Hạt nhân của chương trình máy tính là sự lưu trữ và xử lý thông tin. Việc tổ chức dữ liệu như thế nào có ảnh hưởng rất lớn đến cách thức xử lý dữ liệu đó, cũng như tốc độ thực thi và sự chiếm dụng bộ nhớ của chương trình. Do đó mục đích của bài viết này là cung cấp những hiểu biết nền tảng trong việc thiết kế một chương trình máy tính để thấy rõ được sự cần thiết của việc phân tích, lựa chọn cấu trúc dữ liệu phù hợp cho từng bài toán cụ thể.
1. Xác định bài toán:
Input -> Process –> Output (Dữ liệu vào –> Xử lý –> Kết quả ra).
- Việc xác định bài toán tức là xác định xem ta phải giải quyết vấn đề gì?, với giả thiết nào đã cho và lới giải cần đạt những yêu cầu gì. Khác với các bài toán thuần túy trong toán học là chỉ cần xác định rõ giả thiết và kết luận chứ không cần xác định yêu cầu về lời giải, đôi khi những bài toán tin học trong thực tế chỉ cần tìm lời giải tốt tới mức nào đó, thậm chí là chỉ ở mức chấp nhận được (nếu lời giải tốt nhất đòi hỏi quá nhiều thời gian và chi phí).
Ví dụ:
Bài toán: Một dự án có n người tham gia thảo luận, họ muốn chia thành các nhóm và mỗi nhóm thảo luận riêng về một phần của dự án. Nhóm có bao nhiêu người thì được trình lên bấy nhiêu ý kiến. Nếu lấy ở mỗi nhóm một ý kiến đem ghép lại thì được một bộ ý kiến triển khai dự án. Hãy tìm cách chi để số bộ ý kiến cuối cùng thu được là lớn nhất.
+ Xác định bài toán: Cho một số nguyên dương n, tìm cách phân tích n thành tổng các số nguyên dương sao cho tích các số đó là lớn nhất.
- Trong thực tế, ta nên xét một vài trường hợp cụ thể, thông qua đó hiểu được bài toán rõ hơn và thấy được các thao tác cần phải tiến hành. Đối với những bài toán đơn giản, đôi khi chỉ cần qua ví dụ là ta có thể đưa về một bài toán quen thuộc để giải.
2. Tìm cấu trúc dữ liệu biểu diễn thuật toán.
- Khi giải một bài toán, ta cần phải định nghĩa tập hợp dữ liệu để biểu diễn tình trạng cụ thể. Việc lựa chọn này tùy thuộc vào vấn đề cần giải quyết và những thao tác sẽ tiến hành trên dữ liệu vào. Có những thuật toán chỉ thích ứng với một cách tổ chức dữ liệu nhất định, đối với những cách tổ chức dữ liệu khác thì sẽ kém hiệu quả hoặc không thể thực hiện được. Chính vì vậy nên bước xây dựng cấu trúc dữ liệu không thể tách rời bước tìm kiếm thuật toán giải quyết vấn đề.
- Các tiêu chuẩn khi lựa chọn cấu trúc dữ liệu:
Cấu trúc dữ liệu trước hết phải biểu diễn được đầy đủ các thông tin nhập và xuất của bài toán.
Cấu trúc dữ liệu phải phù hợp với các thao tác của thuật toán mà ta lựa chọn để giải quyết bài toán.
Cấu trúc dữ liệu phải cài đặt được trên máy tính với ngôn ngữ lập trình đang sử dụng
- Đối với một số bài toán, trước khi tổ chức dữ liệu ta phải viết một đoạn chương trình nhỏ để khảo sát xem dữ liệu cần lưu trữ lớn tới mức độ nào.
3. Tìm Thuật Toán.
Thuật toán là một hệ thống chặt chẽ và rõ ràng các quy tắc nhằm xác định một dãy thao tác trên cấu trúc dữ liệu sao cho: với một bộ dữ liệu vào, sau số hữu hạn bước thực hiện các thao tác đã chỉ ra, ta đạt được mục tiêu đã định.
Thuật toán thông thường có 5 đặc trưng sau:
3.1 Tính đơn nghĩa.
- Ở mỗi bước của thuật toán, các thao tác phải hết sức rõ ràng, không gây nên sự nhập nhằng, lộn xộn, tùy tiện, đa nghĩa.
3.2 Tính dừng:
- Thuật toán không được rơi vào quá trình vô hạn, phải dừng lại và cho kết quả sau một số hữu hạn bước.
3.3 Tính đúng:
- Sau khi thực hiện tất cả các bước của thuật toán theo đúng quá trình đã định, ta phải được kết quả mong muốn với mọi bộ dữ liệu đầu vào. Kết quả đó được kiểm chứng bằng yêu cầu bài toán.
3.4 Tính khả dụng
- Thuật toán phải dễ sửa lỗi để thích ứng được với bất kỳ bài toán nào trong một lớp các bài toán và có thể làm việc trên các dữ liệu khác nhau.
3.5 Tính khả thi
- Kích thước phải đủ nhỏ: Ví dụ: một thuật toán sẽ có tính hiệu quả bằng 0 nếu lượng bộ nhớ mà nó yêu cầu vượt quá khả năng lưu trữ của hệ thông máy tính.
- Thuật toán phải chuyển được thành chương trình: Ví dụ thuật toán yêu cầu phải biểu diễn được số vô tỷ với độ chính xác tuyệt đối là không thể thực hiện được với các hệ thống máy tính hiện nay.
- Thuật toán phải được máy tính thực hiện trong thời gian cho phép, điều này khác với lời giải toán(chỉ cần chứng minh và kết thúc sau một số hữu hạn bước). Ví dụ: chương trình sắp xếp thời khóa biểu cho một học kỳ thì không thể cho máy tính chạy tới học kỳ sau mới có kết quả được.
Ví dụ:
- Input: 2 số tự nhiên a, b không đồng thời bằng 0.
- Output: ước số chung lớn nhất của a, b.
Thuật toán sẽ tiến hành mô tả như sau (thuật toán Euclide):
Bước 1: (Input): Nhập 2 số tự nhiên a, b.
Bước 2: Nếu b != 0 thì chuyển sang bước 3, nếu không thì bỏ qua bước 3, chuyển sang bước 4.
Bước 3: Đặt r = a % b , đặt a = b , b = r; quay trở lại bước 2.
Bước 4: (Output): kết luận ước số chung lớn nhất phải tìm là giá trị của a. Kết thúc thuật toán.
4. Lập Trình (Programming)
- Sau khi đã có thuật toán ta phải lập trình để thực hiện thuật toán đó. Muốn lập trình đạt hiệu quả cao, cần phải có kỹ thuật lập trình tốt. Kỹ thuật lập trình tốt thể hiện ở kỹ năng viết chương trình, khả năng gỡ rối và thao tác nhanh.
- Lập trình tốt không chỉ nắm vững ngôn ngữ lập trình là đủ, mà phải biết cách viết chương trình một cách uyển chuyển, khôn khéo và phát triển dần dần để chuyển các ý tưởng ra thành chương trình hoàn chỉnh.
- Kinh nghiệm cho thấy một thuật toán hay nhưng do cài đặt vụng về nên khi chạy lại cho kết quả sai hoặc tốc độ chậm.
- Thông thường, ta không nên cụ thể hóa ngay toàn bộ chương trình mà nên tiến hành theo phương pháp tinh chế từng bước(Stepwise refinement).
Ban đầu chương trình được thể hiện bằng ngôn ngữ tự nhiên, thể hiện thuật toán với các bước tổng thể, mỗi bước nêu lên một công việc phải thực hiện.
Một công việc đơn giản, hoặc một đoạn chương trình đã được học thuộc thì ta tiến hành viết mã lệnh ngay bằng ngôn ngữ lập trình.
Một công việc phức tạp thì phải chia ra thành những công việc nhỏ hơn để tiếp tục với những công việc nhỏ hơn đó.
- Trong quá trình tinh chế từng bước ta phải đưa ra những biểu diễn dữ liệu, như vậy cùng với sự tinh chế các công việc, dữ liệu cũng được tinh chế dần, có cấu trúc hơn, thể hiện rõ hơn mối liên hệ giữa các dữ liệu.
- Phương pháp tinh chế từng bước là một thể hiện của tư duy giải quyết vấn đề từ trên xuống, giúp cho người lập trình có một định hướng thể hiện phong cách viết chương trình. Tránh việc mò mẫm, xóa đi viết lại nhiều lần, biến chương trình thành tờ giấy nháp.
5. Kiểm thử chương trình (Testing program)
5. 1 Chạy thử và tìm lỗi.
- Chương trình là do con người viết ra, cho nên khó có thể tránh khỏi sự nhầm lẫn. Một chương trình viết xong chưa chắc đã chạy được ngay trên máy tính để cho ra kết quả mong muốn. Kỹ năng tìm lỗi, sửa lỗi, điều chỉnh lại chương trình cũng là một kỹ năng quan trọng của người lập trình. Kỹ năng này có được bằng kinh nghiệm tìm và sửa lỗi của chính mình.
- Có 3 loại lỗi thường gặp khi lập trình:
Lỗi cú pháp: lỗi này hay gặp nhưng cũng là lỗi dễ sửa nhất. Chỉ cần nắm vững ngôn ngữ lập trình là đủ. Một người được coi là không biết lập trình nếu không biết sửa lỗi cú pháp.
Lỗi cài đặt: Việc cài đặt thể hiện không đúng thuật toán đã định, đối với mỗi lỗi này thì phải xem lại tổng thể chương trình. Kết hợp với các chức năng gỡ rối để sửa lại cho đúng.
Lỗi thuật toán: Lỗi này ít gặp nhất nhưng nguy hiểm nhất. Nếu nhẹ thì phải điều chỉnh lại thuật toán, nếu nặng thì có khi phải viết lại một thuật toán mới từ đầu.
5.2 Xây dựng các bộ test
- Có nhiều chương trình rất khó kiểm tra tính đúng đắn. Nhất là khi ta không biết kết quả đúng là thế nào? Vì vậy, nếu như chương trình vẫn chạy ra kết quả (không biết đúng sai thế nào) thì việc tìm lỗi rất khó khăn. Khi đó ta nên làm các bộ test để thử chương trình của mình.
- Các bộ test nên đặt trong các file văn bản, bởi việc tạo một file văn bản (txt) rất nhanh, và mỗi lần chạy thử thì chỉ cần thay tên file dữ liệu vào là xong, không cần gõ lại bộ test từ bàn phím. Kinh nghiệm làm các bộ test là:
+ Bắt đầu với một bộ test nhỏ, đơn giản, làm bằng tay, cũng có được đáp số để so sánh với kết quả chương trình chạy ra.
+ Tiếp theo vẫn là các bộ test nhỏ nhưng chứa các giá trị đặc biệt hoặc tầm thường. Theo kinh nghiệm cho thấy thì đây là những bài test dễ sai nhất.
+ Các bộ test phải đa dạng, tránh sự lặp đi lặp lại các bộ test tương tự.
+ Nên có một vài bộ test lớn để kiểm tra tính chịu đựng của chương trình. Kết quả đó đúng hay không thì trong đa số trường hợp, ta không thể kiểm chứng được với test này.
- Lưu ý rằng, chương trình của bạn chạy qua được hết các bài test có nghĩa là chương trình đã đúng. Bởi vì có thể bạn chưa xây dựng được bộ test làm cho chương trình bị sai. Vì vậy, nếu có thể, ta nên tìm cách chứng minh tính đúng đắn của thuật toán và chương trình. Điều này thương rất khó.
6. Tối ưu chương trình (optimization program)
- Một chương trình chạy đúng không có nghĩa là việc lập trình đã xong. Ta phải sửa đổi lại một vài chi tiết để chương trình có thể chạy nhanh hơn, hiệu quả hơn.
- Thông thường trước khi kiểm thừ thì ta nên đặt mục tiêu viết chương trình sao cho đơn giản (miễn chạy ra kết quả đúng là được), sau đó khi tối ưu chương trình, ta xem lại những chỗ nào viết chưa tốt thì tối ưu lại những mã lệnh để chương trình ngắn gọn hơn, chạy nhanh hơn.
- Không nên viết tới đâu tối ưu mã đến đó (bởi chương trình có mã tối ưu thường phức tạp và khó kiểm soát).
- Việc tối ưu chương trình nên dựa theo 4 tiêu chuẩn chính sau:
6.1 Tính tin cậy
- Chương trình phải chạy đúng như dự định, mô tả đúng một giải thuật đúng. Thông thường khi viết chương trình, ta luôn có thoái quen kiểm tra tính đúng đắn của các bước mỗi khi có thể.
6. 2 Tính uyển chuyển
- Chương trình phải dễ sửa lỗi. Vì ít chương trình nào viết ra mã hoàn hảo ngay được mà vẫn cần phải sửa đổi lại. Chương trình viết dễ sửa đổi sẽ làm giảm bớt công sức của lập trình viên khi phát triển chương trình.
6. 3 Tính trong sáng
- Chương trình viết ra đễ đọc, dễ hiểu. Để sau một thời gian dài khi đọc lại còn hiểu mình làm cái gì? . Để nếu có điều kiện thì còn có thể sửa sai (nếu phát hiện lỗi mới), cải tiến hay biến đổi để được chương trình giả quyết bài toán khác. Tính trong sáng của chương trình phụ thuộc rất nhiều vào công cụ lập trình và phong cách lập trình.
6.4 Tính hữu hiệu
- Chương trình phải chạy nhanh và ít tốn bộ nhớ (tiết kiệm được cả không gian và thời gian). Để có một chương trình hữu hiệu, cần phải có một giải thuật tốt và những tiểu xảo khi lập trình. Tuy nhiên, việc áp dụng quá nhiều tiểu xảo có thể khiến chương trình trở nên rối rắm, khó hiểu khi sửa đổi. Tiêu chuẩn hữu hiệu nên dừng ở mức chấp nhận được, không quan trọng bằng 3 tiêu chuẩn trên. Vì phần cứng phát triển rất nhanh, yêu cầu hữu hiệu không phải đặt ra gánh nặng.
=> Từ những phân tích trên, chúng ta thấy rằng việt làm ra một chương trình phải trải qua rất nhiều công đoạn và tiêu tốn khá nhiều công sức. Chỉ một công đoạn không hợp lý sẽ tăng chi phí viết chương trình.
(Sưu tầm)
>> Click http://kcc.net.vn