bài toánthuật toánchương trìnhngôn ngữ máymáy thực hiện

- Bước đầu thuật toán được minh hoạ bằng ngôn ngữ tự nhiên thể hiện các công việc chính cần thực hiện, sau đó dần minh họa chi tiết hơn với các thao tác xử lý, các phép toán được chỉ ra [r]

(1)

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Chương 6

THUẬT TỐN VÀ NGƠN NGỮ LẬP TRÌNH

NỘI DUNG

6.1 Phương pháp giải vấn đề máy tính 6.2 Thuật tốn

6.3 Ngơn ngữ lập trình

2 Chương Thuật tốn Ngơn ngữ lập trình

08/02/2017

Khoa Cơng nghệ thông tin – Học viện Nông nghiệp Việt Nam

Bài giảng Tin học đại cương

6.1 PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ BẰNG MÁY TÍNH

Nhắc lại:

• Một chức máy tính: Xử lý thơng tin nhận theo dãy lệnh nhớ sẵn bên

• Nguyên lý điều khiển chương trình Von Neumann: Máy tính hoạt động theo chương trình lưu trữ sẵn nhớ

 Để giải vấn đề/bài tốn máy tính cần phải xây dựng chương trình máy tính tương ứng

Khoa Công nghệ thông tin – Học viện Nông nghiệp Việt Nam

6.1 PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ BẰNG MÁY TÍNH

• Phương pháp chung để giải vấn đề/bài tốn máy tính:

BÀI TỐN

THUẬT TỐN CHƯƠNG

TRÌNH NGƠN NGỮ

MÁY MÁY THỰC

HIỆN

Tìm cách xử lý liệu đầu vào

Viết chương trình ngơn ngữ lập trình

(2)

6.2 THUẬT TỐN

6.2.1 Khái niệm thuật tốn 6.2.2 Các tính chất thuật toán 6.2.3 Cách diễn đạt thuật toán 6.2.4 Thiết kế thuật toán 6.2.5 Đánh giá thuật toán

08/02/2017

6.2.1 KHÁI NIỆM THUẬT TỐN

• Thuật ngữ algorithm đưa vào khoảng năm 825, xuất phát từ chữ algoritmi – phiên âm La tinh tên nhà tốn học người Trung Á Al-Khwarizmi

• Thuật toán (thuật giải, algorithms): dãy hữu hạn thao tác, phép tốn thực theo trình tự xác định số đối tượng liệu để đạt kết mong muốn

 Thuật toán xây dựng phải bao gồm thao tác xác định rõ ràng, đơn giản thực (phải “giao cho máy làm được”)

 Khi xây dựng thuật tốn cần xác định rõ thuật tốn tác động lên liệu

6 Chương Thuật toán Ngơn ngữ lập trình

08/02/2017

6.2.1 KHÁI NIỆM THUẬT TỐN

• Ví dụ: Bài tốn tìm ước số chung lớn số nguyên dương a b:

Input: a,b (nguyên dương) Output: (a,b)

 Thuật toán Euclid:

- Bước 1: So sánh a b, a = b dừng thuật tốn thơng báo (a,b) = b Nếu a  b chuyển sang bước

- Bước 2: Nếu a > b thay a a-b, a < b thay b b-a Quay lại thực bước

6.2.2 CÁC TÍNH CHẤT CỦA THUẬT TỐN • Đầu vào

• Đầu

• Tính hữu hạn: Thuật tốn phải kết thúc sau số hữu hạn bước thực

• Tính xác định

- Mỗi bước thuật tốn phải xác định xác, thao tác quy định chặt chẽ rõ ràng

 Với liệu đầu vào trả kết

(3)

6.2.3 CÁCH DIỄN ĐẠT THUẬT TỐN cách:

• Cách 1: Liệt kê bước ngôn ngữ tự nhiên: - Sử dụng ngôn ngữ tự nhiên để liệt kê bước thực

hiện thuật toán với quy tắc, thao tác cụ thể - Ví dụ: Thuật tốn Euclid tìm UCLN số ngun

dương a,b (slide 7)

08/02/2017

6.2.3 CÁCH DIỄN ĐẠT THUẬT TỐN • Cách 2: Dùng lưu đồ:

- Sử dụng hình khối (Bắt đầu, Kết thúc, Khối Input, Khối Output, Khối điều kiện, Khối thao tác) cung để thể thao tác trình tự thực thao tác thuật tốn

Chương Thuật tốn Ngơn ngữ lập trình 10 08/02/2017

Khoa Cơng nghệ thơng tin – Học viện Nông nghiệp Việt Nam

Các hình khối để xây dựng lưu đồ

(4)

6.2.3 CÁCH DIỄN ĐẠT THUẬT TỐN • Cách 3: Sử dụng giả mã (giả ngơn ngữ lập trình): - Sử dụng cấu trúc điều khiển ngôn ngữ lập

trình kết hợp linh hoạt với ngơn ngữ tự nhiên ký hiệu toán học đơn giản nhằm diễn tả thuật tốn

- Ví dụ: Giả mã cho thuật tốn Euclid tìm (a,b) viết tựa theo cấu trúc ngơn ngữ lập trình PASCAL:

Nhập a,b While ab

If a>b then thay a a-b else thay b b-a

Thông báo ước chung lớn b

08/02/2017

6.2.3 CÁCH DIỄN ĐẠT THUẬT TỐN

- Ví dụ (tiếp): Đoạn mã tương ứng viết ngôn ngữ Pascal:

Writeln('Nhap so nguyen duong a, b: '); Write('a = '); Readln(a);

Write('b = '); Readln(b); While a<>b

If a>b then a:=a-b else b:=b-a;

Writeln('Uoc chung lon nhat la ',b);

08/02/2017

6.2.4 THIẾT KẾ THUẬT TỐN

• Mơ-đun hóa tốn: Chia nhỏ tốn (mơ-đun chính) thành tốn nhỏ (các mô-đun con)

6.2.4 THIẾT KẾ THUẬT TỐN • Tinh chỉnh bước thuật tốn:

- Bước đầu thuật tốn minh hoạ ngơn ngữ tự nhiên thể cơng việc cần thực hiện, sau dần minh họa chi tiết với thao tác xử lý, phép toán cách cụ thể, đồng thời ngôn ngữ tự nhiên dùng để minh họa thay dần giả ngôn ngữ ngày tiến gần đến ngôn ngữ lập trình

(5)

Ví dụ

• Cho dãy gồm n phần tử thuộc kiểu có thứ tự: a1, a2, …, an Hãy đổi chỗ phần tử dãy cho dãy

sau đổi chỗ có thứ tự tăng dần

08/02/2017

Ví dụ Ý tưởng:

- Chọn phần tử nhỏ dãy nguồn xếp vào vị trí dãy đích

- Chọn phần tử nhỏ dãy nguồn lại (tức phần tử nhỏ thứ hai dãy nguồn ban đầu) xếp vào vị trí thứ hai dãy đích

- …

Lặp lại trình hết dãy nguồn

(Tổng quát: Tại bước thứ i, ta chọn phần tử nhỏ dãy nguồn lại - tức phần tử nhỏ thứ i dãy nguồn ban đầu - xếp vào vị trí thứ i dãy đích)

08/02/2017

Ví dụ

Giả mã dựa theo ngơn ngữ Pascal:

For i:=1 to n Begin

- Chọn phần tử nhỏ ajtrong số phần tử ai, …, an

- Đổi chỗ ajvà aicho

End;

Ví dụ

Các cơng việc khối Begin … End làm rõ sau:

j:=i;

For k:=i+1 to n If ak<ajthen j:=k;

Việc “đổi chỗ ajvà aicho nhau” thực cách sử dụng thêm phần tử trung gian min:

min:=aj;

(6)

Ví dụ

Đoạn mã tương ứng viết ngôn ngữ Pascal: For i:=1 to n-1

Begin j:=i;

For k:=i+1 to n

If a[k]<a[j] then j:=k; If j<>i then

Begin

min:=a[j]; a[j]:=a[i]; a[i]:=min; End;

End;

08/02/2017

Ví dụ

Cho dãy số ban đầu:

3 -2

Dãy sau bước thực thuật toán xếp lựa chọn (i = 4):

i=1: -2 i=2: -2 i=3: -2 i=4: -2

08/02/2017

6.2.5 ĐÁNH GIÁ THUẬT TỐN

• Để đánh giá thuật tốn dựa nhiều tiêu chí: thời gian thực thuật tốn, khả thích ứng thuật tốn với loại máy tính khác nhau, tính đắn, mức độ đơn giản, hình thức thuật tốn, dung lượng nhớ sử dụng để lưu trữ liệu, …

• tiêu chí chính:

- Thời gian thực thuật toán - Dung lượng nhớ sử dụng

• Khi cài đặt thành chương trình máy tính, thời gian thực thuật toán phụ thuộc vào nhiều yếu tố: - Số lượng phép toán sơ cấp: phép tính số học,

phép tính logic, phép gán giá trị, chuyển chỗ, …  phụ thuộc vào kích thước liệu đầu vào tốn - Ngơn ngữ lập trình, chương trình dịch, hệ điều hành, tốc

(7)

• Để đánh giá thời gian thực thuật toán, người ta sử dụng “Độ phức tạp tính tốn thuật tốn” (gọi tắt Độ phức tạp thuật toán): Thời gian thực thuật toán đánh giá phụ thuộc vào kích thước liệu đầu vào, khơng phụ thuộc vào máy tính yếu tố liên quan

08/02/2017

• Thuật tốn T sử dụng để giải tốn có kích thước liệu đầu vào n cần thực T(n) phép toán sơ cấp T(n) hàm tham số n, đặc trưng cho độ phức tạp tính tốn thuật tốn

• Tổng quát: Giả sử f(n), g(n) hai hàm số không âm, đồng biến theo n Hàm f(n) xác định có độ phức tạp tính tốn cấp g(n), ký hiệu O(g(n)), tồn số c n0sao cho f(n) ≤ cg(n) n ≥ n0 Khi đó, ta nói f(n) có cấp g(n), ký hiệu f(n) = O(g(n)) (thực chất cấp lớn khơng vượt q g(n))

Ví dụ: với f(n) = n2+ 2n + 3, f(n) ≤ n2+ 2n2+ 3n2= 6n2với

n ≥ nên f(n) = O(n2)

08/02/2017

6.2.5 ĐÁNH GIÁ THUẬT TOÁN

• Độ phức tạp tính tốn thuật tốn thuộc dạng (được xếp theo mức độ tăng dần):

T(n) = O(1): độ phức tạp cấp số

T(n) = O(log2n): độ phức tạp cấp hàm lograrit T(n) = O(n): độ phức tạp cấp hàm tuyến tính T(n) = O(nlog2n): độ phức tạp cấp hàm nlog2n

T(n) = O(n2), O(n3), …, O(nk): độ phức tạp cấp hàm đa

thức

T(n) = O(2n), O(n!), O(nn): độ phức tạp cấp hàm mũ

• Một thuật tốn có độ phức tạp tính tốn từ cấp hàm đa thức trở xuống thường chấp nhận

6.2.5 ĐÁNH GIÁ THUẬT TỐN • Xác định độ phức tạp thuật toán: Quy tắc cộng:

Nếu T1(n) = O(f(n)), T2(n) = O(g(n)), T1(n) + T2(n) = O(max{f(n),g(n)})

Ví dụ: Trong thuật tốn có bước, bước có độ phức tạp tính tốn T1(n) = O(n3), T

2(n) =

O(n), T3(n) = O(nlog2n) thời gian thực bước là:

T1(n) + T2(n) + T3(n) = O(max{n3,n,nlog

(8)

• Xác định độ phức tạp thuật toán: Quy tắc nhân:

Nếu T1(n) = O(f(n)), T2(n) = O(g(n)) thì: T1(n) T2(n) = O(f(n).g(n))

Ví dụ:

- Câu lệnh For j:=1 to n x:=x+1; có thời gian thực T(n) = O(n.1) = O(n)

- Câu lệnh For i:=1 to n

For j:=1 to n x:=x+1; có thời gian thực T(n) = O(n.n) = O(n2)

08/02/2017

6.2.5 ĐÁNH GIÁ THUẬT TỐN • Xác định độ phức tạp thuật toán: Quy tắc bỏ số:

O(c.f(n)) = O(f(n)) c số Ví dụ: O(n2/2) = O(n2)

• Lưu ý: Khi đánh giá độ phức tạp tính tốn thuật tốn ta cần quan tâm đến số lần thực phép tốn tích cực (active operation - phép tốn mà số lần thực khơng số lần thực phép toán khác thuật toán)

08/02/2017

6.3 NGƠN NGỮ LẬP TRÌNH

6.3.1 Khái niệm ngơn ngữ lập trình

6.3.2 Lịch sử phát triển ngơn ngữ lập trình 6.3.3 Trình biên dịch trình thơng dịch 6.3.4 Các cơng việc người lập trình

6.3.1 KHÁI NIỆM VỀ NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH • Ngơn ngữ lập trình (programming language): - Là ngơn ngữ dùng để viết chương trình máy tính - Bao gồm hệ thống ký hiệu, từ khóa, từ

(9)

6.3.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA NGƠN NGỮ LẬP TRÌNH

• Phân loại ngơn ngữ lập trình: - Ngơn ngữ máy

- Hợp ngữ

- Ngơn ngữ lập trình bậc cao

• Ngơn ngữ máy:

- Là ngôn ngữ mà Bộ vi xử lý nhận biết thực trực tiếp, chương trình máy tính viết ngôn ngữ khác phải dịch sang ngôn ngữ máy trước thực thi

- Lệnh máy viết dạng số nhị phân biến thể chúng hệ 16

- Các chương trình thực nhanh chóng, lệnh máy dài khó nhớ, chương trình cồng kềnh, thời gian viết gây khó khăn cho việc đọc, phát lỗi hiệu chỉnh chương trình

• Hợp ngữ:

- Ra đời từ năm 1950 ngôn ngữ lập trình bậc thấp - Cấu trúc lệnh giống với ngôn ngữ máy cho

phép viết lệnh dạng mã chữ, thường từ tiếng Anh viết tắt có ý nghĩa rõ ràng, dễ nhớ

- Cho phép định địa hình thức

- Các chương trình hợp ngữ chuyển sang mã máy thơng qua trình hợp dịch (assembler)

- Gần với tầng thiết kế máy tính, chương trình viết ln có liên quan chặt chẽ đến kiến trúc máy tính

• Hợp ngữ (tiếp):

(10)

6.3.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH

• Ngơn ngữ lập trình bậc cao:

- Là ngôn ngữ gần với ngôn ngữ tự nhiên ngơn ngữ tốn học

- Thường sử dụng hệ thống ký hiệu phong phú với ký hiệu số, ký hiệu chữ, ký hiệu tốn học nhiều ký hiệu thơng dụng khác, với từ khóa tiếng Anh đơn giản, cấu trúc lệnh chặt chẽ, rõ ràng mang ý nghĩa thực tế

- Dễ học, dễ đọc, dễ viết hiệu chỉnh chương trình  cho phép thể xác thuật tốn, có tính độc lập cao, phụ thuộc vào phần cứng máy tính

6.3.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH

• Ngơn ngữ lập trình bậc cao (tiếp): - Cịn gọi ngơn ngữ thuật tốn

- Các chương trình muốn máy tính thực thi cần phải dịch sang ngơn ngữ máy nhờ chương trình dịch

- Ví dụ: Fortran, Pascal, C, C++, Java, PHP, …

• Hiện nay, việc phân loại ngơn ngữ lập trình mang tính tương đối Tùy theo mục đích, phân loại ngơn ngữ lập trình theo cách khác Ví dụ:

- Phân loại theo mức trừu tượng: có nhóm ngơn ngữ lập trình bậc thấp nhóm ngơn ngữ lập trình bậc cao

- Phân loại theo hình thức lập trình: có nhóm ngơn ngữ khai báo (LIST, PROLOG, …) nhóm ngơn ngữ mệnh lệnh (PASCAL, C, …)

- Phân loại theo họ, có họ ngơn ngữ máy hợp ngữ, họ ngôn ngữ cổ điển (ALGOL, PASCAL, C, …), họ ngôn ngữ hàm (LISP, …), họ ngôn ngữ logic (PROLOG, …), họ ngôn ngữ hướng đối tượng (C++, JAVA, …), họ ngôn ngữ truy vấn (SQL, …)

• Một số ngơn ngữ lập trình tiêu biểu:

(11)

6.3.3 TRÌNH BIÊN DỊCH VÀ TRÌNH THƠNG DỊCH • Máy tính hiểu ngơn ngữ

ngôn ngữ máy Trước thực thi, chương trình viết ngơn ngữ lập trình khơng phải ngơn ngữ máy (chương trình nguồn) phải dịch sang ngôn ngữ máy nhờ chương trình dịch

• loại chương trình dịch: - Trình thơng dịch - Trình biên dịch

6.3.3 TRÌNH BIÊN DỊCH VÀ TRÌNH THƠNG DỊCH • Trình thơng dịch: Sử dụng kỹ thuật thơng dịch, dịch

từng câu lệnh chương trình nguồn viết ngơn ngữ lập trình bậc cao sang ngơn ngữ máy để máy tính “hiểu” thực thi câu lệnh mà khơng lưu lại đoạn mã máy tương ứng, sau chuyển sang dịch câu lệnh

 Không tạo tệp mã đối tượng (tệp mã máy tương ứng với chương trình nguồn) Mỗi lần thực chương trình lần thơng dịch lại

6.3.3 TRÌNH BIÊN DỊCH VÀ TRÌNH THƠNG DỊCH • Trình thơng dịch (tiếp):

 Cho phép dịch, thực câu lệnh mà không cần phải đợi dịch xong tồn chương trình, cho phép dị tìm lỗi dễ dàng  thích hợp mơi trường cần có đối thoại người hệ thống Một số ngơn ngữ lập trình có sử dụng trình thơng dịch như: BASIC, VISUAL BASIC, PERL, PYTHON,

6.3.3 TRÌNH BIÊN DỊCH VÀ TRÌNH THƠNG DỊCH • Trình biên dịch (Compiler): Sử dụng kỹ thuật biên

dịch, dịch tồn chương trình nguồn sang ngơn ngữ máy tạo tệp mã đối tượng tương ứng

- Trong trình biên dịch, trình biên dịch phân tích từ vựng cú pháp câu lệnh, thông báo danh sách tất lỗi để lập trình viên chỉnh sửa Tệp mã đối tượng tạo chương trình nguồn khơng cịn lỗi cú pháp

(12)

6.3.3 TRÌNH BIÊN DỊCH VÀ TRÌNH THƠNG DỊCH • Trình biên dịch (tiếp):

- Thông thường, ngôn ngữ lập trình bậc cao có trình biên dịch tương ứng, ví dụ: PASCAL, C, C++,

6.3.4 CÁC CƠNG VIỆC CỦA LẬP TRÌNH • Bước 1: Soạn thảo chương trình:

- Sử dụng trình soạn thảo chuyên dụng để nhập nội dung chương trình, lưu tệp chương trình (tệp mã nguồn - source code) với phần mở rộng tên tệp phù hợp với ngôn ngữ lập trình (ví dụ: pas, c, cpp, …)

6.3.4 CÁC CƠNG VIỆC CỦA LẬP TRÌNH • Bước 2: Biên dịch chương trình:

- Sử dụng trình biên dịch (compiler) thích hợp để biên dịch tệp chương trình nguồn sang tệp mã máy tương ứng (tệp đối tượng hay object code) Nếu chương trình nguồn có số lỗi mặt cú pháp trình biên dịch thơng báo danh sách tất lỗi, cần quay lại bước 1, sử dụng trình soạn thảo để chỉnh sửa chương trình nguồn

- Khi tệp đối tượng tạo, liên kết (linker) thực việc liên kết đối tượng thành phần với tạo tệp thực thi (executable code) cho chương trình

6.3.4 CÁC CƠNG VIỆC CỦA LẬP TRÌNH • Bước 3: Chạy thử chương trình

(13)

6.3.4 CÁC CƠNG VIỆC CỦA LẬP TRÌNH • Mơi trường phát triển tích hợp (IDE – Integrated

Development Environment): Tích hợp trình soạn thảo, trình biên dịch, liên kết, trình gỡ rối, … cho phép chạy thử chương trình

• Người lập trình sử dụng trình soạn thảo chuyên dụng, độc lập để soạn thảo chương trình nguồn (Notepad++, …); sau sử dụng trình biên dịch thích hợp để biên dịch chạy chương trình cách kích hoạt tệp thực thi tạo

Ví dụ

• Viết chương trình tìm ước số chung lớn số ngun dương, chương trình viết ngơn ngữ PASCAL, sử dụng phần mềm Free Pascal (IDE, version 2.6.2) để lập trình

Ví dụ

• Bước 1: Khởi động phần mềm Free Pascal, sử dụng trình soạn thảo nhập nội dung chương trình nguồn, sau lưu tệp mã nguồn dạng pas:

Ví dụ

(14)

Ví dụ

• Bước 3: Nhấn tổ hợp phím Ctrl+F9 để chạy thử chương trình:

bài toánthuật toánchương trìnhngôn ngữ máymáy thực hiện

Thông tin tài liệu

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

Tài liệu liên quan