Thuật toán là gì? Tính chất thuật toán mà lập trình viên cần biết

Trong cuộc sống cũng như trong lĩnh vực tin học, luôn có những vấn đề hay bài toán mà chúng ta cần sự giải đáp. Có thể cho rằng, thuật toán chính là chìa khóa để giải quyết những bài toán đó. Bài viết này sẽ giúp chúng ta hiểu rõ thuật toán là gì và các vấn đề liên quan mà lập trình viên cần biết. Đừng bỏ qua phần nào sau đây nhé!

I. Thuật toán – Algorithm là gì?

1. Thuật toán là gì?

Thuật toán là một phương thức gồm tập hợp các câu lệnh hay các bước được thực hiện theo một thứ tự nhất định nhằm giải quyết một vấn đề logic nào đó. Từ thuật toán còn được gọi là Algorithm, nó được đặt theo tên của một nhà toán học người Trung Á là al’Khwarizmi. Ông là tác giả của một cuốn sách về số học, trong đó ông đã dùng phương pháp mô tả rất rõ ràng và mạch lạc cách giải những bài toán. Sau này, phương pháp này đã được xem là một chuẩn mực và được nhiều nhà toán học khác áp dụng theo. 

2. Thuật toán máy tính là gì?

Trong toán học và khoa học máy tính, thuật toán máy tính, hay còn gọi là giải thuật, là một tập hợp các hướng dẫn được xác định rõ ràng, có thể thực hiện được bằng máy tính, nhằm giải quyết một lớp vấn đề hoặc để thực hiện một phép tính. Các thiết bị máy tính sử dụng thuật toán để thực hiện các chức năng của nó một cách rõ ràng như thực hiện các phép tính, suy luận tự động, xử lý dữ liệu (database), và các tác vụ khác.

Tìm việc làm, tuyển dụng software developer có thể bạn quan tâm:

– Software Developer (ASP.Net MVC / DotNet / Java)

– Software Developer (ReactJs/ React Native)

– Tuyển dụng lập trình viên

3. Mối liên hệ giữa thuật toán và cấu trúc dữ liệu

Thuật toán là một tập hợp các bước để giải quyết một vấn đề cụ thể. Còn cấu trúc dữ liệu là một vị trí được đặt tên và có thể được sử dụng để lưu trữ, tổ chức dữ liệu. Thuật toán và cấu trúc dữ liệu cho phép chúng ta viết các chương trình rên laptop một cách hiệu quả và tối ưu. Hai thành phần này hỗ trợ nhau, các thuật toán sẽ cần cấu trúc dữ liệu bên trong để làm cho chúng hoạt động theo đúng kỳ vọng. Ví dụ, nếu chúng ta cần sắp xếp một danh sách thì có thể sử dụng cấu trúc dữ liệu mảng để lưu trữ và dùng thuật toán để sắp xếp các phần tử trong danh sách đó theo mong muốn.

II. Tại sao cần dùng thuật toán?

Tối ưu hóa việc tìm kiếm: thuật toán chính là chỉ dẫn để tìm thấy kết quả cho vấn đề một cách tối ưu nhất. Các lập trình viên sử dụng thuật toán để tìm ra con đường ngắn nhất để giải quyết vấn đề. Chẳng hạn, Google Map, Grab, Uber sử dụng thuật toán để tính toán quãng đường ngắn nhất, thuận tiện nhất khi hướng dẫn, hỗ trợ khách hàng di chuyển. Một ví dụ khách là Google, bạn có thể tìm bất cứ thông tin gì tại đây. Vì Google luôn cập nhật và nâng cấp thuật toán để cung cấp thông tin cho người dùng về mọi lĩnh vực, với tốc độ trả kết quả cực kỳ nhanh, chỉ trong 1 giây có thể hiển thị lên đến vài ngàn kết quả. 

Khả năng bảo mật tốt: thuật toán đều được mã hóa thành các chuỗi ký tự. Khi truyền tải và nhận dữ liệu đều cần mã hóa. Vì thế, có thể giảm sự xâm nhập từ các hacker. Điều này thể hiện khả năng bảo mật tốt của thuật toán. 

III. Các đặc trưng của thuật toán

1. Tính xác định

Tính “không mập mờ” và “có thể thực thi được” được gọi chung là tính xác định. Trong kỹ thuật phần mềm, thuật toán phải là một dãy hữu hạn các bước rõ ràng, không mập mờ và có thể thực thi được, theo đúng trình tự để ra được kết quả như ta mong muốn. Vì vậy, bất kỳ thuật toán nào cũng phải có những bước được xác định, theo một trình tự nhất định, được thiết lập ngay từ ban đầu.

2. Tính hữu hạn

Số bước hữu hạn của thuật toán và tính chất dừng của nó được gọi chung là tính hữu hạn. Số bước hữu hạn của thuật toán là một tính chất khá hiển nhiên. Tính “dừng” hay hữu hạn là tính chất rất dễ bị vi phạm vì sai sót khi trình bày thuật toán. Mọi thuật toán đều nhằm thực hiện một công việc nhất định và cho ra kết quả khi thực hiện xong. Nếu thuật toán không thỏa được tính hữu hạn thì ta nói rằng thuật toán bị lặp vô tận hoặc bị quẩn, không cho ra được kết quả cuối cùng.

3. Tính đúng

Khi giải một bài toán, tất nhiên chúng ta đều mong muốn đạt được kết quả đúng đắn. Và thuật toán được sinh ra chính là để tìm ra được kết quả đúng cho bài toán hay vấn đề cụ thể. Tuy nhiên tính “đúng” dù là một tính chất khá hiển nhiên nhưng cũng khó để đạt tới. Bởi vì trong thực tế, có những vấn đề mà chúng ta cần phải nghiên cứu và thử nghiệm nhiều lần mới tìm ra được thuật toán hoàn hảo nhất để đưa ra đúng kết quả.

4. Tính hiệu quả

Tính hiệu quả của thuật toán là một yếu tố được đánh giá để chọn lựa cách giải quyết cho vấn đề bài toán trên thực tế. Tính hiệu quả của thuật toán được đánh giá dựa trên các tiêu chuẩn như khối lượng tính toán, thời gian và không gian khi thi hành thuật toán. Ngoài ra, một tiêu chuẩn cũng được sử dụng nhiều để đánh giá tính hiệu quả của thuật toán đó là độ phức tạp và logic của thuật toán.

5. Tính tổng quát

Tính tổng quát của thuật toán nói đến việc thuật toán phải áp dụng được cho mọi trường hợp của bài toán chứ không chỉ áp dụng được cho một số trường hợp riêng biệt nào đó. Có thể hiểu rằng thuật toán phải giống như các công thức toán học, có thể áp dụng nhiều. Tuy nhiên trong thực tế, cũng có các thuật toán được xây dựng dành riêng cho một bài toán, một vấn đề. Vì vậy, không phải thuật toán nào cũng cần đảm bảo được tính tổng quát mà phải tùy vào trường hợp sử dụng.

IV. Làm thế nào để viết một thuật toán?

– Phân tích và phác thảo thuật toán: Bước đầu tiên, chúng ta cần phân tích rõ vấn đề, sau đó hình dung được hướng giải quyết và chiến thuật thiết kế thuật toán. Để hoàn thành được này, ta cần đến khá nhiều kiến thức căn bản của môn Cấu trúc dữ liệu và giải thuật, cụ thể, tiêu biểu là 5 chiến thuật thiết kế thuật toán sau: Chia để trị – divide and conquer, Giải thuật tham ăn – Greedy Method

Lập trình quy hoạch động – Dynamic Programming, Back Tracking và Branch and Bound. Trong đó, chiến thuật chia để trị là được sử dụng phổ biến nhất.

– Kiểm tra thuật toán: Sau khi thiết kế xong thuật toán, ta cần kiểm tra tính đúng đắn của nó bằng cách đưa thuật toán vào máy tính. Sau đó, nhập input, tức tài liệu nguồn vào ở định dạng tương thích. Bước kiểm tra này là để đảm bảo thuật toán sẽ hoạt động trơn tru trên mọi ngôn từ lập trình.

– Đánh giá thuật toán: Để biết được thuật toán có hiệu quả hay không thì chúng ta cần phải đánh giá nó. Ta có thể đánh giá hiệu năng thuật toán theo 2 yếu tố là thời hạn thực thi và bộ nhớ sử dụng. Vì trong quá trình chạy thuật toán thì CPU cần tiêu tốn thời gian quyết và xử lý để thực thi những phép toán, còn bộ nhớ sẽ là nơi chứa tài liệu và chương trình thực thi. 

– Test chương trình thuật toán: Việc test chương trình được thực hiện bởi các Tester sẽ chia thành 2 giai đoạn là debugging và profiling. Debugging là quá trình thực thi chương trình dựa trên một tập dữ liệu mẫu để xác định các lỗi xảy ra (loại lỗi, vị trí lỗi,…) và khắc phục chúng. Tuy nhiên giai đoạn này hầu như không bao giờ phát hiện được 100% lỗi. Profiling cũng là quá trình thực thi chương trình trên một tập dữ liệu mẫu nhưng trong giai đoạn này, người ta sẽ đo thời gian cũng như dung lượng bộ nhớ. 

– Hoàn thiện thuật toán và ứng dụng: Sau khi đã hoàn tất các bước trên thì ta sẽ một lần nữa kiểm thử lại, đảm bảo thuật toán không còn lỗi hay sai sót nào. Và cuối cùng là sử dụng thuật toán để giải quyết vấn đề hay bài toán mà bạn hay công ty đang gặp phải. 

V. Phương pháp biểu diễn thuật toán

1. Ngôn ngữ tự nhiên

Dùng ngôn ngữ tự nhiên là phương pháp biểu diễn thuật toán bằng cách mô tả các bước thực thi theo ngôn ngữ thường ngày. Phương pháp này không đòi hỏi người viết và người đọc thuật toán phải nắm các nguyên tắc. Tuy nhiên nó khiến cho việc biểu diễn thuật toán trở nên dài dòng, không trực quan, không thể hiện được cấu trúc thuật toán nên có thể gây khó hiểu hoặc hiểu lầm. Vì không có nguyên tắc nào cho phương pháp này nên nếu sử dụng thì bạn nên phân cấp từng bước theo số thứ tự một cách dễ hiểu nhất.

2. Lưu đồ – sơ đồ khối

Hiện nay, có rất nhiều các phần mềm vẽ lưu đồ nhanh và tốt nên sẽ thuận tiện cho việc biểu diễn thuật toán. Bên cạnh đó, bạn nên áp dụng theo các thao tác sau đây để có một lưu đồ hoàn chỉnh nhất.

– Thao tác chọn lựa (decision): Thao tác chọn lựa được biểu diễn bằng một hình thoi, ở trong chứa biểu thức điều kiện.

– Thao tác xử lý (process): Thao tác xử lý được biểu diễn bằng một hình chữ nhật, ở trong chứa nội dung xử lý.

– Ðường đi (route): Để thể hiện trình tự thực hiện các thao tác, người ta sử dụng đường cung nối các bước kế tiếp nhau. Trên đường cung có mũi tên để chỉ hướng hay thứ tự thực hiện.

– Ðiểm cuối (terminator): Ðifểm cuối là điểm khởi đầu và cũng là điểm kết thúc của thuật toán, nó được biểu diễn bằng hình ovan, bên trong có ghi chữ start/begin/bắt đầu hoặc end/kết thúc. Nếu là điểm khởi đầu thì điểm cuối chỉ có cung đi ra còn là điểm kết thúc thì có cung đi vào. 

– Ðiểm nối (connector): Ðiểm nối dùng để nối các phần khác nhau của một lưu đồ. Bên trong điểm nối, người ta đặt một ký hiệu để biết sự liên hệ giữa các điểm nối đó.

– Ðiểm nối sang trang (off-page connector): Điểm nối sang trang cũng giống như điểm nối nhưng nó được dùng khi lưu đồ quá lớn, phải vẽ trên nhiều trang. Bên trong điểm nối sang trang, người ta cũng đặt một ký hiệu để biết được sự liên hệ giữa điểm nối của các trang.

3. Mã giả

Phương pháp biểu diễn thuật toán thứ ba chính là mã giả. Khi sử dụng phương pháp này để biểu diễn thuật toán, ta cần vay mượn các cú pháp của một ngôn ngữ lập trình nào đó và vẫn sử dụng một phần ngôn ngữ tự nhiên. Tất nhiên, mọi ngôn ngữ lập trình đều có những thao tác cơ bản là xử lý, rẽ nhánh và lặp. Phương pháp dùng mã giả để biểu diễn thuật toán vừa tận dụng được các khái niệm trong các loại ngôn ngữ lập trình, vừa giúp người cài đặt dễ dàng nắm bắt nội dung thuật toán.

VI. Lập trình viên không học thuật toán được không?

Một lập trình viên có cần thiết phải học và biết về thuật toán hay không? Bạn vẫn có thể là một lập trình viên giỏi nếu không biết thuật toán. Tuy nhiên, đây là chìa khóa giúp bạn tiết kiệm được rất nhiều thời gian và công sức. Ví dụ, nếu ai đó đưa cho bạn một dãy các số và yêu cầu bạn phải tìm xem một con số bất kỳ có nằm trong dãy số đó hay không. Nếu bạn không biết thuật toán, bạn phải làm nó theo cách thủ công. Nhưng khi bạn biết thuật toán, dù số lượng có nhiều đến đâu, bạn chỉ cần dùng thuật toán và tìm ra nó một cách dễ dàng.

Hơn nữa, việc giải thuật toán cũng giống như giải quyết các vấn đề. Khi đã thành thạo giải thuật toán, tức là kỹ năng giải quyết vấn đề của bạn đã được rèn luyện và cải thiện rất nhiều. Vì thế, doanh nghiệp luôn ưu tiên tuyển dụng những lập trình viên hiểu biết về thuật toán.

Sau đây là 10 loại thuật toán mà lập trình viên nên biết để ghi điểm với nhà tuyển dụng và tối ưu hóa quy trình làm việc:

Thuật toán Hashing: hashing là thuật toán dùng để phát hiện và xác định dữ liệu phù hợp thông qua khóa, ID. Mục đích của Hashing là tìm ra lỗi, quản lý cache, mã hóa và tra cứu. Cụ thể, hashing được tích hợp sẵn trên key để cho ra giá trị chính xác nhất. Đây cũng là mã định danh duy nhất cho bộ dữ liệu và tính toán để người dùng tạo các giá trị dữ liệu duy nhất.

Thuật toán tìm kiếm: thuật toán tìm kiếm sử dụng các cấu trúc dữ liệu tuyến tính hoặc đồ thị. Nó cho phép các nhà phát triển dễ dàng tìm thấy hiệu quả của việc sắp xếp các tập dữ liệu với các hàm có độ phức tạp thời gian O(log N).

Thuật toán sắp xếp: thuật toán sắp xếp giúp sắp đặt các dữ liệu một cách có tổ chức. Các khối xây dựng cơ bản của thuật toán sắp xếp là các phần dữ liệu được so sánh với nhau để xác định thứ tự tương ứng của chúng. Ngoài ra, còn các thuật toán sắp xếp khác như: sắp xếp đếm, sắp xếp hợp nhất và sắp xếp theo nhóm. 

Thuật toán lập trình động: là thuật toán dùng để giải các bài toán trí tuệ phức tạp thông qua quá trình phân rã bài toán thành các bài toán con nhỏ hơn. Khi vấn đề được giải quyết, việc xây dựng lại một câu hỏi phức tạp đòi hỏi phải ghi nhớ các kết quả nhỏ hơn để trả lời câu hỏi phức tạp ban đầu. Lần sau nếu có vấn đề phát sinh, nó sẽ được giải quyết nhanh hơn nhiều.

Thuật toán Dijkstra: đây là một phương pháp dùng để tìm ra cách di chuyển nhanh nhất giữa 2 vị trí. Nó được áp dụng cho phổ biến các ứng dụng tìm đường, vận chuyển ngày nay hoặc trong trí tuệ nhân tạo, các trò chơi.  

Thuật toán phân tích liên kết: được sử dụng chủ yếu trong lĩnh vực mạng, nhằm tăng khả năng liên kết với nhiều thực thể khác nhau trong cùng một miền.Thuật toán liên kết sử dụng các ma trận phức tạp và biểu diễn đồ họa để liên kết các thành phần tương tự trong cùng một miền. Thuật toán này được các ông lớn như Google, Facebook, Twitter,… sử dụng.

Thuật toán Mô-đun: thuật toán mô-đun giúp các bài toán phức tạp trở nên dễ dàng hơn. Các thông số được thuật toán mô-đun giải quyết là các số nguyên, thông qua phép tính chủ yếu là cộng, trừ, nhân, chia

Thuật toán biến đổi Fourier: thuật toán này tuy đơn giản nhưng có tác dụng rất lớn. Nó được dùng để chuyển đổi tín hiệu từ tên miền thời gian sang miền tần số và được áp dụng cho các mạng kỹ thuật số hiện nay như: wifi, internet, máy tính, điện thoại, vệ tinh, bộ định vị đều sử dụng thuật toán biến đổi Fourier để vận hành. 

Thuật toán các tập không giao nhau: là một cấu trúc trợ giúp thuật toán, được dùng để biểu diễn nhiều tập hợp trong mảng riêng lẻ. Và mỗi mục chính là một phần tử của nhiều tập hợp

Hệ số tích phân: dùng để hướng dẫn từng bước về cách lấy các thừa số nguyên tố của một số tổng hợp. Hệ số tích phân dùng để giải quyết các vấn đề phức tạp trong nền tảng mã hóa yêu cầu bạn phải giải quyết các số nguyên phức hợp lớn.

Xem thêm:

– Cách viết CV xin việc ngành IT, CNTT đơn giản mà chuẩn nhất

– ICT là gì? Ứng dụng trong ngành IT và mọi lĩnh vực đời sống

– Tuyển tập bài test và bộ câu hỏi phỏng vấn IT thường gặp

Hy vọng rằng, qua bài viết này bạn đã có cái nhìn rõ ràng hơn về thuật toán để áp dụng trong công việc của mình. Nếu thấy bài viết này hay và có ích thì đừng quên chia sẻ hoặc bình luận bên dưới nhé!

Nguồn tham khảo: https://vi.wikipedia.org/wiki/Thuật_toán