20 | 桌面开发的宏观视角

Jun 28, 2019

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20 | 桌面开发的宏观视角

2019-06-28 许式伟来自北京

《许式伟的架构课》

课程介绍

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讲述：丁伟

时长08:52大小8.15M

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你好，我是七牛云许式伟。今天开始，我们进入第二章，谈谈桌面软件开发。
从架构的角度，无论你在什么样的终端设备（比如：PC、手机、手表、手机等等），也无论你在做 Native 应用，还是基于 Web 和小程序，我们都可以统一称之为桌面程序。
如前文所述，一个桌面程序完整的架构体系如下：
对于桌面程序，最核心的话题是交互。为了把关注点收敛到交互上，我们下面重点讨论操作系统对交互范式的设计。
从需求角度看，桌面程序的交互方式并不稳定，它的交互范式经历了很多次的迭代。
命令行交互最早出现的交互范式是命令行交互程序。使用的交互设备为键盘 + 显示器。
输入被抽象为一段以回车（Enter 键）为结束的文本（通常是单行文本，要输入多行文本，需要在行末输入“ \ ”对回车进行转义）。
输入方式有二：一是命令行，二是标准输入（stdin）。输出也是文本，但输出目标可能是标准输出（stdout），也可能是标准错误（stderr）。
正常情况下，标准输出（stdout）和标准错误（stderr）都是向屏幕输出。这种情况下，肉眼并不能区分输出的内容是标准输出，还是标准错误。
命令行交互程序的输入输出可以被重定向。一个程序的输出，可以被重定向写入到文件（标准输出和标准错误可以输出到不同的文件以进行区分），也可以通过管道功能重定向为另一个程序的输入。
总结一下，命令行交互程序的结构可示意如下：
但命令行程序的限制过大了，人们很容易发现，在很多需求场景下这是非常反人类的，最典型的就是编辑器。稍微想象一下，你就会为怎么做好交互设计而头疼不已。
字符界面于是，字符界面程序出现了。使用的交互设备仍然是键盘 + 显示器，但是输入不再是一段文本，而是键盘按键事件（KeyDown 和 KeyUp）。
输出也不是一段文本，而是可以修改屏幕任何位置显示的字符（屏幕被分割成 M*N 的格子，每个格子可以显示一个字符）。
这个时候，键盘的功用在需求上分化为两个：一是输入文本，二是输入命令（通常通过扩展键比如方向键，或者组合键比如 Ctrl-A、Alt-X）。从输入文本的角度，需要有当前输入的光标（Caret）位置。
字符界面程序保留命令行输入的方式，但一般不太使用标准输入。其结构示意如下：
上图的 TDI 含义是字符设备接口（Text Device Interface），它指的是一组向屏幕绘制文本的方法集合。大体看起来是这样的：
func ClearScreen()
func DrawText(x, y int, text string)
...
但是，字符界面程序也有很大的局限。最典型的需求场景是游戏。一些简单的游戏比如俄罗斯方块是可以基于字符界面做出来的，但大部分情况下，字符界面对于游戏类场景能够做的事情非常有限。
图形界面于是，图形界面程序出现了。使用的交互设备是键盘 + 鼠标 + 显示器 + 音箱。从交互演进角度，这是一个划时代的变化。
与字符界面时期相比，图形界面时代变化的根源是输出的变化：从字符变成像素。屏幕被分割为精度更高的 M * N 的格子，每个格子显示的是一个很小很小的像素，每个像素可以有不同的颜色。
为什么会出现鼠标？因为屏幕精度太高，用键盘的方向键改变当前位置，不只是看起来非常笨拙，而且操作上也很不自然。
为什么出现音箱的原因则比较平凡，它只不过是声音设备演进的自然结果。事实上在字符交互时期声音设备就已经有了，计算机主板上有内置的喇叭。
这个喇叭最大的用途是出现重大错误（比如计算机启动失败）的时候会响几声给予提示。
开发人员可以通过向标准输出（stdout）或标准错误（stderr）输出一个特殊的字符让喇叭响一声。
前面我们说过，输出到标准输出和标准错误对肉眼来说不可区分，所以如果我们向标准错误输出文本前让喇叭响一声，也是一个不错的一种交互范式。
与字符界面程序相比，图形界面程序还有一个重大变化，是多窗口（当然，部分复杂的字符界面程序也是多窗口的，比如 Turbo C++ 3.0，它用的是 Turbo Vision 这个知名的字符界面库）。
窗口（Window），也有人会把它叫视图（View），是一个独立可复用的界面元素。复杂的窗口可以切分出多个逻辑独立的子窗口，以降低单个窗口的程序复杂性。
窗口有了父子和兄弟关系，就有了窗口系统。一旦界面涉及复杂的窗口系统，交互变得更为复杂。例如，键盘和鼠标事件的目标窗口的确定，需要一系列复杂的逻辑。
为了降低编程的负担，窗口系统往往接管了桌面程序的主逻辑，提供了一套基于事件驱动的编程框架，业务代码由窗口系统提供的界面框架所驱动。整个程序的结构如下所示。
上图的 GDI 含义是图形设备接口（Graphic Device Interface），它指的是一组向指定窗口（注意不是屏幕）绘制图形的方法集合。绘制的对象包括有几何图形、图像、文本等。
此后，到了移动时代，手机成了最主流的计算机。使用的交互设备发生了变化，变成了触摸屏 + 麦克风 + 内置扬声器。
鼠标交互方式被淘汰，变成了多点触摸。键盘 + 鼠标 + 显示器的能力被融合到触摸屏上。
音箱也被内置到手机中，变成内置扬声器。这些变化都因移动设备便携性的述求引起。从架构的角度，它们并没有引起实质性的变化，只是鼠标事件变成了触摸事件。
智能交互麦克风让计算机多了一个输入：语音。有三种典型的用法。
一是在应用内把语音录下来，直接作为类似照片视频的媒体消息，或者识别为文本去应用（比如语音搜索）。
二是作为语音输入法输入文本（逻辑上可以认为是第一种情况的特例，只不过输入法在操作系统中往往有其特殊的地位）。
三是基于类似 Siri 语音助手来交互。
语音助手是被寄予厚望的新的交互范式。它可能开启了新的交互时代，我们不妨把它叫智能交互时代。但当前它与图形界面程序结构并不相容，而是完全自成体系，如下：
为什么语音交互和图形界面交互没法很好地融合在一起？我认为有两个原因。
一是语音交互有很强的上下文，所以语音交互程序通常其业务代码也由语音交互系统提供的框架所驱动。框架的特点是侵入性强，框架与框架之间很难融合。
二是语音交互还不成熟，所以独立发展更简单，如果有一天成熟了，完全可以重写框架，把语音和触摸屏结合起来，形成全新的交互范式。
未来交互会怎样？智能交互很可能不会止步于语音，而是视频（同是兼顾视觉和听觉），且与触摸屏完美融合。使用的交互设备有触摸屏 + 摄像头 + 麦克风 + 内置扬声器。整个程序的结构如下所示。
结语通过以上对交互演化历程的回顾，我们看到交互范式的演进是非常剧烈的。交互体验越来越自然，但从编程的角度来说，如果没有操作系统支持，实现难度也将越来越高。
这也说明了一点，桌面操作系统和服务端操作系统的演进方向非常不一样。桌面操作系统的演进方向主要是交互范式的迭代，在向着越来越自然、越来越智能的交互前进。
如果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。下一讲我们将介绍：“图形界面程序的框架”。
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。

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苟范儿
2019-06-28
这些桌面的交互都主要是针对计算机、手机两类终端与人交互的. 鼠标、键盘（触摸屏）对应到手，图形界面对应到眼睛，语音对应到耳朵，麦克风对应到嘴巴. 但实际上交互的形式应该不局限于人与终端，也可以是终端与物体，而且以后应该会更多。举一些交互例子，比如： 1、商品自助结算（图像识别、磁识别、一维码等），商品与结算机的交互。 2、NFC 刷公交卡，共享单车的开锁（扫码、蓝牙），终端与其它设备的交互。 3、汽车的方向盘交互（未来演化为自动驾驶交互），方位控制。 4、摇杆控制（无人机等设备），涉及了空间方位的控制。个人觉得在万物互联的未来，传感器会变的更丰富，智能程度也增高，反而物与物之间、终端与物体之间的交互会更多，反而人不需要经常作为任务的发起点进行太多交互，更多的交互放在智能设备（不局限于手机、计算机）之间。
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作者回复: 挺好的补充。想象一下这些场景下的交互框架应该怎样才比较合理。
共 2 条评论
55
有铭
2019-06-28
老师，我可不可以这么理解：一切要和最终用户直接进行交互的，都是前端系统，也就是您说的桌面开发一切不需要和最终用户直接交互的（中间有隔着一层或若干层）。都算后端系统
作者回复: 可以这么理解
12
Geek_88604f
2019-06-28
在命令行和字符界面时代，应用和交互系统是混在一起的。但是到了图形界面和智能交互时代，应用和交互系统分离了。这是什么原因，许老师？
作者回复: 命令行程序没有提供编程框架，业务你自己串联。图形界面程序你的业务代码由窗口系统抽象的事件驱动编程框架所驱动。
9
Being
2019-06-28
老师您怎么看VR和AR这类智能交互呢，它们应该也属于语音、视频以及各种传感器之间配合的输入输出吧，其实也就是一套独立的智能交互系统吧。还有像之前您的课程说的，“智能”应该属于操作系统里的框架，然后对于应用层来说就是各种场景的应用扩展，所以关于交互的智能系统，是否也是操作系统的职责呢？
作者回复: 我觉得智能交互系统是操作系统提供是现实的。智能则不一定现实。
5
Charles
2019-06-28
比如iOS APP这个桌面程序(native)，好像对应不上那张“桌面程序完整的架构体系”配图，把浏览器这一层去掉就OK了吗？
作者回复: 嗯
共 3 条评论
5
williamcai
2019-07-01
个人认为，交互变化的是方式，本质上还是输出和输入
作者回复: 最多只能做到架构不变，不能做到代码不变。我们求的是代码不变。
3
歌在云端
2019-06-28
请问一下标准输入是什么跟命令行有什么不同
作者回复: C语言里面的scanf就是标准输入
3
KingSwim
2019-08-12
意识交互？会实现么
共 1 条评论
1
笨笨
2019-07-04
人还有大脑🧠，大脑还没作为交互的一端——无论是输入还是输出，而且这种也更自然
作者回复: 看起来还有点遥远
1
小鲸鱼
2019-07-02
从某种角度看，锤子的tnt也能算是采用了新的交互范式了吧。
作者回复: 这...
1
Aaron Cheung
2019-06-28
打卡20 宏观角度
1
杨洪林
2019-06-28
现在一些巨头推出的带有显示屏智能音箱是不是就是老师说的未来的交互模式的雏形？
作者回复: 嗯
1
不温暖啊不纯良
2021-04-05
关于交互方式的演进,我有一个大胆的猜想. 首先,人不管是怎么样的和机器交互,其实就是想让机器明白自己想干什么. 其次,人所有的行为可以看做是人类大脑(cup)对输入(人类五感)到大脑的信息处理后的输出. 那么,人机交互方式的演进,到最后肯定是要把人体系统中的输入设备给换掉啊,因为效率的确不怎么高,到最后,人类干脆通过传感器,直接用大脑来和机器交互,传感器可以看做是人体的外置输出接口,通过监听人脑脑电波频率来判断人的想法,从而来做人想让它做的事,比如去门口买杯饮料,或者是想着今天要去踏青,想法一出来,腿还没迈出去,机器就已经帮你把车停到门口了......完了,不敢再往下想了.
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作者回复: 这也是很多人研究脑机接口的原因。
言十年
2021-02-09
希望将来有宠物与人的交互。
J6
2020-11-19
未来基于脑机接口输入输出说不定会有彻底改变。
张浩_house
2020-09-03
信息输入输出多样化发展，这种交互方式发展越来越智能化、越来越方便用户体验
E
2020-08-06
从一维到二维到三维的演进
1
蓝云
2020-07-13
许老师，为什么这些操作界面各异的软件，都可以称作为“桌面软件”呢？桌面软件这个关键词的意义在于什么呢？谢谢。
作者回复: 对于服务器软件来说，这些软件往往是面向机器的，不需要屏幕，需要log系统以便分析系统异常的原因。对于桌面软件，是面向终端用户的，ui和交互很重要。
1
王棕生
2020-05-25
“命令行交互”类似于当年的 ucdos，“字符界面”类似于当年求伯君的 wps，“图形界面”类似于现代的word。许老师，我可以这样理解吗?
作者回复: 是的
1
活水
2020-03-24
每种场景的需求决定了范式和进化路径。

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