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. 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.
Xác định bài toán
-
Việc xác định bài toán tức là xác định xem ta phải giải quyết vấn đề gì?, với giả thiết nào đã cho và lời giải cần đạt những yêu cầu gì. Trong thực tế, những bài toán tin học trong thực tế đôi khi 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. Vì vậy, việc xác định bài toán là rất quan trọng.
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.
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. Việc 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.
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:
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.
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.
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.
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.
Tính khả thi
- Kích thước phải đủ nhỏ: 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.
Lập Trình
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.
Kiểm thử chương trình
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.
- 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.
- 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.
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 được 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.
- 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.
Tối ưu chương trình
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 thử 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.
- Việc tối ưu chương trình nên dựa theo 4 tiêu chuẩn chính sau:
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 thói quen kiểm tra tính đúng đắn của các bước mỗi khi có thể.
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.
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 giải quyết bài toán khác. Tính trong sáng của chương trình phụ thuộc rất nhiều vào công cụ lập trình và phong cách lập trình.
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 việc 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.
Lời khuyên: Đừng bao giờ viết chương trình mà chưa suy xét kỹ về giải thuật và những dữ liệu cần thao tác.