 毫秒),手段是就近部署云计算分支中心。如果延时过大,那么当使用诸如 Word 等排版软件时,需要等一会儿才能在屏幕上看到刚才用键盘输入的字符,用户体验很差。

2)改造软件以便能通过网页浏览器访问,用户只与本地的网页浏览器进行实时输入/输出交互,而网页浏览器与“云”中软件进行批量输入/输出传输,示意图如图 3 所示。
使用浏览器改造强交互性软件
图 3  使用浏览器改造强交互性软件

计算机网络延时的概念在教程后面会详细介绍。

最后,我们用图 4 来表示一个软件运行模型。
软件运行模型
图 4  软件运行模型

一个软件以文件的形式保存在硬盘上,当我们用鼠标双击它时,这个软件就被读到内存,此后 CPU 就按照里面的步骤一步步执行。

执行到一些输入步骤时,就要从输入设备上获取信息(常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、话筒、摄像头、网络等)。

执行一些计算步骤时,要用到计算设备。

执行输出步骤时,把计算的结果通过输出设备输出(常见的输出设备有计算机显示器、打印机、绘图仪、音箱、耳机、网络、机械手等)。

对于一些较大的软件,不一定就是按照“输入—计算—输出”的顺序进行的,在软件执行的过程中,随时可能需要输入,也随时可能会输出,计算步骤也可能安排在任意时刻。

注意:硬盘上的文件既可以作为输入设备,也可以作为输出设备。例如,编辑一个已经存在的 PPT 文档,首先作为输入设备,PPT 文档中的内容被读到内存,编辑完成后保存时又作为输出设备,内存中被修改的内容又被写到这个 PPT 文档中。

计算设备一般指 CPU、内存、存储(硬盘属于最典型的存储)和网络,为什么网络也算计算设备呢?在云端运行一个分布式应用程序时,网络是必需的。换个角度来看,计算设备就是程序运行时需要使用的资源——计算资源。

硬盘上的 PPT 文档本身不是程序,只是用于输入/输出的数据文件,双击它能打开进行编辑,实际上运行了微软的办公套件中的 powerpoint.exe 程序,因为在安装办公软件时自动建立了数据文件和程序的关联,建立好关联之后,只要双击数据文件,就能运行关联的程序。

本节的知识点

  1. 软件是由程序员写的让 CPU 来完成某项任务的步骤。
  2. 这些步骤包括输入/输出步骤和计算步骤两大类。
  3. 输入/输出步骤要使用输入/输出设备,计算步骤要使用计算设备,计算设备也称为计算资源。
  4. 键盘和鼠标是最常见的输入设备,显示器和音箱是最常见的输出设备,CPU、内存、存储和网络统称为计算资源。
  5. 软件平时保存在硬盘里,但必须读到内存中去执行,一个软件可以被多次执行。

计算设备和输入/输出设备的分离是云计算的特征之一。也就是说,对于云计算而言,计算设备位于远方的云端,而输入/输出设备就在眼前。究竟如何分离计算设备和输入/输出设备,请看后续章节。

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