Điều khiển tuần tự

Mục tiêu

Sau khi học xong chương này, sinh viên cần phải nắm:

• Khái niệm về điều khiển tuần tự.
• Các thứ tự thực hiện chương trình trong biểu thức, trong câu lệnh..
• Khái niệm về ngoại lệ, xử lý ngoại lệ.

Nội dung cốt lõi

• trong biểu thức.
• trong câu lệnh.
• Ngoại lệ và xử lý ngoại lệ.

Kiến thức cơ bản cần thiết

Kiến thức về cấu trúc dữ liệu và kĩ năng lập trình căn bản

Ðặt vấn đề

Xét công thức nghiệm của phương trình bậc hai

Công thức đơn giản này bao gồm ít nhất 15 phép toán khác nhau. Mã hoá trong hợp ngữ hoặc ngôn ngữ máy, có thể đòi hỏi ít nhất 15 lệnh. Hơn thế, người lập trình phải quy định bộ nhớ cho 5 đến 10 kết quả trung gian sẽ phát sinh. Người lập trình cũng sẽ phải quan tâm đến việc tối ưu như các phép toán sẽ được thực hiện theo thứ tự như thế nào để bộ nhớ tạm là nhỏ nhất ...

Trong ngôn ngữ cấp cao như FORTRAN, công thức này được viết như một biểu thức

x = (-b + SQRT(b**2 - 4*a*c))/(2*a)

Biểu thức là một phương tiện tự nhiên và mạnh mẽ cho việc biểu diễn dãy các phép toán, tuy vậy chúng nảy sinh các vấn đề mới chẳng hạn như thứ tự thực hiện các toán tử.

Sự biểu diễn theo cấu trúc cây của biểu thức

Cơ chế điều khiển tuần tự cơ bản trong biểu thức là phép lấy hàm hợp: Một phép toán chính và các toán hạng của nó. Trong đó các toán hạng có thể là các hằng, biến hoặc các phép toán khác mà các toán hạng của chúng lại có thể là các hằng, biến hoặc các phép toán khác... Như vậy có thể xem biểu thức là một cấu trúc cây, trong đó nút gốc của cây biểu diễn cho phép toán chính, các nút giữa gốc và lá biểu diễn cho các phép toán trung gian và các nút lá biểu diễn các biến và các hằng. Ví dụ biểu thức nghiệm phương trình bậc hai được biểu diễn theo cấu trúc cây như sau (dùng M để biểu diễn cho phép toán một ngôi lấy số đối):

Sự biểu diễn cây làm sáng sủa cấu trúc điều khiển của biểu thức. Rõ ràng là các kết quả của biến hoặc phép toán ở cấp thấp trong cây được coi như là toán hạng của phép toán ở cấp cao hơn và do đó chúng phải được thực hiện trước.

Cú pháp của biểu thức

Nếu chúng ta xem biểu thức được biểu diễn bởi cây thì để dùng biểu thức trong chương trình, cây phải được tuyến tính hóa chẳng hạn phải có quy định để viết cây như là một dãy tuyến tính các ký hiệu. Chúng ta hãy xem các ký hiệu phổ biến nhất:

Kí hiệu trung tố (infix)

Ký hiệu trung tố thích hợp với phép toán hai ngôi tức là phép toán có hai toán hạng. Trong ký hiệu trung tố, ký hiệu phép toán được viết giữa hai toán hạng. Vì ký hiệu trung tố dùng cho các phép tính số học cơ bản, phép toán quan hệ và các phép toán logic trong toán hoc thông thường nên nó cũng được chọn để dùng một cách rộng rãi trong ngôn ngữ lập trình cho các phép toán đó và trong một số trường hợp còn được mở rộng cho các phép toán khác. Mặc dù ký hiệu trung tố được dùng một cách phổ biến, nhưng việc dùng nó trong ngôn ngữ lập trình cũng gây ra một số vấn đề nhất định:

1/ Vì ký hiệu trung tố chỉ thích hợp đối với phép toán hai ngôi nên một ngôn ngữ không chỉ dùng ký hiệu trung tố mà còn kết hợp với ký hiệu Prexfix hoặc Postfix. Ðiều này làm cho việc dịch trở nên phức tạp hơn.

2/ Khi có nhiều hơn một toán tử trung tố xuất hiện trong một biểu thức thì có thể xẩy ra tình trạng mập mờ, nghĩa là một biểu thức có thể biểu diễn bằng nhiều cây biểu thức. Ví dụ biểu thức trung tố: A * B + C có thể được biểu diễn thành hai cây như sau:

Dấu ngoặc có thể được dùng để chia các toán tử và toán hạng thành các nhóm, như (A * B) + C hoặc A * (B + C), nhưng trong các biểu thức phức tạp thì các dấu ngoặc lồng nhiều lớp là một trở ngại lớn cho người lập trình. Vì lý do này các ngôn ngữ thường sử dụng quy tắc điều khiển ẩn mà việc dùng dấu ngoặc là không cần thiết. Hai quy tắc ẩn phổ biến là:

a/ Quy tắc ưu tiên trước: Các phép toán xuất hiện trong biểu thức được sắp xếp theo một thứ bậc hoặc một thứ tự ưu tiên trước. Trong một biểu thức có nhiều phép toán, thứ bậc theo quy tắc ẩn là phép toán nào có bậc ưu tiên cao hơn sẽ được thực hiện trước. Ví dụ trong biểu thức A * B + C, phép nhân ưu tiên trước phép cộng nên sẽ được thực hiện trước.

b/ Quy tắc kết hợp: Trong một biểu thức có nhiều phép toán cùng cấp theo thứ tự ưu tiên thì nguyên tắc kết hợp là cần thiết để hoàn thiện việc xác định thứ tự các phép toán. Ví dụ trong biểu thức: A - B - C thì phép toán trừ thứ nhất hay phép trừ thứ hai được thực hiện trước?. Kết hợp trái (thực hiện từ trái qua phải) là nguyên tắc phổ biến nhất cho các phép toán số học, do đó A - B - C được xử lý như (A - B) - C. Tuy nhiên, có một số phép toán lại đòi hỏi sự kết hợp phải, chẳng hạn phép gán trong ngôn ngữ C. Trong ngôn ngữ C ta có thể viết a = b = 10, và thứ tự thực hiện là gán 10 cho b trước, kết quả trả về của phép gán này là 10 sẽ được gán tiếp cho a.

Dịch biểu thức thành biểu diễn cây

Dịch một biểu thức từ sự biểu diễn cú pháp của nó trong văn bản chương trình thành dạng có thể thực hiện là một qúa trình hai giai đoạn. Trước hết biểu thức được dịch thành biểu diễn cây của nó và sau đó cây được dịch thành một dãy các lệnh có thể thực hiện được. Giai đoạn 1 thông thường chỉ liên quan tới sự thành lập cấu trúc điều khiển cây cơ bản của biểu thức, lợi dụng quy tắc ẩn về ưu tiên trước và kết hợp khi biểu thức dùng ký hiệu trung tố. Giai đoạn thứ hai có những quyết định cụ thể liên quan tới thủ tục của sự định giá (evalution) được tạo ra bao gồm cả sự tối ưu hóa quá trình định giá.

Biểu diễn trong thời gian thực hiện của biểu thức

Nhiều sự biểu diễn thời gian thực của biểu thức được dùng trong cài đặt ngôn ngữ. Sau đây là một số sự lựa chọn đươc dùng:

1/ Dãy mã máy. Kỹ thuật phổ biến nhất là dịch các biểu thức thành dạng mã máy. Thứ tự các lệnh phản ánh cấu trúc điều khiển tuần tự của biến thức ban đầu. Biễu diễn mã máy cho phép dùng trình thông dịch của phần cứng nên thực hiện rất nhanh.

2/ Cấu trúc cây. Biểu thức có thể được thực hiện một cách trực tiếp trong biểu diễn cấu trúc cây tự nhiên của chúng, sử dụng trình thông dịch mềm. Ðây là kỹ thuật cơ bản đươc dùng trong LISP nơi mà toàn bộ chương trình được biểu diễn như là một cấu trúc cây trong quá trình thực hiện.

3/ Dạng frefix hoặc Postfix. Biểu thức trong dạng prefix hoặc postfix có thể được thực hiện bằng giải thuật thông dịch mà nó quét biểu thức từ trái qua phải. Biểu diễn postfix có một lợi ích đặc biệt ở đây, là thứ tự của các ký hiệu trong biểu diễn postfix tương ứng với thứ tự trong đó các phép toán khác nhau phải được thực hiện. Biểu diễn prefix là dạng có thể thực hiện của chương trình trong SNOBOL4.

Các chiến lược định gia biểu thức sẽ được trình bày trong lý thuyết chương trình dịch.

Các lệnh cơ bản

Lệnh cơ bản là lệnh mà trong đó không chứa các lệnh khác. Các lệnh cơ bản bao gồm lệnh gán, lời gọi chương trình con, các lệnh nhập, xuất, lệnh nhảy goto. Trong một lệnh cơ bản có thể chứa các biểu thức mà cấu trúc điều khiển đã được trình bày ở phần trên.

Các cấu trúc trong chương trình thường có là: hợp thành, lựa chọn và lặp lại. Các ngôn ngữ khác nhau cài đặt các cấu trúc này một cáh khác nhau.

dùng nhãn lệnh và lệnh GOTO

Cơ chế ban đầu của điều khiển tuần tự trong hầu hết các ngôn ngữ là ghi nhãn lệnh và chuyển điều khiển tới lệnh có nhãn từ chỗ này sang chỗ khác trong chương trình. Việc chuyển điều khiển thường được thực hiện bằng lệnh GOTO. Có hai dạng của lệnh GOTO là:

1/ GOTO không điều kiện. Trong một chuỗi các lệnh, một lệnh GOTO không điều kiện như GOTO NEXT chuyển điều khiển tới lệnh có nhãn là NEXT. Lệnh đứng sau GOTO sẽ không được thực hiện.

2/ GOTO có điều kiện. Trong một chuỗi lệnh, một lệnh GOTO có điều kiện như IF A = 0 then GOTO NEXT chuyển điều khiển tới lệnh có nhãn là NEXT chỉ khi điều kiện sau IF đúng.

Sử dụng hai dạng GOTO này, chúng ta dễ dàng biểu diễn các dạng điều khiển cơ bản như sau

Lệnh GOTO có thuận tiện là dễ dùng, và có hiệu quả trong thực hiện vì nó phản ánh cấu trúc cơ bản của máy tính quy ước (conventional computers), trong đó mỗi một từ lệnh hoặc byte lệnh đều có địa chỉ, và trong phần cứng có các lệnh nhảy được xây dựng để chuyển điều kkhiển đến địa chỉ được chỉ định. Lệnh GOTO biểu thị một cấu trúc điều khiển tự nhiên để người lập trình chuyển ngôn ngữ cấp cao sang hợp ngữ. Hầu hết các ngôn ngữ cũ đều có cả lệnh GOTO cơ bản và nhiều dạng cải tiến đặt nền móng cho việc dùng nhãn như là dữ liệu. Trong các ngôn ngữ mới như Pascal điều khiển tuần tự trên cơ sở lệnh GOTO ít quan trong hơn mặc dù vẫn còn lệnh đó.

Trong một số ngôn ngữ mới, lệnh GOTO đã bị loại bỏ hoàn toàn. Vì sử dụng nhãn và lệnh GOTO thì chương trình trở nên rất khó đọc vì không có cấu trúc tổng thể và thứ tự các lệnh trong văn bản chương trình nguồn không tương ứng với thứ tự các lệnh khi thực hiện.

Các lệnh cấu trúc

Một lệnh có cấu trúc là một lệnh chứa các lệnh khác. Các lệnh thành phần của một lệnh có cấu trúc có thể là một lệnh cơ bản hoặc một lệnh có cấu trúc. Hầu hết ngôn ngữ cung cấp một tập hợp các lệnh có cấu trúc biểu thị các dạng điều khiển cơ bản ( hợp thành, lựa chọn và lặp lại) mà không cần dùng lệnh GOTO.

Một số khái niệm

Trong quá trình thực hiện chương trình thường xẩy ra một số sự kiện đặc biệt hoặc các lỗi như sự tràn số, truy xuất đến chỉ số mảng nằm ngoài tập chỉ số, thực hiện lệnh đọc một phần tử cuối tập tin... Các sự kiện đó được gọi là ngoại lệ (exception). Thay vì tiếp tục thực hiện chương trình bình thường, một chương trình con sẽ được gọi để thực hiện một vài xử lý đặc biệt nào đó gọi là xử lý ngoại lệ. Hành động chú ý đến ngoại lệ, ngắt sự thực hiện chương trình và chuyển điều khiển đến xử lý ngoại lệ được gọi là đề xuất ngoại lệ (raising the exception)

Xử lý ngoại lệ

Thông thường các ngoại lệ đã được định nghĩa trước bởi ngôn ngữ, chẳng hạn như ZERO_DIVIDE chỉ sự kiện chia cho một số không, END_OF_FILE: hết tập tin , OVERFLOW: tràn số, hay tràn stack ... Xử lý ngoại lệ là một hành vi xử lý tương ứng khi một ngoại lệ có thể diễn ra. Ví dụ

void example () {

......

average = sum/total;

...

return ;

when zero_divide {

average = 0;

printf(“ error: cannot compute average, total is zero ”);

}

......

} /** function example **/

Ðề xuất một ngoại lệ

Một ngoại lệ có thể bị đề xuất bằng phép toán nguyên thuỷ được định nghĩa bởi ngôn ngữ chẳng hạn phép cộng, phép nhân có thể đề xuất ngoại lệ OVERFLOW. Ngoài ra, một ngoại lệ có thể bị đề xuất một cách tường minh bởi người lập trình bằng cách dùng một lệnh được cung cấp cho mục đích đó. Chẳng hạn trong Ada: raise BAD_DATA_VALUE;

Lệnh này có thể được thực hiện trong một chương trình con sau khi xác định một biến riêng hoặc tập tin nhập chứa giá trị không đúng.

Lan truyền một ngoại lệ (Propagating an exception)

Thông thường, khi xây dựng chương trình thì vị trí mà một ngoại lệ xuất hiện không phải là vị trí tốt nhất để xử lý nó. Khi một ngoại lệ được xử lý trong một chương trình con khác chứ không phải trong chương trình con mà nó được đề xuất thì ngoại lệ đó được gọi là được truyền (propagated) từ điểm mà tại đó nó được đề xuất đến điểm mà nó được xử lý.

Quy tắc để xác định việc xử lý một ngoại lệ đặc thù thường được gọi là chuỗi động (dynamic chain) của các kích hoạt chương trình con hướng tới chương trình con mà nó đề xuất ngoại lệ. Khi một ngoại lệ P được đề xuất trong chương trình con C, thì P được xử lý bởi một xử lý được định nghĩa trong C nếu có một cái xử lý như thế. Nếu không có thì C kết thúc. Nếu chương trình con B gọi C thì ngoại lệ được truyền đến B và một lần nữa được đề xuất tại điểm trong B nơi mà B gọi C. Nếu B không cung cấp một xử lý cho P thì B bị kết thúc và ngoại lệ lại được truyền tới chương trình gọi B vân vân... Nếu các chương trình con và bản thân chương trình chính không có xử lý cho P thì toàn bộ chương trình kết thúc và xử lý chuẩn được định nghĩa bởi ngôn ngữ sẽ được gọi tới.

Một hiệu quả quan trọng của quy tắc này đối với việc truyền các ngoại lệ là nó cho phép một chương trình con kế thừa (remain) như là một phép toán trừu tượng được định nghĩa bởi người lập trình ngay cả trong việc xử lý ngoại lệ. Một phép toán nguyên thuỷ có thể bất ngờ ngắt quá trình bình thường của nó và đề xuất một ngoại lệ. Tương tự, thông qua việc thực hiện lệnh RAISE, một chương trình con có thể bất ngờ ngắt quá trình bình thường của nó và đề xuất một ngoại lệ. Ðến chương trình gọi thì hiệu quả của đề xuất ngoại lệ của chương trình con cũng giống như hiệu quả đề xuất của phép toán nguyên thủy, nếu chương trình con tự nó không có một xử lý ngoại lệ. Nếu ngoại lệ được xử lý trong chương trình con thì chương trình con trở về một cách bình thường và chương trình gọi nó không bao giờ biết được rằng một ngoại lệ đã được đề xuất.

Sau khi một ngoại lệ được xử lý

Sau khi một xử lý đã hoàn thành việc xử lý một ngoại lệ và xử lý đó đã kết thúc thì có một vấn đề đặt ra là quyền điều khiển được chuyển tới chỗ nào? Ðiều khiển nên được chuyển tới chỗ mà ngoại lệ được đề xuất? Ðiều khiển nên chuyển về lệnh trong chương trình con chứa xử lý nơi mà ngoại lệ được đề xuất sau khi được truyền tới? Chương trình con chứa xử lý tự kết thúc một cách bình thường và nó xuất hiện tại chương trình gọi như là không có gì xẩy ra. Ðây là những lựa chọn khi thiết kế ngôn ngữ.