Thuật toán là gì?
Thuật toán là gì? thuật toán hay còn gọi là giải thuật được hiểu một cách đơn giản là một tập hợp hữu hạn bao gồm các hướng dẫn được xác định rõ ràng, thực hiện được bằng máy tính, thường được dùng để giải quyết một lớp vấn đề hoặc để thực hiện một phép tính nào đó.
Nói một cách dễ hiểu hơn, mỗi bài toán thường sẽ được ví như một chiếc hòm đựng đầy kho báu, và chìa khóa chính là “thuật toán”. Nếu sử dụng không đúng chìa khóa đó thì bạn vẫn có thể mở được hòm kho báu, tuy nhiên sẽ mất khá nhiều thời gian và công sức, hoặc nếu mở được hòm thì kho báu bên trong cũng sẽ có thể bị méo mó, không được toàn vẹn.
Việc sử dụng đúng chìa khóa “thuật toán” sẽ giúp bạn dễ dàng lấy được kho báu nhanh chóng. Dĩ nhiên, mỗi hòm kho báu sẽ luôn cần đến một loại chìa khóa khác nhau, tương tự như thuật toán sẽ luôn có những giải thuật xác định.
Xem thêm:
- Lập trình viên là gì? 10 Bí quyết trở thành lập trình viên giỏi
- Trình hướng đối tượng là gì? 5 ngôn ngữ lập trình phổ biến
- Kỹ sư phần mềm là gì? 8 kỹ năng cần có của kỹ sư phần mềm
- Lập trình nhúng là gì? Mức lương & Kỹ năng quan trọng nhất
- Software engineer là gì? Mức lương hiện nay và yêu cầu công việc
- Lập trình game là gì? Cơ hội việc làm và mức thu nhập 2023
Tại sao cần dùng thuật toán?
Tối ưu hóa việc tìm kiếm
Thuật toán chính là những chỉ dẫn để tìm thấy kết quả cho vấn đề một cách tối ưu nhất. Các lập trình viên thường sử dụng thuật toán để tìm ra con đường ngắn nhất để giải quyết vấn đề.
Ví dụ như: Google Map, Grab, Uber là những ứng dụng thường sử dụng thuật toán để tính toán quãng đường ngắn nhất, thuận tiện nhất khi hướng dẫn và hỗ trợ khách hàng di chuyển.
Một ví dụ dễ hiểu khác chính là Google, bạn có thể tìm bất cứ thông tin gì tại nơi đây. Vì Google luôn cập nhật và nâng cấp thuật toán của mình 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 hàng ngàn kết quả.
Khả năng bảo mật cao
Thuật toán đều sẽ được mã hóa thành các chuỗi ký tự. Vì thế, khi truyền tải và nhận dữ liệu đều cần phải mã hóa. Điều này thể giảm sự xâm nhập từ các hacker và thể hiện khả năng bảo mật tốt của thuật toán.
Các đặc trưng nổi bật của thuật toán
Thuật toán sẽ có những đặc trưng nổi bật nhất định có thể giúp bạn nhận biết rõ hơn. Vậy những đặc trưng của thuật toán là gì? Xem chi tiết sau đây:
Tính xác định
Tính “không mập mờ” và “có thể thực thi được” của thuật toán được gọi chung là tính xác định. Trong kỹ thuật phần mềm, thuật toán phải là một dãy hữu hạn các bước rõ ràng, và có thể thực thi được theo đúng trình tự để đưa ra được kết quả như mong muốn. Vì vậy, bất kỳ thuật toán nào cũng có những bước được xác định theo một trình tự nhất định, và được thiết lập ngay từ ban đầu.
Tính hữu hạn
Số bước hữu hạn của thuật toán và tính chất dừng được gọi chung là “tính hữu hạn”. Số bước hữu hạn của thuật toán chính là một tính chất hiển nhiên. Tính “dừng” hay hữu hạn là tính chất rất dễ bị vi phạm vì sai sót khi trình bày một thuật toán. Mọi thuật toán đều nhằm thực hiện một công việc nhất định và cho ra kết quả khi đã thực hiện xong. Nếu thuật toán không thỏa được tính hữu hạn thì thuật toán sẽ bị lặp vô tận hoặc bị quẩn, không cho ra được kết quả cuối cùng.
Tính đúng
Khi giải một bài toán, 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 đang đặt ra. Tuy nhiên tính “đúng” dù là một tính chất khá hiển nhiên nhưng khó để đạt tới. Bởi vì trong thực tế, có những vấn đề mà chúng ta cần phải nghiên cứu cũng như cần thử nghiệm nhiều lần mới có thể tìm ra được thuật toán hoàn hảo để đưa ra đúng kết quả.
Tính tổng quát
Tính tổng quát của thuật toán chính là đang 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 mà thôi. Có thể hiểu rằng, thuật toán phải giống như công thức toán học, có thể áp dụng nhiều trường hợp. Tuy nhiên, trong thực tế cũng sẽ có các thuật toán được xây dựng dành riêng cho một bài toán hay một vấn đề riêng biệt. Vì vậy, không phải thuật toán nào cũng cần phải đảm bảo được tính tổng quát mà cần phải tùy vào trường hợp sử dụng.
Tính hiệu quả
Tính hiệu quả của thuật toán chính là một yếu tố được đánh giá để chọn lựa cách giải quyết cho vấn đề bài toán dựa 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 để đánh giá tính hiệu quả của thuật toán đó là độ phức tạp và logic của thuật toán.
Quy trình để viết một thuật toán
Dưới đây chính là quy trình để có thể viết một thuật toán mà bạn có thể tham khảo để hiểu chi tiết hơn:
Phân tích, phác thảo thuật toán
Bước đầu tiên, cần phân tích rõ vấn đề sau đó hình dung được hướng giải quyết và chiến thuật thiết kế thuật toán. Để hoàn thành bước này, chúng ta cần đến những kiến thức căn bản của môn “Cấu trúc dữ liệu và giải thuật”, cụ thể là 5 chiến thuật thiết kế thuật toán sau: Chia để trị – divide and conquer, Giải thuật tham ăn – Greedy Method.
Kiểm tra thuật toán
Sau khi thiết kế xong thuật toán, chúng ta ta cần triển khai 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 nhằm giúp 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 chúng ta cần phải đánh giá nó. Ta có thể đánh giá hiệu năng thuật toán với 2 yếu tố là thời hạn thực thi và bộ nhớ sử dụng. Bởi vì trong quá trình chạy thuật toán, 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 các chương trình thực thi.
Test chương trình
Việc test chương trình sẽ được thực hiện bởi các Tester và được chia thành 2 giai đoạn là debugging và profiling. Debugging là quá trình thực thi chương trình dựa trên tập dữ liệu mẫu nhằm để xác định các lỗi xảy ra (loại lỗi, vị trí lỗi,…) và khắc phục chúng. Giai đoạn này hầu như không bao giờ phát hiện được 100% lỗi. Profiling 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 và ứng dụng
Sau khi đã hoàn tất các bước trên thì chúng ta sẽ kiểm tra thử lại một lần nữa, đảm bảo thuật toán không còn lỗi hay sai sót nào. Cuối cùng là sử dụng thuật toán để có thể giải quyết vấn đề hay bài toán đang gặp phải.
Tổng hợp 12 loại thuật toán cơ bản cần biết
Sau đây là tổng hợp các thuật toán cơ bản mà lập trình viên cần biết để hỗ trợ tốt hơn cho công việc của mình:
Thuật toán Hashing
Hashing là thuật toán tham gia vào quá trình phát hiện và xác định dữ liệu thích hợp thông qua key và ID. Vai trò chính của hashing chính là phát hiện lỗi, quản lý bộ nhớ cache, mật mã và tra cứu. Cụ thể, hàm hashing được tích hợp vào khóa và cho ra các giá trị chính xác nhất.
Hàm hashing còn được sử dụng như một định danh duy nhất cho những tập dữ liệu và các phép tính toán cho những người dùng để tạo ra các giá trị dữ liệu không bị trùng lặp. Thường thì hàm hashing được sử dụng trong các bộ định tuyến để lưu trữ địa chỉ IP.
Thuật toán tìm kiếm
Thuật toán tìm kiếm thường được áp dụng cho dãy cấu trúc dữ liệu tuyến tính hay cấu trúc dữ liệu về đồ họa. Đây được gọi là thuật toán tìm kiếm nhị phân nhằm giúp cho các nhà phát triển dễ dàng tìm kiếm sự hiệu quả trên những tập dữ liệu đã được sắp xếp với hàm phức tạp với thời gian của O (log N).
Cơ chế của thuật toán tìm kiếm nhị phân là chia danh sách thành hai nửa cho đến khi thấy được mục đích yêu cầu. Sau đó, dùng nó để gỡ lỗi, đặc biệt là những lỗi có sự liên quan đến git bisection.
Thuật toán sắp xếp
Các nhà phát triển sử dụng thuật toán này để có thể đặt dữ liệu theo cách có tổ chức. Các thành phần cơ bản của thuật toán QuickSort là các phần dữ liệu được dùng để so sánh với nhau nhằm xác định được thứ tự tương ứng của chúng.
Mức độ phức tạp thời gian của O (nlogn) được dùng để thực hiện vào việc so sánh. Tuy nhiên, Radix Sort có kỹ thuật xử lý nhanh hơn QuickSort. Lý do nó được sắp xếp các phần tử trong một mô hình tuyến tính với độ phức tạo thời gian O (n). Các thuật toán sắp xếp khác như: sắp xếp đếm, sắp xếp hợp nhất và sắp xếp nhóm.
Thuật toán lập trình động
thuật toán lập trình động là một hàm được dùng với mục đích giải quyết các vấn đề phức tạp có sự liên quan đến trí tuệ thông qua quá trình tách các vấn đề thành, các bài toán con nhỏ hơn. Sau khi đã giải quyết được các bài toán rồi thì thực hiện xây dựng lại thành một vấn đề phức tạp, đòi hỏi bộ nhớ của các kết quả nhỏ hơn để đưa ra câu trả lời cho các vấn đề phức tạp.
thuật toán trong lập trình thích hợp để ghi nhớ, thông qua đó cho phép lưu trữ các vấn đề đã được giải quyết trước đó. Trường hợp tiếp theo xuất hiện thì vấn đề sẽ được giải quyết nhanh hơn rất nhiều.
Thuật toán Dijkstra
Một vấn đề cực kỳ quan trọng khác mà các nhà phát triển làm việc là tìm đường dẫn. Đồ thị hóa một cách cực kỳ linh hoạt để mô tả tất cả các loại vấn đề liên quan đến mạng lưới các đối tượng riêng biệt.
thuật toán Dijkstra là một cách tìm đường đi nhanh nhất giữa hai nút trong biểu đồ. Đây chính là nền tảng của hầu hết các công việc được thực hiện trong việc tìm kiếm đường đi và được sử dụng trong mọi thứ, từ trí tuệ nhân tạo cho đến thiết kế trò chơi.
Thuật toán phân tích liên kết
thuật toán phân tích liên kết thường được ứng dụng chủ yếu trong lĩnh vực mạng. thuật toán này cung cấp khả năng tương quan trong cùng một tên miền với nhiều thực thể khác nhau.
Phân tích liên kế sử dụng trong những ma trận phức tạp và biểu diễn đồ họa nhằm liên kết các căn cứ tương tự trong cùng một miền hiện tại. Loại thuật toán cơ bản này thường được dùng trong các công cụ như: Google, Facebook, Twitter.
Thuật toán Mô-đun
Các thuật toán mã hóa phức tạp nếu được phân tích dựa trên thuật toán mô-đun sẽ trở nên đơn giản và trở nên dễ dàng hơn rất nhiều. Đối với số học mô-đun, các thông số hiện tại đang xử lý chỉ là số nguyên và các phép toán chủ yếu được dùng chính là cộng, trừ, nhân, chia.
Thuật toán phân tích cú pháp và xâu ký tự
Quy trình tạo xâu luôn đặc biệt và quan trọng đối với miền và phân tử mạng. Để giúp thuật toán xâu ký tự có thể phát huy được hết khả năng thì các xâu phải khớp trong cùng một chuỗi dài hoặc khi xác nhận chuỗi bằng cách phân tích cú pháp qua giới hạn đã được xác định từ trước. thuật toán phân tích cú pháp và xâu ký tự được dùng chủ yếu trong quá trình phát triển web cho URL.
Thuật toán biến đổi Fourier
thuật toán biến đổi Fourier thường được biết đến là một trong những thuật toán đơn giản nhưng lại rất mạnh. Loại thuật toán này được dùng để giúp chuyển đổi tín hiệu từ tên miền thời gian sang miền tần số và ngược lại.
Hiện tại, các mạng kỹ thuật số 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 mã hóa Huffman
thuật toán mã hóa Huffman chính là nền tảng của nén văn bản hiện đại. Nó thường hoạt động bằng cách xem xét tần suất các ký tự khác nhau, xuất hiện trong một văn bản và sắp xếp chúng trong một cây dựa trên tần suất này.
Thuật toán các tập không giao nhau
thuật toán các tập không giao nhau chính là một cấu trúc dữ liệu, nó đóng vai trò như một cấu trúc trợ giúp một thuật toán được dùng để biểu diễn nhiều tập hợp khác nhau trong mảng riêng lẻ. Và mỗi mục chính là một phần tử của nhiều tập hợp. Do đó, các bộ tách rời được đại diện cho những phần tử được kết nối với nhau trong cùng một thuật toán đồ thị hay phân đoạn của hình ảnh.
Hệ số tích phân
thuật toán hệ số tích phân chính là thuật toán cung cấp hướng dẫn từng bước về cách lấy các thừa số nguyên tố của một số tổng hợp. Hệ số tích phân sẽ giúp bạn giải quyết các vấn đề phức tạp trong nền tảng mã hóa yêu cầu, bạn cần phải giải quyết các số nguyên phức hợp lớn.
Trên đây là những chia sẻ về khái niệm thuật toán là gì, tầm quan trọng cũng như các loại thuật toán phổ biến hiện nay. Mong rằng với những chia sẻ trên đây sẽ giúp bạn đọc có thể hiểu rõ hơn về thuật toán và biết cách ứng dụng thuật toán hiệu quả cho công việc lập trình của mình. Cùng theo dõi HR Insider để xem thêm nhiều thông tin hữu ích hơn nhé!
Bài viết dành riêng cho thành viên của HR Insider.
