Thực hành, thảo luận và tổng quan về lập trình

Khái niệm ngôn ngữ lập trình

Ngôn ngữ lập trình là một ngôn ngữ dùng để viết chương trình cho máy tính. Ta có thể chia ngôn ngữ lập trình thành các loại sau: ngôn ngữ máy, hợp ngữ và ngôn ngữ cấp cao.

Ngôn ngữ máy (machine language): Là các chỉ thị dưới dạng nhị phân, can thiệp trực tiếp vào trong các mạch điện tử. Chương trình được viết bằng ngôn ngữ máy thì có thể được thực hiện ngay không cần qua bước trung gian nào. Tuy nhiên chương trình viết bằng ngôn ngữ máy dễ sai sót, cồng kềnh và khó đọc, khó hiểu vì toàn những con số 0 và 1.

Hợp ngữ (assembly language): Bao gồm tên các câu lệnh và quy tắc viết các câu lệnh đó. Tên các câu lệnh bao gồm hai phần: phần mã lệnh (viết tựa tiếng Anh) chỉ phép toán cần thực hiện và địa chỉ chứa toán hạng của phép toán đó. Ví dụ:

INPUT a ; Nhập giá trị cho a từ bàn phím

LOAD a ; Đọc giá trị a vào thanh ghi tổng A

PRINT a; Hiển thị giá trị của a ra màn hình.

INPUT b

ADD b; Cộng giá trị của thanh ghi tổng A với giá trị b

Trong các lệnh trên thì INPUT, LOAD, PRINT, ADD là các mã lệnh còn a, b là địa chỉ. Để máy thực hiện được một chương trình viết bằng hợp ngữ thì chương trình đó phải được dịch sang ngôn ngữ máy. Công cụ thực hiện việc dịch đó được gọi là Assembler.

Ngôn ngữ cấp cao (High level language): Ra đời và phát triển nhằm phản ánh cách thức người lập trình nghĩ và làm. Rất gần với ngôn ngữ con người (Anh ngữ) nhưng chính xác như ngôn ngữ toán học. Cùng với sự phát triển của các thế hệ máy tính, ngôn ngữ lập trình cấp cao cũng được phát triển rất đa dạng và phong phú, việc lập trình cho máy tính vì thế mà cũng có nhiều khuynh hướng khác nhau: lập trình cấu trúc, lập trình hướng đối tượng, lập trình logic, lập trình hàm... Một chương trình viết bằng ngôn ngữ cấp cao được gọi là chương trình nguồn (source programs). Để máy tính "hiểu" và thực hiện được các lệnh trong chương trình nguồn thì phải có một chương trình dịch để dịch chuơng trình nguồn (viết bằng ngôn ngữ cấp cao) thành dạng chương trình có khả năng thực thi.

Chương trình dịch

Như trên đã trình bày, muốn chuyển từ chương trình nguồn sang chương trình đích phải có chương trình dịch. Thông thường mỗi một ngôn ngữ cấp cao đều có một chương trình dịch riêng nhưng chung quy lại thì có hai cách dịch: thông dịch và biên dịch.

Thông dịch (interpreter): Là cách dịch từng lệnh một, dịch tới đâu thực hiện tới đó. Chẳng hạn ngôn ngữ LISP sử dụng trình thông dịch.

Biên dịch (compiler): Dịch toàn bộ chương trình nguồn thành chương trình đích rồi sau đó mới thực hiện. Các ngôn ngữ sử dụng trình biên dịch như Pascal, C...

Giữa thông dịch và biên dịch có khác nhau ở chỗ: Do thông dịch là vừa dịch vừa thực thi chương trình còn biên dịch là dịch xong toàn bộ chương trình rồi mới thực thi nên chương trình viết bằng ngôn ngữ biên dịch thực hiện nhanh hơn chương trình viết bằng ngôn ngữ thông dịch.

Một số ngôn ngữ sử dụng kết hợp giữa thông dịch và biên dịch chẳng hạn như Java. Chương trình nguồn của Java được biên dịch tạo thành một chương trình đối tượng (một dạng mã trung gian) và khi thực hiện thì từng lệnh trong chương trình đối tượng được thông dịch thành mã máy.

Lập trình tuyến tính

Máy tính đầu tiên được lập trình bằng mã nhị phân, sử dụng các công tắt cơ khí để nạp chương trình. Cùng với sự xuất hiện của các thiết bị lưu trữ lớn và bộ nhớ máy tính có dung lượng lớn nên các ngôn ngữ lập trình cấp cao đầu tiên được đưa vào sử dụng . Thay vì phải suy nghĩ trên một dãy các bit và byte, lập trình viên có thể viết một loạt lệnh gần với tiếng Anh và sau đó chương trình dịch thành ngôn ngữ máy.

Các ngôn ngữ lập trình cấp cao đầu tiên được thiết kế để lập các chương trình làm các công việc tương đối đơn giản như tính toán. Các chương trình ban đầu chủ yếu liên quan đến tính toán và không đòi hỏi gì nhiều ở ngôn ngữ lập trình. Hơn nữa phần lớn các chương trình này tương đối ngắn, thường ít hơn 100 dòng.

Khi khả năng của máy tính tăng lên thì khả năng để triển khai các chương trình phức tạp hơn cũng tăng lên. Các ngôn ngữ lập trình ngày trước không còn thích hợp đối với việc lập trình đòi hỏi cao hơn. Các phương tiện cần thiết để sử dụng lại các phần mã chương trình đã viết hầu như không có trong ngôn ngữ lập trình tuyến tính. Thật ra, một đoạn lệnh thường phải được chép lặp lại mỗi khi chúng ta dùng trong nhiều chương trình do đó chương trình dài dòng, logic của chương trình khó hiểu. Chương trình được điều khiển để nhảy đến nhiều chỗ mà thường không có sự giải thích rõ ràng, làm thế nào để chương trình đến chỗ cần thiết hoặc tại sao như vậy.

Ngôn ngữ lập trình tuyến tính không có khả năng kiểm soát phạm vi nhìn thấy của các dữ liệu. Mọi dữ liệu trong chương trình đều là dữ liệu toàn cục nghĩa là chúng có thể bị sửa đổi ở bất kỳ phần nào của chương trình. Việc dò tìm các thay đổi không mong muốn đó của các phần tử dữ liệu trong một dãy mã lệnh dài và vòng vèo đã từng làm cho các lập trình viên rất mất thời gian.

Lập trình cấu trúc

Rõ ràng là các ngôn ngữ mới với các tính năng mới cần phải được phát triển để có thể tạo ra các ứng dụng tinh vi hơn. Vào cuối các năm trong 1960 và 1970, ngôn ngữ lập trình có cấu trúc ra đời. Các chương trình có cấu trúc được tổ chức theo các công việc mà chúng thực hiện.

Về bản chất, chương trình chia nhỏ thành các chương trình con riêng rẽ (còn gọi là hàm hay thủ tục) thực hiện các công việc rời rạc trong quá trình lớn hơn, phức tạp hơn. Các hàm này được giữ càng độc lập với nhau càng nhiều càng tốt, mỗi hàm có dữ liệu và logic riêng.Thông tin được chuyển giao giữa các hàm thông qua các tham số, các hàm có thể có các biến cục bộ mà không một ai nằm bên ngoài phạm vi của hàm lại có thể truy xuất được chúng. Như vậy, các hàm có thể được xem là các chương trình con được đặt chung với nhau để xây dựng nên một ứng dụng.

Mục tiêu là làm sao cho việc triển khai các phần mềm dễ dàng hơn đối với các lập trình viên mà vẫn cải thiện được tính tin cậy và dễ bảo quản chương trình. Một chương trình có cấu trúc được hình thành bằng cách bẻ gãy các chức năng cơ bản của chương trình thành các mảnh nhỏ mà sau đó trở thành các hàm. Bằng cách cô lập các công việc vào trong các hàm, chương trình có cấu trúc có thể làm giảm khả năng của một hàm này ảnh hưởng đến một hàm khác. Việc này cũng làm cho việc tách các vấn đề trở nên dễ dàng hơn. Sự gói gọn này cho phép chúng ta có thể viết các chương trình sáng sủa hơn và giữ được điều khiển trên từng hàm. Các biến toàn cục không còn nữa và được thay thế bằng các tham số và biến cục bộ có phạm vi nhỏ hơn và dễ kiểm soát hơn. Cách tổ chức tốt hơn này nói lên rằng chúng ta có khả năng quản lý logic của cấu trúc chương trình, làm cho việc triển khai và bảo dưỡng chương trình nhanh hơn và hữu hiện hơn và hiệu quả hơn.

Một khái niệm lớn đã được đưa ra trong lập trình có cấu trúc là sự trừu tượng hóa (Abstraction). Sự trừu tượng hóa có thể xem như khả năng quan sát một sự việc mà không cần xem xét đến các chi tiết bên trong của nó. Trong một chương trình có cấu trúc, chúng ta chỉ cần biết một hàm đã cho có thể làm được một công việc cụ thể gì là đủ. Còn làm thế nào mà công việc đó lại thực hiện được là không quan trọng, chừng nào hàm còn tin cậy được thì còn có thể dùng nó mà không cần phải biết nó thực hiện đúng đắn chức năng của mình như thế nào. Điều này gọi là sự trừu tượng hóa theo chức năng (Functional abstraction) và là nền tảng của lập trình có cấu trúc.

Ngày nay, các kỹ thuật thiết kế và lập trình có cấu trúc được sử rộng rãi. Gần như mọi ngôn ngữ lập trình đều có các phương tiện cần thiết để cho phép lập trình có cấu trúc. Chương trình có cấu trúc dễ viết, dễ bảo dưỡng hơn các chương trình không cấu trúc.

Sự nâng cấp như vậy cho các kiểu dữ liệu trong các ứng dụng mà các lập trình viên đang viết cũng đang tiếp tục diễn ra. Khi độ phức tạp của một chương trình tăng lên, sự phụ thuộc của nó vào các kiểu dữ liệu cơ bản mà nó xử lý cũng tăng theo. Vấn đề trở rõ ràng là cấu trúc dữ liệu trong chương trình quan trọng chẳng kém gì các phép toán thực hiện trên chúng. Điều này càng trở rõ ràng hơn khi kích thước của chương trình càng tăng. Các kiểu dữ liệu được xử lý trong nhiều hàm khác nhau bên trong một chương trình có cấu trúc. Khi có sự thay đổi trong các dữ liệu này thì cũng cần phải thực hiện cả các thay đổi ở mọi nơi có các thao tác tác động trên chúng. Đây có thể là một công việc tốn thời gian và kém hiệu quả đối với các chương trình có hàng ngàn dòng lệnh và hàng trăm hàm trở lên.

Một yếu điểm nữa của việc lập trình có cấu trúc là khi có nhiều lập trình viên làm việc theo nhóm cùng một ứng dụng nào đó. Trong một chương trình có cấu trúc, các lập trình viên được phân công viết một tập hợp các hàm và các kiểu dữ liệu. Vì có nhiều lập trình viên khác nhau quản lý các hàm riêng, có liên quan đến các kiểu dữ liệu dùng chung nên các thay đổi mà lập trình viên tạo ra trên một phần tử dữ liệu sẽ làm ảnh hưởng đến công việc của tất cả các người còn lại trong nhóm. Mặc dù trong bối cảnh làm việc theo nhóm, việc viết các chương trình có cấu trúc thì dễ dàng hơn nhưng sai sót trong việc trao đổi thông tin giữa các thành viên trong nhóm có thể dẫn tới hậu quả là mất rất nhiều thời gian để sửa chữa chương trình.

Sự trừu tượng hóa dữ liệu

Sự trừu tượng hóa dữ liệu (Data abstraction) tác động trên các dữ liệu cũng tương tự như sự trừu tượng hóa theo chức năng. Khi có trừu tượng hóa dữ liệu, các cấu trúc dữ liệu và các phần tử có thể được sử dụng mà không cần bận tâm đến các chi tiết cụ thể. Chẳng hạn như các số dấu chấm động đã được trừu tượng hóa trong tất cả các ngôn ngữ lập trình, Chúng ta không cần quan tâm cách biểu diễn nhị phân chính xác nào cho số dấu chấm động khi gán một giá trị, cũng không cần biết tính bất thường của phép nhân nhị phân khi nhân các giá trị dấu chấm động. Điều quan trọng là các số dấu chấm động hoạt động đúng đắn và hiểu được.

Sự trừu tượng hóa dữ liệu giúp chúng ta không phải bận tâm về các chi tiết không cần thiết. Nếu lập trình viên phải hiểu biết về tất cả các khía cạnh của vấn đề, ở mọi lúc và về tất cả các hàm của chương trình thì chỉ ít hàm mới được viết ra, may mắn thay trừu tượng hóa theo dữ liệu đã tồn tại sẵn trong mọi ngôn ngữ lập trình đối với các dữ liệu phức tạp như số dấu chấm động. Tuy nhiên chỉ mới gần đây, người ta mới phát triển các ngôn ngữ cho phép chúng ta định nghĩa các kiểu dữ liệu trừu tượng riêng.

Lập trình hướng đối tượng

Khái niệm hướng đối tượng được xây dựng trên nền tảng của khái niệm lập trình có cấu trúc và sự trừu tượng hóa dữ liệu. Sự thay đổi căn bản ở chỗ, một chương trình hướng đối tượng được thiết kế xoay quanh dữ liệu mà chúng ta có thể làm việc trên đó, hơn là theo bản thân chức năng của chương trình. Điều này hoàn toàn tự nhiên một khi chúng ta hiểu rằng mục tiêu của chương trình là xử lý dữ liệu. Suy cho cùng, công việc mà máy tính thực hiện vẫn thường được gọi là xử lý dữ liệu. Dữ liệu và thao tác liên kết với nhau ở một mức cơ bản (còn có thể gọi là mức thấp), mỗi thứ đều đòi hỏi ở thứ kia có mục tiêu cụ thể, các chương trình hướng đối tượng làm tường minh mối quan hệ này.

Lập trình hướng đối tượng (Object Oriented Programming - gọi tắt là OOP) hay chi tiết hơn là Lập trình định hướng đối tượng, chính là phương pháp lập trình lấy đối tượng làm nền tảng để xây dựng thuật giải, xây dựng chương trình. Thực chất đây không phải là một phương pháp mới mà là một cách nhìn mới trong việc lập trình. Để phân biệt, với phương pháp lập trình theo kiểu cấu trúc mà chúng ta quen thuộc trước đây, hay còn gọi là phương pháp lập trình hướng thủ tục (Procedure-Oriented Programming), người lập trình phân tích một nhiệm vụ lớn thành nhiều công việc nhỏ hơn, sau đó dần dần chi tiết, cụ thể hoá để được các vấn đề đơn giản, để tìm ra cách giải quyết vấn đề dưới dạng những thuật giải cụ thể rõ ràng qua đó dễ dàng minh hoạ bằng ngôn ngữ giải thuật (hay còn gọi các thuật giải này là các chương trình con). Cách thức phân tích và thiết kế như vậy chúng ta gọi là nguyên lý lập trình từ trên xuống (top-down), để thể hiện quá trình suy diễn từ cái chung cho đến cái cụ thể.

Các chương trình con là những chức năng độc lập, sự ghép nối chúng lại với nhau cho chúng ta một hệ thống chương trình để giải quyết vấn đề đặt ra. Chính vì vậy, cách thức phân tích một hệ thống lấy chương trình con làm nền tảng, chương trình con đóng vai trò trung tâm của việc lập trình, được hiểu như phương pháp lập trình hướg về thủ tục. Tuy nhiên, khi phân tích để thiết kế một hệ thống không nhất thiết phải luôn luôn suy nghĩ theo hướng “làm thế nào để giải quyết công việc”, chúng ta có thể định hướng tư duy theo phong cách “với một số đối tượng đã có, phải làm gì để giải quyết được công việc đặt ra” hoặc phong phú hơn, “làm cái gì với một số đối tượng đã có đó”, từ đó cũng có thể giải quyết được những công việc cụ thể. Với phương pháp phân tích trong đó đối tượng đóng vai trò trùng tâm của việc lập trình như vậy, người ta gọi là nguyên lý lập trình từ dưới lên (Bôttm-up).

Lập trình hướng đối tượng liên kết cấu trúc dữ liệu với các thao tác, theo cách mà tất cả thường nghĩ về thế giới quanh mình. Chúng ta thường gắn một số các hoạt động cụ thể với một loại hoạt động nào đó và đặt các giả thiết của mình trên các quan hệ đó.

Ví dụ1.1: Để dễ hình dùng hơn, chúng ta thủ nhìn qua các công trình xây dựng hiện đại, như sân vận động có mái che hình vòng cung, những kiến trúc thẩm mĩ với đường nét hình cong. Tất cả những sản phẩm đó xuất hiện cùng với những vật liệu xây dựng. Ngày nay, không chỉ chồng lên nhau những viên gạch, những tảng đá để tạo nên những quần thể kiến trúc (như Tháp Chàm Nha Trang, Kim Tự Tháp,...), mà có thể với bêtông, sắt thép và không nhiều lắm những viên gạch, người xây dựng cũng có thể thiết kế những công trình kiến trúc tuyệt mỹ, những toà nhà hiện đại. Chính các chất liệu xây dựng đã làm ảnh hưởng phương pháp xây dựng, chất liệu xây dựng và nguyên lý kết dính caá chất liệu đó lại với nhau cho chúng ta một đối tượng để khảo sát, Chất liệu xây dựng và nguyên lý kết dính các chất liệu lại với nhau được hiểu theo nghĩa dữ liệu và chương trình con tác động trên dữ liệu đó.

Ví dụ1.2: Chúng ta biết rằng một chiếc xe có các bánh xe, di chuyển được và có thể đổi hướng của nó bằng cách quẹo tay lái. Tương tự như thế, một cái cây là một loại thực vật có thân gỗ và lá. Một chiếc xe không phải là một cái cây, mà cái cây không phải là một chiếc xe, chúng ta có thể giả thiết rằng cái mà chúng ta có thể làm được với một chiếc xe thì không thể làm được với một cái cây. Chẳng hạn, thật là vô nghĩa khi muốn lái một cái cây, còn chiếc xe thì lại chẳng lớn thêm được khi chúng ta tưới nước cho nó.

Lập trình hướng đối tượng cho phép chúng ta sử dụng các quá trình suy nghĩ như vậy với các khái niệm trừu tượng được sử dụng trong các chương trình máy tính. Một mẫu tin (record) nhân sự có thể được đọc ra, thay đổi và lưu trữ lại; còn số phức thì có thể được dùng trong các tính toán. Tuy vậy không thể nào lại viết một số phức vào tập tin làm mẫu tin nhân sự và ngược lại hai mẫu tin nhân sự lại không thể cộng với nhau được. Một chương trình hướng đối tượng sẽ xác định đặc điểm và hành vi cụ thể của các kiểu dữ liệu, điều đó cho phép chúng ta biết một cách chính xác rằng chúng ta có thể có được những gì ở các kiểu dữ liệu khác nhau.

Chúng ta còn có thể tạo ra các quan hệ giữa các kiểu dữ liệu tương tự nhưng khác nhau trong một chương trình hướng đối tượng. Người ta thường tự nhiên phân loại ra mọi thứ, thường đặt mối liên hệ giữa các khái niệm mới với các khái niệm đã có, và thường có thể thực hiện suy diễn giữa chúng trên các quan hệ đó. Hãy quan niệm thế giới theo kiểu cấu trúc cây, với các mức xây dựng chi tiết hơn kế tiếp nhau cho các thế hệ sau so với các thế hệ trước. Đây là phương pháp hiệu quả để tổ chức thế giới quanh chúng ta. Các chương trình hướng đối tượng cũng làm việc theo một phương thức tương tự, trong đó chúng cho phép xây dựng các các cơ cấu dữ liệu và thao tác mới dựa trên các cơ cấu có sẵn, mang theo các tính năng của các cơ cấu nền mà chúng dựa trên đó, trong khi vẫn thêm vào các tính năng mới.

Lập trình hướng đối tượng cho phép chúng ta tổ chức dữ liệu trong chương trình theo một cách tương tự như các nhà sinh học tổ chức các loại thực vật khác nhau. Theo cách nói lập trình đối tượng, xe hơi, cây cối, các số phức, các quyển sách đều được gọi là các lớp (Class).

Một lớp là một bản mẫu mô tả các thông tin cấu trúc dữ liệu, lẫn các thao tác hợp lệ của các phần tử dữ liệu. Khi một phần tử dữ liệu được khai báo là phần tử của một lớp thì nó được gọi là một đối tượng (Object). Các hàm được định nghĩa hợp lệ trong một lớp được gọi là các phương thức (Method) và chúng là các hàm duy nhất có thể xử lý dữ liệu của các đối tượng của lớp đó. Một thực thể (Instance) là một vật thể có thực bên trong bộ nhớ, thực chất đó là một đối tượng (nghĩa là một đối tượng được cấp phát vùng nhớ).

Mỗi một đối tượng có riêng cho mình một bản sao các phần tử dữ liệu của lớp còn gọi là các biến thực thể (Instance variable). Các phương thức định nghĩa trong một lớp có thể được gọi bởi các đối tượng của lớp đó. Điều này được gọi là gửi một thông điệp (Message) cho đối tượng. Các thông điệp này phụ thuộc vào đối tượng, chỉ đối tượng nào nhận thông điệp mới phải làm việc theo thông điệp đó. Các đối tượng đều độc lập với nhau vì vậy các thay đổi trên các biến thể hiện của đối tượng này không ảnh hưởng gì trên các biến thể hiện của các đối tượng khác và việc gửi thông điệp cho một đối tượng này không ảnh hưởng gì đến các đối tượng khác.

Như vậy, đối tợng được hiểu theo nghĩa là một thực thể mà trong đó caá dữ liệu và thủ tục tác động lên dữ liệu đã được đóng gói lại với nhau. Hay “đối tượng được đặc trưng bởi một số thao tác (operation) và các thông tin (information) ghi nhơ sự tác động của caá thao tác này.”

Ví dụ 1.3: Khi nghiên cứ về ngăn xếp (stack), ngoài các dữ liệu vùng chứa ngăn xếp, đỉnh của ngăn xếp, chúng ta phải cài đặt kèm theo các thao tác như khởi tạo (creat) ngăn xếp, kiểm tra ngăn xếp rỗng (empty), đẩy (push) một phần tử vào ngăn xếp, lấy (pop) một phần tử ra khỏi ngăn xếp. Trên quan điểm lấy đối tượng làm nền tảng, rõ ràng dữ liệu và các thao tác trên dữ liệu luôn gắn bó với nhau, sự kết dính chúng chính là đối tượng chúng ta cần khảo sát.

Các thao tác trong đối tượng được gọi là các phương thức hay hành vi của đối tượng đó. Phương thức và dữ liệu của đối tượng luôn tác động lẫn nhau và có vai trò ngang nhau trong đối tượng, Phương thức của đối tượng được qui định bởi dữ liệu và ngược lại, dữ liệu của đối tượng được đặt trưng bởi các phương thức của đối tượng. Chính nhờ sự gắn bó đó, chúng ta có thể gởi cùng một thông điệp đến những đối tượng khác nhau. Điều này giúp người lập trình không phải xử lý trong chương trình của mình một dãy các cấu trúc điều khiển tuỳ theo thông điệp nhận vào, mà chương trình được xử lý vào thời điểm thực hiện.

Tóm lại, so sánh lập trình cấu trúc với chương trình con làm nền tảng:

Chương trình = Cấu trúc dữ liệu + Thuật giải

Trong lập trình hướng đối tượng chúng ta có:

Đối tượng = Phương thức + Dữ liệu

Đây chính là 2 quan điểm lập trình đang tồn tại và phát triển trong thế giới ngày nay.