2.1 软件的概念

软件，也叫程序，那么究竟什么是软件呢？在回答这个问题之前，先来看下面的例子。

老李要求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3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B点和C点。

（3）画一条直线连接C点和A点。

（4）根据公式计算三角形的面积：

|(x_b-x_a)×(y_c-y_b)|-[|(x_b-x_a)-(y_a-y_b)|+|(x_b-x_c)(y_c-y_b)|+|(x_c-x_a)(y_c-y_a)|]÷2

（5）交回画了三角形并标注了面积的纸张。

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10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2-1所示。

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是软件的输出（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，老李要画更多不同的三角形并计算出面积，如果还是按照原来的方式，那么针对每个三角形，老李都要给小李两张纸，一张纸标明3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B点和C点。

（6）画一条直线连接C点和A点。

（7）根据公式计算三角形的面积。

|(x_b-x_a)×(y_c-y_b)|-[|(x_b-x_a)-(y_a-y_b)|+|(x_b-x_c)(y_c-y_b)|+|(x_c-x_a)(y_c-y_a)|]÷2

（8）交回画了三角形并标注了面积的纸张。

这样，小李收到老李递过来的纸张后，先询问老李三角形3个顶点的坐标，再画三角形并计算面积，如图2-2所示。

现在不只是老李，任何人只要复印那张写了步骤的纸张，都可以让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需要询问顶点的坐标。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3条输入语句，用户在运行这个软件时，要输入三角形3个顶点的坐标，然后会在屏幕上看到一个三角形及其面积。

至此，我们总结出这个软件具有以下特征。

（1）完成任务：画三角形并计算面积。

（2）输入数据：顶点坐标。

（3）输出结果：三角形及三角形的面积。

（4）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。

将指令集保存在一个文件中，这个文件就叫作可执行程序，允许被存放在硬盘、U盘、光盘或者网盘中，可以被任意复制和传播。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，双击它或者执行“开始”→“所有程序”→“附件”→“计算器”命令，即表示命令CPU现在就按照里面的步骤进行操作（术语称为执行指令）。

最后，我们通俗地定义一下软件：软件是由程序员编写的让CPU完成某项任务的步骤。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、C++、Java、PHP、Go等语言，编程人员必须严格按照计算机语言的语法规则来编写程序，例如，使用C语言实现加法运算。

上面左侧灰色框内就是程序员使用C语言编写的计算两个数相加的程序语句，右侧是说明信息。

软件必须包含输入/输出语句和计算语句。没有输入/输出语句的软件没有任何用途，因为它就像一个黑盒子，既不能输入任何内容，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在执行输入/输出步骤时，立即完成输入/输出动作；而批量输入/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；绝大部分网站是批量输入/输出的，如注册一个在线免费邮箱，我们需要一次性输入全部的注册信息，再单击“提交”按钮，提交全部的输入信息。

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的软件；弱交互性软件是指在软件运行时只需实时地进行少量的输入操作，就能源源不断地输出的软件。强交互性软件有微软的办公软件（Word、Excel、PowerPoint等）、记事本、QQ、Photoshop、AutoCAD、WPS、金山词霸、Visual Studio、Eclipse、Vim等，它们共同的特点是输入的内容可以马上在屏幕上显示出来。弱交互性软件有酷狗音乐播放器、暴风影音、PPTV、Adobe Reader、家庭相册、迅雷下载等。

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：第一种解决方法是将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。如果延时过长，那么当使用如Word等排版软件时，需要等待一段时间后才能在屏幕上看到刚才输入的字符，用户的体验感很差。第二种解决方法是改造软件，使软件可以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”中的软件进行批量输入/输出交互，如图2-3所示。

计算机网络延时的概念会在2.3节详细介绍。

我们用图2-4来表示一个软件运行模型。

一个软件以文件的形式保存在硬盘上，当我们双击它时，这个软件就被读到内存中，此后，CPU就按照里面的步骤一步步执行。当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）；当执行一些计算步骤时，需要用到计算设备；当执行输出步骤时，把计算结果通过输出设备输出（常见的输出设备有显示器、打印机、绘图仪、音箱、耳机、网络、机械手等）。一些较大的软件，不一定是按照“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，也随时可能需要输出，计算步骤也可能安排在任意时刻。一个正在运行的程序被称为进程。

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，这个文档首先作为输入设备，PPT文档中的内容被读到内存中，编辑完成后保存时又作为输出设备，内存中被修改的内容被写入这个PPT文档。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？因为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，计算设备就是程序在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，双击它能打开并进行编辑，实际上在这一过程中运行了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。

最后，我们总结一下本节的知识点。

（1）软件是由程序员编写的让CPU完成某项任务的步骤。

（2）这些步骤分为输入/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，但必须被读到内存中执行，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。