分层与封装(2) 计算机系统的分层结构

之前我们提到了一种分层结构，互联网系统是宏观的上层，而计算机是细节的底层实现。互联网系统是由大量计算机互相连接而成的，大致可以分为数据传递结构、服务提供结构、和终端结构。每个结构实际上都不关心别的结构里的计算机具体是什么型号、如何实现的，他们只需要关注如何处理从网络端口获得的信息包，并将处理好的数据分发给谁。由于这些“封装”的存在，我们可以分层的考虑这些问题，设计微观层面的个体计算机系统时，也不需要考虑宏观层面的互联网系统，只需要按照互联网系统的要求设计好对接的接口就可以了。

在计算机系统中，也有这样的分层结构，最底层的硬件层包括了可以触碰到的硬盘、CPU、显卡等等硬件；中间是操作系统层，是一个对下可以控制各个硬件，对上可以搭载各种应用的软件系统；上层是应用层，也就是给用户使用的各种软件应用等。对于硬件层来说，他们所要考虑的是给定一个指令如何运转；操作系统层比较复杂，他将硬件抽象成软件的概念，并对他们进行管理，比如硬盘的存储被抽象成了文件管理、CPU的计算被抽象成了程序的进程、网络通信和外部输入输出被抽象了程序可以访问的端口；应用层利用操作系统抽象出来的接口，创作出各种应用供用户使用。

所以在这样的分层系统中，用户只知道应用是怎么使用的，并不需要知道操作系统是怎么安排应用的；应用只需要知道如何使用操作系统的接口，并不需要知道具体的硬件是怎么运转的。所以永远只有上一层需要知道下一层如何使用，而更上一层对底层是一无所知的。

这种分层系统可以说是无处不在，比如说CPU进行计算的时候需要数据，数据一般会存储在CPU带的缓存上，缓存的读写速度非常快，但是造价非常贵，所以一般只有几千字节大小；那么对于更大的数据，就需要将内存的数据一点点换给缓存读写；对于更大的数据，就需要从硬盘里将数据一点点换给内存，再换到缓层上。分层的首要条件就是封装，CPU只会找缓存进行读写，不会去操作内存；缓存只会和内存接触，不会直接去找硬盘。
这个分层系统使得CPU能够很好的平衡数据需求中快速和廉价两个关键。大部分数据可以在较快速的数据设备中完成，而少部分可以花费时间去向慢速且廉价的数据设备请求。

再比如互联网的经典TCP/IP分层模型，最底层网络接口层提供了设备之间进行直接数据传递的方法；第二层的网络互连层利用网络接口层的方法，选择路径将数据从设备A经过若干中间设备传递到远距离的设备B上；第三层传输层利用第二层的传输手段把大量数据打包，并确认对方能够收到了；第四层应用层利用第三层可靠的传输，来添加各种协议，使得传输的数据变得有意义，能够被应用所使用。

这种分层模型的优势在于，每一层所需要考虑的事情大大减少了，由于每一层只负责有限的部分，思维强度变低，也可以更可靠的测试。如果没有这种分层模型，软件直接操作数据传输和网络线路。网络断了这种再普通不过的情况，却无法测试；分层之后可以确认一定是中间某一层出现了问题，如果别的软件可以联网，那就是软件的问题；如果家里别的设备可以联网，那应该是设备上的问题；如果电脑拿到别的地方可以联网，那应该网络线路的问题。

一般的软件或者网络服务也会有分层系统：最底层的数据读写层，将数据存储到本地硬盘或者网络存储空间中；中间的服务层，处理业务逻辑，更新现实给用户的页面；和最前端的用户界面，帮助用户完成他们的请求，并显示结果给用户。所以简单来说在网页上发送Email的过程是这样的：用户请求发送Email -> 前段显示Email编辑页面 -> 用户完成编写点击发送 -> 前段将数据打包成请求包发送给服务层 -> 服务层处理逻辑，发送给对方邮箱，保存到数据库 -> 数据层得到请求更新数据库 -> 服务层告诉前段邮件已经保存、发送成功 -> 前端显示给用户。

好处依然是每一层需要考虑的事情大大减少，每一层都被很好的封装，绝对不会多操心别人的一点事情。