Ý nghĩa và tầm quan trọng của thuật toán

Có lẽ bạn đã nghe nhiều về thuật toán, nhưng không phải ai cũng hiểu rõ thuật toán là gì và tầm quan trọng của nó trong lập trình cũng như các loại thuật toán hiện nay. Nếu bạn muốn tìm hiểu về điều này, đừng bỏ lỡ bài viết dưới đây của HR Insider.

Thuật toán là gì?

Đơn giản thì mỗi bài toán có thể coi như một hòm chứa kho báu, và chìa khóa chính là 'thuật toán'. Nếu dùng sai chìa khóa, bạn vẫn có thể mở được hòm, nhưng mất thời gian và công sức, hoặc thậm chí kho báu bên trong có thể bị hỏng.

Sử dụng đúng chìa khóa 'thuật toán' sẽ giúp bạn nhanh chóng lấy được kho báu. Mỗi hòm kho báu đều cần một loại chìa khóa khác nhau, giống như mỗi thuật toán sẽ có giải thuật riêng.

Xem thêm:

• Bí quyết trở thành lập trình viên giỏi? Định hình và phát triển sự nghiệp
• Trình đối tượng trong lập trình: Hiểu biết và ứng dụng trong thực tế
• Kỹ sư phần mềm: Người điều hành dự án công nghệ
• Lập trình nhúng: Bí mật của công nghệ ứng dụng
• Software engineer: Những người sáng tạo và kiến tạo
• Lập trình game: Khám phá và sáng tạo trong thế giới ảo

Tại sao cần sử dụng thuật toán?

Tối ưu hóa quá trình tìm kiếm

Thuật toán là những hướng dẫn giúp giải quyết vấn đề một cách hiệu quả nhất. Lập trình viên thường áp dụng thuật toán để tìm ra con đường ngắn nhất giải quyết vấn đề.

Ví dụ, Google Maps, Grab, Uber thường sử dụng thuật toán để tối ưu hóa con đường di chuyển của người dùng.

Một ví dụ khác là Google, nơi bạn có thể tìm kiếm mọi thứ. Google luôn cải tiến thuật toán để cung cấp thông tin nhanh chóng và đa dạng cho người dùng.

Độ an toàn tối cao

Thuật toán sẽ được biến đổi thành chuỗi ký tự không thể đoán trước. Điều này giúp ngăn chặn sự xâm nhập từ các hacker và tăng cường tính bảo mật của thuật toán.

Các đặc điểm nổi bật của thuật toán

Thuật toán sẽ có những đặc điểm đặc trưng riêng biệt giúp nhận diện dễ dàng hơn. Vậy các đặc điểm của thuật toán là gì? Thông tin chi tiết được cung cấp dưới đây:

Tính chính xác

Tính 'rõ ràng' và 'thực thi được' của thuật toán được gọi là tính chính xác. Trong lĩnh vực phần mềm, thuật toán phải được biểu diễn dưới dạng một chuỗi hữu hạn các bước rõ ràng và thực thi được theo trình tự nhất định để đạt được kết quả mong muốn. Do đó, mọi thuật toán đều phải tuân thủ theo một chuỗi các bước xác định từ đầu.

Tính có hạn

Số bước giới hạn của thuật toán và khả năng dừng được gọi là “tính có hạn”. Số bước giới hạn của thuật toán là một đặc tính tự nhiên. Tính “dừng” hoặc có hạn là một tính chất dễ bị vi phạm do sai sót khi triển khai một thuật toán. Mọi thuật toán đều nhằm thực hiện một công việc cụ thể và đưa ra kết quả khi hoàn thành. Nếu thuật toán không có tính có hạn, nó sẽ rơi vào vòng lặp vô hạn hoặc không đưa ra kết quả cuối cùng.

Tính chính xác

Khi giải một bài toán, chúng ta luôn mong muốn đạt được kết quả chính xác. Và mục tiêu của thuật toán là tìm ra kết quả chính xác cho vấn đề cụ thể đó. Mặc dù tính “chính xác” là một đặc tính tự nhiên nhưng không dễ dàng đạt được. Bởi vì trong thực tế, có những vấn đề cần nghiên cứu và thử nghiệm nhiều lần trước khi tìm ra thuật toán hoàn hảo để đưa ra kết quả chính xác.

Tính phổ quát

Tính phổ quát của thuật toán đề cập đến việc thuật toán phải áp dụng được cho mọi trường hợp của vấn đề, không chỉ áp dụng cho một số trường hợp cụ thể. Nói một cách khác, thuật toán phải giống như một công thức toán học, có thể áp dụng cho nhiều trường hợp. Tuy nhiên, trong thực tế, có những thuật toán được phát triển dành riêng cho một vấn đề cụ thể. Do đó, không phải thuật toán nào cũng cần phải đảm bảo tính phổ quát mà phụ thuộc vào cách sử dụng cụ thể.

Hiệu suất

Hiệu suất của thuật toán là một yếu tố quan trọng để xem xét khi lựa chọn phương pháp giải quyết vấn đề dựa trên hiện thực. Đánh giá hiệu suất của thuật toán dựa trên các tiêu chí như khối lượng tính toán, thời gian và không gian sử dụng khi thực hiện thuật toán. Ngoài ra, độ phức tạp và logic của thuật toán cũng là các tiêu chí quan trọng để đánh giá hiệu suất.

Bước xử lý để viết một thuật toán

Dưới đây là quy trình giúp bạn viết một thuật toán một cách dễ dàng hơn:

Phân tích và thiết kế thuật toán

Đầu tiên, phải phân tích vấn đề một cách cẩn thận và tưởng tượng cách giải quyết cũng như chiến lược thiết kế thuật toán. Để làm điều này, kiến thức căn bản về cấu trúc dữ liệu và giải thuật là rất quan trọng, cụ thể là 5 chiến thuật thiết kế thuật toán: Chia để trị – divide and conquer, Phương pháp tham ăn – Greedy Method.

Đánh giá thuật toán

Sau khi hoàn thành việc thiết kế thuật toán, chúng ta cần phải kiểm tra tính đúng đắn của nó bằng cách thực hiện thuật toán trên máy tính. Sau đó, nhập dữ liệu vào theo định dạng tương ứng. Bước kiểm tra này giúp đảm bảo rằng thuật toán hoạt động một cách ổn định trên mọi ngôn ngữ lập trình.

Đánh giá hiệu suất thuật toán

Để đánh giá hiệu suất của thuật toán, chúng ta cần xem xét hai yếu tố: thời gian thực thi và bộ nhớ sử dụng. Trong quá trình chạy thuật toán, CPU cần thời gian để thực thi phép toán và xử lý, còn bộ nhớ lưu trữ tài liệu và các chương trình thực thi.

Kiểm thử chương trình

Quá trình kiểm thử chương trình được thực hiện bởi các Tester và chia thành hai giai đoạn: debugging và profiling. Debugging là quá trình chạy chương trình với dữ liệu mẫu để xác định và khắc phục lỗi. Profiling là quá trình đo thời gian và bộ nhớ khi chạy chương trình trên dữ liệu mẫu.

Hoàn thiện và Áp dụng

Sau khi đã hoàn tất các bước trên, chúng ta sẽ kiểm tra lại một lần nữa để đảm bảo rằng thuật toán không còn lỗi hoặc sai sót nào. Cuối cùng là sử dụng thuật toán để giải quyết vấn đề hoặc bài toán đang gặp phải.

Tổng hợp 12 loại thuật toán cơ bản cần hiểu

Dưới đây là tổng hợp các thuật toán cơ bản mà các lập trình viên cần hiểu để hỗ trợ công việc của mình tốt hơn:

Thuật toán Hashing

Hashing là một thuật toán quan trọng tham gia vào việc phát hiện và xác định dữ liệu phù hợp thông qua key và ID. Hashing có vai trò chính trong việc phát hiện lỗi, quản lý bộ nhớ cache, mật mã và tra cứu. Cụ thể, hàm hashing được sử dụng để ánh xạ khóa và cho ra các giá trị phù hợp nhất.

Hàm hashing thường được sử dụng như một phương tiện để tạo ra các giá trị dữ liệu duy nhất và không trùng lặp cho các tập dữ liệu và các tính toán cho người dùng, đặc biệt trong việc lưu trữ địa chỉ IP trong các bộ định tuyến.

Thuật toán tìm kiếm

Thuật toán tìm kiếm thường được áp dụng cho cấu trúc dữ liệu tuyến tính hoặc cấu trúc dữ liệu về đồ họa. Thuật toán tìm kiếm nhị phân giúp nhà phát triển dễ dàng tìm kiếm một cách hiệu quả trên các tập dữ liệu đã được sắp xếp với thời gian phức tạp O(log N).

Cơ chế của thuật toán tìm kiếm nhị phân là chia danh sách thành hai nửa cho đến khi tìm thấy mục cần tìm. Sau đó, nó được sử dụng để gỡ lỗi, đặc biệt là trong việc xác định lỗi liên quan đến git bisection.

Thuật toán sắp xếp

Các nhà phát triển thường sử dụng thuật toán này để tổ chức dữ liệu một cách có tổ chức. Các thành phần cơ bản của thuật toán QuickSort là các phần dữ liệu được so sánh với nhau để xác định thứ tự của chúng.

Mức độ phức tạp thời gian của O (nlogn) được sử dụng để so sánh. Tuy nhiên, Radix Sort có kỹ thuật xử lý nhanh hơn QuickSort do sắp xếp các phần tử trong một mô hình tuyến tính với độ phức tạp thời gian O (n). Các thuật toán sắp xếp khác bao gồm sắp xếp đếm, sắp xếp hợp nhất và sắp xếp nhóm.

Thuật toán lập trình động

Thuật toán lập trình động là một hàm dùng để giải quyết các vấn đề phức tạp liên quan đến trí tuệ bằng cách chia nhỏ vấn đề thành các bài toán con nhỏ hơn. Sau khi giải quyết các bài toán con, ta xây dựng lại vấn đề phức tạp từ các kết quả nhỏ hơn.

Thuật toán trong lập trình giúp lưu trữ các vấn đề đã giải quyết trước đó. Khi gặp lại vấn đề tương tự, ta có thể giải quyết nhanh hơn rất nhiều.

Thuật toán Dijkstra

Một vấn đề quan trọng mà các nhà phát triển phải giải quyết là tìm đường dẫn trong đồ thị, được sử dụng linh hoạt để mô tả các vấn đề liên quan đến mạng lưới đối tượng.

Thuật toán Dijkstra là cách nhanh nhất để tìm đường giữa hai nút trong đồ thị. Đây là cơ sở của nhiều công việc từ tìm đường đi đến trí tuệ nhân tạo và thiết kế trò chơi.

Thuật toán phân tích liên kết

Thuật toán phân tích liên kết thường được áp dụng trong lĩnh vực mạng để kết nối các thực thể khác nhau trong cùng một miền.

Phân tích liên kết được sử dụng để liên kết các căn cứ tương tự trong một miền hiện tại, thường được áp dụng trong các công cụ như Google, Facebook, Twitter.

Thuật toán Mô-đun

Các thuật toán mã hóa phức tạp trở nên đơn giản hơn nhiều nếu được phân tích dựa trên thuật toán mô-đun. Trong số học mô-đun, các phép toán cơ bản thường là cộng, trừ, nhân, chia với số nguyên.

Thuật toán phân tích cú pháp và chuỗi ký tự

Quá trình tạo chuỗi luôn đặc biệt và quan trọng trong lĩnh vực máy tính và mạng. Để thuật toán xử lý chuỗi ký tự hiệu quả, các chuỗi cần phải khớp trong cùng một chuỗi dài hoặc thông qua việc phân tích cú pháp theo các quy tắc cụ thể. Thuật toán phân tích cú pháp và chuỗi ký tự thường được sử dụng trong phát triển web, đặc biệt trong việc xử lý URL.

Thuật toán biến đổi Fourier

Thuật toán biến đổi Fourier là một trong những thuật toán đơn giản nhưng mạnh mẽ nhất. Nó được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu giữa miền thời gian và miền tần số và ngược lại.

Hiện nay, các hệ thống kỹ thuật số như wifi, internet, máy tính, điện thoại, vệ tinh, bộ định vị,... đều sử dụng thuật toán biến đổi Fourier để hoạt động.

Thuật toán mã hóa Huffman

Thuật toán mã hóa Huffman là nền tảng của việc nén dữ liệu hiện đại. Nó hoạt động bằng cách phân tích tần suất xuất hiện của các ký tự trong văn bản và sắp xếp chúng thành một cây dựa trên tần suất này.

Thuật toán các tập không giao nhau

Thuật toán các tập không giao nhau là một cấu trúc dữ liệu được sử dụng để biểu diễn nhiều tập hợp khác nhau trong một mảng riêng lẻ. Mỗi mục trong cấu trúc đại diện cho một phần tử của các tập hợp, và các phần tử được kết nối với nhau trong cùng một đồ thị hoặc phân đoạn của hình ảnh.

Hệ số tích phân

Thuật toán hệ số tích phân là hướng dẫn từng bước về cách lấy các thừa số nguyên tố của một số tổng hợp. Nó giúp giải quyết các vấn đề phức tạp trong lĩnh vực mã hóa yêu cầu, đặc biệt là khi xử lý các số nguyên lớn.