Chương 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT LẬP TRÌNH 1. Lập trình và ngôn ngữ lập trình 1. Khái niệm về lập trình Thuật ngữ lập trình (programming) nhằm nói đến quá trình xây dựng - sản xuất một chương trình phần mềm cho máy tính, qua đó khi chương trình phần được thực thi trên máy tính, chúng ta ứng dụng để giải quyết bài toán thực tế. Khái niệm bài toán ở đây được hiểu theo nghĩa rộng, tức là bất kỳ vấn đề nào trong thực tế mà con người cần ứng dụng máy tính để giải quyết.
Quá trình này gồm nhiều giai đoạn như khảo sát, phân tích và thiết kế, mã hóa chương trình, kiểm thử chương trình, bảo trì nâng cấp,. Các giai đoạn chính trong quá trình xây dựng một chương trình phần mềm như sau. Chương \ Khảo Phân tích & Mã hóa Kiểm trình phần I sát thiêt kê chương trình tra mềm Giai đoạn khảo sát nhàm làm rõ các yêu cầu của bài toán, giới hạn hay xác định phạm vi bài toán cần giải quyết, tiếp theo phân tích các yêu cầu của bài toán thật chi tiết về các quy trình nghiệp vụ, cách thức xử lý các vấn đề có trong phạm vi bài toán để từ đó thiết kế các 6 KỸ THUẬT LẠP TRÌNH c ơ s ở VỚI NGÔN NGỮ C/C++ thành phần cho chương trình phần mềm. Giai đoạn mã hóa chương trình (hay coding) là một giai đoạn quan trọng, ở đó, các thiết kế về phần mềm sẽ được chuyển hóa thành nội dung các thành phần của một chương trình máy tính.
Người thực hiện ở giai đoàn này hay được gọi là lập trình viên (programmer). Như vậy, kết quả của lập trình là chương trình phần mềm (software), chương trình này sẽ được thực hiện trên máy tính và qua đó giúp con người giải quyết bài toán đặt ra ban đầu. Chúng ta không đi sâu tìm hiểu chi tiết về các giai đoạn ở đây. Trong khuôn khổ tài liệu này, sẽ đề cập đến giai đoạn mã hóa chương trình hay còn gọi là viết mã lệnh.
Giai đoạn này được thực hiện dựa trên những phân tích và thiết kế về chương trình đó. Các thiết kế của chương trình gồm nhiều thành phần khác nhau như việc phân chia các rtìô-đun xử lý, các giao diện người dùng của chương trình. nhưng quan trọng là quy trình xử lý và tính toán cho các vấn đề của bài toán bằng máy tính, hay còn gọi là thuật toán. Phần thuật toán này sẽ cho thấy cấu trúc trình tự mà người lập trình sẽ viết mã lệnh cho chương trình.
Khái niệm và các vấn đề về thuật toán được trình bày ở phần sau. Thực tiễn đặt ra nhiều bài toán cho việc xây dựng các chương trình phần mềm ứng dụng. Có một số bài toán có thể đang được giải quyết bằng sức lao động của con người, tuy nhiên có những bài toán chúng ta không thể giải quyết vì khối lượng tính toán khổng lồ hoặc diễn ra trong những môi trường đặc biệt. Chẳng hạn, bài toán giải phương trình bậc hai là đơn giản và chúng ta có thể tính toán trong thời gian ngắn, trong khi bài toán phân tích một số nguyên khoảng 50 chữ số thành các thừa số nguyên tố sẽ cần một khối lượng tính toán lớn và con người không dễ gì có thể tính toán ngay được.
Hoặc bài toán điều khiển các thiết bị rô-bốt được phóng vào vũ trụ thì rõ ràng con người chưa thể tham gia điều khiển trực tiếp mà cần có sự tự động hóa việc điều khiển bàng máy tính. Những điều này cho thấy sự cần KỸ THUẬT LẬP TRÌNH c ơ s ở VỚI NGÔN NGỮ C/C++ thiết đến việc ứng dụng máy tính thông qua các chương trình phầr mềm ứng dụng. Mặt khác, với đặc trưng như tính trung thực, không bị phụ thuộc vào điều kiện ngoại cảnh khi tính toán và xử lý. nên việc ứng dụng máy tính giải quyết các bài toán giúp con người sẽ hiệu quả cao vè đảm bảo tính ổn định hon.
Ngôn ngữ lập trình Chương trình phần mềm của máy tính là tập hợp các câu lệnh CC thứ tự để điều khiển máy tính xử lý và tính toán giải quyết bài toán đ< đặt ra. Các lệnh biểu diễn ở dạng này gọi là mã máy. Tuy nhiêi chúng ta không phải và cũng rất khó lập trình bằng các lệnh m ã máy mà sẽ sử dụng các lệnh dưới dạng tương tự ngôn ngữ tự nhiên (chi yếu bằng tiếng Anh) để dễ dàng hơn, đó chính là nhờ sự cung cấp củi ngôn ngữ lập trình. Như vậy, ngôn ngữ lập trình có thể hiểu là tập các ký pháp, qir tắc, quy ước để viết mã lệnh cho chương trình.
Hiện nay có rất nhiềi loại ngôn ngữ lập trình được chia thành từng nhóm sau: - Ngôn ngữ máy: sử dụng các ký hiệu nhị phân cùng với quy tắ của máy nên rất khó áp dụng và hầu như không được dùng để viể chương trình. - Nhóm ngôn ngữ bậc thấp: sử dụng các ký hiệu là chữ cái, chi số, dấu. hay còn gọi là các ký tự cùng với quy tắc gần với quy tắ của máy nên cũng khá khó khi áp dụng. Chẳng hạn, như ngôn ng Assembler.
Các ngôn ngữ thuộc nhóm này thường áp dụng để vi( chương trình phần mềm dạng hệ thống, can thiệp sâu bên trong cá thiết bị vật lý để điều khiển. 8 KỸ THUẬT LẬP TRÌNH c ơ SỞ VỚI NGỐN NGỮ C/C++ - Nhóm ngôn ngữ bậc cao: sử dụng các ký hiệu là các ký tự của ngôn ngữ tự nhiên (tiếng Anh) để viết lệnh với quy tắc gần với quy tắc của ngôn ngữ tự nhiên nên dễ áp dụng. Chẳng hạn như Pascal, C/C++, Java,. Ngôn ngữ lập trình về bản chất cung cấp cho người lập trình hai yếu tố chính thứ nhất, cung cấp các ký hiệu và quy tắc viết mã lệnh để sao cho đơn giản và dễ triển khai; thứ hai, cung cấp cơ chế để các chương trình sau khi viết bàng ngôn ngữ này sẽ được chuyển về dạng mã máy để thực hiện trên máy tính.
Quá trình chuyển đổi này được gọi là biên dịch (compile) chương trình. Chương trình được viết ra sử dụng một ngôn ngữ lập trình nào đó được gọi là chương trình nguồn (source programs), sau khi biên dịch sẽ tạo thành chương trình gồm các lệnh mã máy được gọi chương trình thực thi (executive programs). Hình vẽ sau minh họa quá trình lập trình phần mềm và biên dịch, chạy thử chương trình trên máy tính. Khái niệm thuật toán (algorithms) Thuật toán là một hệ thống chặt chẽ và rõ ràng các quy tắc nhằm xác định một dãy có thứ tự các thao tác trên những đối tượng, sao cho KỸ THUẬT LẬP TRÌNH c ơ SỞ VỚI NGÔN NGỮ C/C++ 9 sau một số hữu hạn bước thực hiện các thao tác này, ta thu được kết quả mong muốn.
Thuật toán là khái niệm cơ bản trong tin học để diễn tả cách thức máy tính xử lý thông tin nhằm giải quyết một bài toán nào đó. Vì vậy để lập trình cho máy tính, trước hết, chúng ta phải thiết kế một thuật toán thích hợp mà các bước tính toán trong đó là thực hiện được bởi máy tính. Sự thích hợp của một thuật toán được thể hiện ở các đặc trưng cần có và chúng ta sẽ xem xét chi tiết ở phần tiếp theo. Chẳng hạn, để thực hiện bài toán giải phương trình bậc hai dạng a.x+c = 0 chúng ta cần phải thực hiện theo thứ tự các bước như sau: Bước 1) Xác định các hệ số của phương trình là ba số a, b và c.
Bước 2) Kiểm tra, nếu a bằng 0 thì trả lời đây không phải là phương trình bậc hai và kết thúc. Ngược lại thực hiện tiếp bước 3. Bước 3) Tính giá trị của delta = b2- 4a.c Bước 4) Nếu delta < 0 thì trả lời phương trình không có nghiệm thực và kết thúc. Ngược lại sang bước 5.
Bước 5) Nếu delta = 0 thì trả lời phương trình có nghiệm kép là Xi = x2 = -b/(2.a) và kết thúc. Ngược lại sang bước 6. Bước 6) Nếu delta > 0 thì trả lời phương trình có hai nghiệm phân biệt là X] = (-b+delta1/2)/(2.a) và kết thúc. Quá trình thực hiện bài toán trên có 6 bước, nội dung thực hiện các bước là rõ ràng, chính xác và đơn nghĩa.
Nếu chúng ta đảo lộn trật tự của các bước thì có thể dẫn đến sai, tức là không giải quyết được bài toán đã đặt ra. Đây là đặc điểm có tính thứ tự của các thao tác trong bất kỳ một thuật nào. Để tìm hiểu kỹ các đặc trưng của thuật toán, chúng ta sẽ tiếp tục ở phần sau. 10 KỸ THUẬT LẬP TRÌNH c ơ s ở VỚI NGÔN NGỮ C/C++ 1.
Phương pháp trình bày thuật tuán Vấn đề biểu diễn thuật toán cũng rất quan trọng, nhàm mục đích truyền đạt nội dung phương cách tính toán và xử lý cho một bài toán từ người thiết kế đến người lập trình một cách chính-xác. Dễ nhất là sử dụng hệ thống các ký hiệu hình thức hóa, tuy nhiên với những thuật toán lớn và để gần gũi với ngôn ngữ tự nhiên của con người, chúng ta thường sử dụng ngôn ngữ giả lập trình với mô tả từng bước. Như vậy, chúng ta có hai cách để biểu diễn thuật toán: - Cách thứ nhất là nêu trình tự các bước từ bước 1 đến bước cuối cùng, ở mỗi bước sử dụng ngôn ngữ giả lập trình cùng với ngôn ngữ tự nhiên để trình bày thao tác cần tính toán hoặc xử lý. Các mô tả này phải chính xác, rõ ràng, đom nghĩa và dễ hiểu.
Cấu trúc mô tả một thuật toán theo cách này thường gồm các 3hần như sau: A lgorithm : tên_thuật_toán Input: các_tham_số_đầu_vào O utput: các_kết_quả_tính_toán_đầu_ra Actions: B 1) Mô _tả_thao_tác_xử_lý_cho_bước_ 1 B2) Mô_tả_thao_tác_xử_lý_cho_bước_2 Bn) M ô_tả_thao_tác_xử_lý_cho_bước_« E nd. (kết thúc thuật toán) Trong đó, chúng ta có thể dịch chuyển từ bước sau lên bước trước để cho lặp lại việc thực hiện một số thao tác nào đó. Tuy nhiên điều này cần được thiết kế chặt chẽ để tránh việc lặp lại vô tận, tức không có điểm dừng cho thuật toán. KỸ THUẬT LẬP TRỈNH c ơ s ở VỚI NGÔN NGỮ C/C++ 11 Chúng ta xem ví dụ sau về tìm số lớn nhất trong ba số nguyên để nắm rõ hơn về phương pháp trình bày : A lgorithm : TM3S In p u t: a, b, c (là 3 số nguyên) O u tp u t: m (là số lớn nhất) Actions: B l) Nếu a>b thì đặt m = a; Ngược lại, đặt m = b; B2) Nếu m<c thì đặt m = c; B3) Kết quả là m; E nd.