Khái niệm về ngôn ngữ lập trình & chương trình máy tính – Wattpad

You are reading

Con người liên lạc với nhau thông qua ngôn ngữ, tạo ra các mẫu từ ngữ và âm thanh. Ngôn ngữ lập trình cũng tương tự như vậy, đó là một tập từ ngữ và ký hiệu cho phép lập trình viên hoặc người dùng có thể nói chuyện với máy tính. Cũng giống như tiếng Anh, tiếng Tây Ban Nha hoặc tiếng Trung Quốc và những ngôn ngữ tiếng nói khác, ngôn ngữ lập trình cũng có các luật được gọi là cú pháp (syntax) để đảm bảo ngôn ngữ đó được vận dụng một cách chính xác.

Ðó là một tập các chỉ thị (instruction) được sắp xếp theo một trật tự định trước nhằm hướng dẫn máy tính thực hiện các thao tác, hành động cần thiết để đáp ứng một mục tiêu đã định trước của con người như truy xuất dữ liệu, tìm kiếm, giải bài toán, …Các chỉ thị này có thể được viết bằng nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau.

 1.2. Các loại ngôn ngữ lập trình thông dụng

    Có hàng trăm loại ngôn ngữ lập trình khác nhau, mỗi loại ngôn ngữ đều có cú pháp riêng của nó. Một số ngôn ngữ thì được phát triển để dùng trên các loại máy tính chuyên biệt, một số ngôn ngữ khác thì – do sự thành công của nó – đã trở thành chuẩn và được áp dụng trên đa số các máy tính. Ngôn ngữ lập trình có thể được phân chia thành 3 loại chính : ngôn ngữ máy, hợp ngữ và ngôn ngữ cấp cao.

     Ngôn ngữ máy

Ngôn ngữ máy (mã máy) là ngôn ngữ nền tảng của bộ vi xử lý. Các chương trình được viết trong tất cả các loại ngôn ngữ khác cuối cùng đều được chuyển thành ngôn ngữ máy trước khi chương trình đó được thi hành. Vì tập lệnh của ngôn ngữ máy phụ thuộc vào loại vi xử lý nên ngôn ngữ máy sẽ khác nhau trên những máy tính có sử dụng bộ vi xử lý khác nhau. Lợi điểm của viết chương trình bằng ngôn ngữ máy là lập trình viên có thể điều khiển máy tính trực tiếp và đạt được chính xác điều mình muốn làm. Do đó, các chương trình ngôn ngữ máy được viết tốt là những chương trình rất hiệu quả (tốc độ thi hành nhanh, kích thước nhỏ). Bất lợi của chương trình ngôn ngữ máy là thông thường sẽ mất rất nhiều thời gian để viết, rất khó đọc, theo dõi để tìm lỗi. Thêm vào đó, bởi vì chương trình được viết bằng tập lệnh phụ thuộc vào bộ vi xử lý nên chương trình chỉ chạy được trên những máy tính có cùng bộ vi xử lý mà thôi. Ngôn ngữ máy cũng được gọi là ngôn ngữ cấp thấp (low-level language)

     Hợp ngữ

Hợp ngữ được phát triển nhằm giúp các lập trình viên dễ nhớ các chỉ thị của chương trình hơn. Hợp ngữ tương tự như ngôn ngữ máy nhưng lại sử dụng các ký hiệu gợi nhớ (mnemonics hay mã lệnh hình thức – symbolic operation code) để biểu diễn cho các mã lệnh của máy. Một đặc điểm khác nữa là hợp ngữ thông thường cho phép định địa chỉ hình thức (symbolic addressing), nghĩa là một vị trí bộ nhớ trong máy tính có thể được tham chiếu tới thông qua một cái tên hoặc ký hiệu, chẳng hạn như TOTAL thay vì phải sử dụng địa chỉ thực sự của nó (bằng con số nhị phân) trong ngôn ngữ máy. Các chương trình hợp ngữ còn bao gồm các chỉ thị vĩ mô (macro instruction) có thể tạo ra nhiều lệnh mã máy. Các chương trình hợp ngữ được chuyển sang mã máy thông qua một chương trình đặc biệt gọi là trình hợp dịch (assembler). Mặc dù hợp ngữ tương đối dễ dùng hơn mã máy nhưng hợp ngữ vẫn được xem là ngôn ngữ cấp thấp bởi vì nó vẫn còn rất gần với từng thiết kế của máy tính.

     Ngôn ngữ cấp cao

Cuộc cách mạng của ngôn ngữ máy tính bắt đầu với sự phát triển của ngôn ngữ cấp cao vào cuối thập kỷ 1950 và 1960. Ngôn ngữ cấp cao gần gũi hơn với ý niệm ngôn ngữ mà hầu hết mọi người đều biết, nó bao gồm các danh từ, động từ, ký hiệu toán học, liên hệ và các thao tác luận lý. Các yếu tố này có thể được phối hợp, liên kết với nhau tạo thành một hình thức của câu. Các “câu” này được gọi là các mệnh đề của chương trình (program statement). Chính vì những đặc điểm này, các lập trình viên dễ dàng đọc  và dễ học ngôn ngữ cấp cao hơn so với ngôn ngữ máy hoặc hợp ngữ. Một lợi điểm quan trọng là ngôn ngữ cấp cao thông thường không phụ thuộc vào máy tính, nghĩa là các chương trình viết bằng ngôn ngữ cấp cao có thể chạy trên các loại máy tính khác nhau (sử dụng các bộ vi xử lý khác nhau).

     Các ngôn ngữ lập trình thông dụng

Mặc dù đã có hàng trăm ngôn ngữ lập trình được sinh ra, chỉ có một số ít là được sử dụng rộng rãi và được xem là một chuẩn công nghiệp. Các ngôn ngữ này đều có thể được sử dụng trên nhiều loại máy tính khác nhau.

 BASIC, viết tắt của cụm từ Beginner’s All-Purpose Symbolic Instruction Code, được phát triển bởi John Kermeny và Thomas Kurtz vào năm 1964 tại trường đại học Dartmouth. Ban đầu, họ thiết kế BASIC là một ngôn ngữ lập trình đơn giản, có tính tương tác để các sinh viên học tập và sử dụng. BASIC đã trở thành một trong những ngôn ngữ lập trình thông dụng nhất được sử dụng trên các máy vi tính và máy tính mini ngày nay.

 COBOL, viết tắt của COmmon Business Oriented Language, được giới thiệu vào năm 1960. Ðược hỗ trợ bởi bộ quốc phòng Hoa Kỳ, COBOL được phát triển bởi một hội đồng bao gồm các đại diện từ phía chính phủ và công nghiệp. Grace M.Hopper là người chính yếu trong hội đồng và được xem là nhà phát triển chính của ngôn ngữ COBOL. COBOL đã từng là một trong những ngôn ngữ được dùng rộng rãi nhất cho các ứng dụng thương mại. Bằng cách dùng một hình thức tựa tiếng Anh, các câu lệnh của COBOL được sắp xếp vào trong các câu và nhóm lại thành từng đoạn (paragraph). Hình thức tiếng Anh giúp COBOL dễ viết và đọc nhưng cũng làm cho chương trình nguồn dài hơn. COBOL rất tốt trong việc xử lý các tập tin lớn và thực hiện nhưng phép tính thương mại tương đối đơn giản.

 C, được phát triển bởi tác giả Dennis Ritchie tại phòng thí nghiệm Bell vào năm 1972. Ban đầu, C được thiết kế như là một ngôn ngữ để viết các phần mềm hệ thống, nhưng ngày nay, nó được xem là một ngôn ngữ công dụng chung. C là một ngôn ngữ lập trình mạnh mẽ đòi hỏi kỹ năng lập trình chuyên nghiệp mới có thể sử dụng hiệu quả được. Nhu cầu dùng C để phát triển nhiều loại phần mềm kể cả các ứng thương mại đang gia tăng. Các chương trình C thường được dùng với hệ điều hành Unix (phần lớn hệ điều hành Unix được viết bằng C).

 FORTRAN, viết tắt của FORmula TRANslator được phát triển bởi một nhóm lập trình viên của công ty IBM dưới sự lãnh đạo của John Backus. Công bố vào năm 1957, FORTRAN được thiết kế như là một ngôn ngữ lập trình dành cho các nhà khoa học, kỹ sư và toán học. FORTRAN được xem như là ngôn ngữ lập trình cấp cao đầu tiên và được chú ý bởi khả năng của nó cho phép dễ dàng diễn đạt và tính toán các phương trình toán học.

 PASCAL, ngôn ngữ sẽ được sử dụng để giảng dạy trong giáo trình này, được phát triển vào năm 1968 bởi Niklaus Wirth, một nhà khoa học máy tính tại Zurich, Thụy Sĩ. Pascal được phát triển để giảng dạy lập trình. Tên Pascal không phải là từ viết tắt, đó là tên của một nhà toán học, Blaise Pascal (1623 – 1662) người đầu tiên tạo ra máy tính. Pascal, dùng trong cả máy tính cá nhân và máy tính lớn là một trong những ngôn ngữ lập trình đầu tiên được phát triển trong đó khuyến khích phương pháp lập trình cấu trúc. 

     Các loại ngôn ngữ lập trình khác

 ALGOL (ALGOrithmetic Language). Ngôn ngữ lập trình cấu trúc dùng cho các ứng dụng khoa học và toán học.

 APL(A Programming Language). Một ngôn ngữ mạnh mẽ, dễ dùng, rất tốt trong việc xử lý dữ liệu được lưu dưới dạng bảng (ma trận)

 FORTH, tương tự như C, tạo ra các mã chương trình nhanh và hiệu quả. Ban đầu được phát triển để điều khiển kính viễn vọng không gian.

 LISP, LISt Processing, ngôn ngữ trí tuệ nhân tạo thông dụng.

 LOGO, chủ yếu được biết đến như là một công cụ để dạy khả năng giải quyết vấn đề.

 MODULA-3, tương tự như PASCAL. Dùng chủ yếu để phát triển các phần mềm hệ thống.

 PILOT, Programmed Inquiry Learning Or Teaching, dùng bởi các nhà giáo dục để viết các chương trình hướng dẫn CAD.

 PL/I, Programming Language/ One. Ngôn ngữ thương mại và khoa học phối hợp nhiều chức năng của FORTRAN và COBOL.

 PROLOG, PROgramming LOgic. Dùng trong trí tuệ nhân tạo.

 RPG, Report Program Generator. Dùng các mẫu đặc biệt để giúp người dùng xác định dữ liệu vào, dữ liệu ra và các yêu cầu tính toán của một chương trình.

 ADA, lấy tên của Augusta Ada Bryon, người được xem là đã viết chương trình đầu tiên, được thiết kế để phục vụ cho việc viết, bảo trì các chương trình lớn trong một khoảng thời gian dài.

 1.3. Trình thông dịch và biên dịch

    Mọi chương trình được viết bằng các ngôn ngữ không phải là ngôn ngữ máy cuối cùng đều phải được chuyển đổi sang ngôn ngữ máy trước khi được thi hành. Chương trình ngôn ngữ cấp cao được dịch sang ngôn ngữ máy bằng một trong hai cách : bằng trình biên dịch (compiler) hoặc trình thông dịch (interpreter).

     Trình biên dịch :

Sẽ chuyển đổi toàn bộ chương trình sang mã máy, rồi chứa kết quả vào dĩa để có thể thi hành về sau. Chương trình ngôn ngữ cấp cao được chuyển đổi được gọi là chương trình nguồn (source program) và chương trình ngôn ngữ máy được tạo ra được gọi là chương trình đối tượng (object program) hoặc mã đối tượng (object code). Khi người dùng muốn chạy chương trình, chương trình đối tượng sẽ được nạp lên bộ nhớ chính của CPU và các chỉ thị của chương trình sẽ được thi hành. Khi được hướng dẫn bởi các chỉ thị của chương trình, CPU sẽ truy xuất dữ liệu và tạo ra các kết quả. Trình biên dịch sẽ kiểm tra cú pháp chương trình, thực hiện các phép kiểm tra logic và đảm bảo các dữ liệu sắp được sử dụng trong các phép so sánh, tính toán đã được định nghĩa một cách hợp lý ở một nơi nào đó trong chương trình. Một chức năng quan trọng của trình biên dịch là nó sẽ tạo ra một danh sách lỗi của tất cả mệnh đề trong chương trình vi phạm cú pháp của ngôn ngữ. Danh sách này giúp lập trình viên dễ dàng sửa đổi chương trình.

Do ngôn ngữ máy phụ thuộc vào bộ vi xử lý nên các máy tính khác nhau sẽ cần có các trình biên dịch khác nhau đối với cùng một ngôn ngữ cấp cao. Ví dụ, một máy mainframe, máy mini và máy tính cá nhân cần có các trình biên dịch khác nhau để biên dịch cùng một chương trình nguồn sang mã máy của từng loại máy này.

     Trình thông dịch :

Thay vì chuyển đổi toàn bộ chương trình nguồn như trình biên dịch, trình thông dịch chỉ chuyển đổi một mệnh đề của chương trình và thực hiện đoạn mã kết quả ngay, sau đó nó tiếp tục chuyển đổi mệnh đề thứ 2 rồi thi hành đoạn mã kết quả thứ 2 và cứ thế. Khi sử dụng trình thông dịch, mỗi lần chạy chương trình là mỗi lần chương trình nguồn được thông dịch sang ngôn ngữ máy. Không có chương trình đối tượng nào được tạo ra.

Các trình thông dịch thường được dùng trên các máy tính cá nhân không có đủ bộ nhớ hoặc sức mạnh tính toán cần thiết để dùng trình biên dịch. Lợi điểm của trình thông dịch là lập trình viên vẫn có thể chạy một chương trình vẫn còn lỗi cú pháp. Chỉ đến lúc thông dịch đến câu lệnh có lỗi cú pháp, quá trình thi hành chương trình mới bị ngừng lại và trình thông dịch sẽ thông báo lỗi. Ðiểm bất lợi là các chương trình thông dịch chạy không nhanh bằng các chương trình được biên dịch vì quá trình chuyển đổi sang ngôn ngữ máy được thực hiện cùng với quá trình thi hành chương trình. Vì lý do này, ngày nay, đa số các ngôn ngữ cấp cao đều dùng trình biên dịch.

 1.4. Lập trình cấu trúc

    Lập trình cấu trúc là một phương pháp lập trình có các đặc trưng cơ bản sau : tính đơn thể, cấu trúc điều khiển và tính vào/ra đơn. Tuân thủ theo nguyên tắc lập trình có cấu trúc sẽ giúp các chương trình dễ viết, dễ đọc, dễ hiểu, dễ kiểm lỗi và dễ hiệu chỉnh.

     Tính đơn thể (modules) :

Với lập trình cấu trúc, các vấn đề trong lập trình được phân rã (chia nhỏ) thành những phần nhỏ hơn gọi là các đơn thể. Mỗi đơn thể, được gọi là một chương trình con trong các ngôn ngữ lập trình, sẽ thực hiện một nhiệm vụ định trước trong chương trình. Ðiểm lợi chính của kỹ thuật này là nó đơn giản hóa việc phát triển chương trình vì mỗi đơn thể chương trình có thể được phát triển một cách độc lập. Khi các đơn thể được lắp ghép lại, chúng tạo thành một chương trình hoàn chỉnh tạo ra được kết quả mong muốn.

Sơ đồ cấu trúc (structure chart) hay còn gọi là sơ đồ phân cấp (hierarchy chart) thường được dùng để phân rã và biểu diễn cho các đơn thể trong chương trình. Khi một quá trình phân rã chương trình hoàn tất, toàn bộ cấu trúc của chương trình sẽ được biểu diễn bằng một sơ đồ phân cấp. Sau đây là một ví dụ :

     Cấu trúc điều khiển (control structure) :

Trong lập trình cấu trúc, người ta sử dụng 3 cấu trúc điều khiển để tạo nên logic của chương trình. Mọi vấn đề logic đều có thể giải quyết được bằng cách phối hợp 3 cấu trúc này. 3 cấu trúc này là : cấu trúc tuần tự (sequence), cấu trúc chọn (selection) và cấu trúc lặp (iteration).

 Cấu trúc tuần tự : trong cấu trúc này, việc các quá trình được thực hiện tuần tự, từ quá trình này đến quá trình theo sau nó.

 Cấu trúc chọn : hay còn gọi là cấu trúc nếu … thì …ngược lại (if….then…else) cho phép các lập trình viên diễn đạt được các logic điều kiện trong chương trình. Ý nghĩa của cấu trúc này là nếu điều kiện là đúng thì thực hiện quá trình ứng với điều kiện đúng, ngược lại, thực hiện quá trình ứng với điều kiện sai.

Một dạng khác của cấu trúc chọn là cấu trúc case. Cấu trúc case được dùng khi một điều kiện được kiểm tra có thể dẫn đến 2 hay nhiều quá trình xử lý khác nhau. Trong một chương trình, menu là một ví dụ về cấu trúc case vì nó cung cấp nhiều chọn lựa xử lý khác nhau.

 Cấu trúc lặp : (iteration structure hoặc looping structure) : cho phép thực hiện nhiều lần một quá trình dựa trên một điều kiện cho trước. Có 2 dạng cơ bản của cấu trúc lặp là cấu trúc lặp for và while. Cấu trúc lặp for cho phép lặp lại một quá trình xử lý một số lần xác định trước. Còn cấu trúc lặp while thì lặp lại quá trình xử lý cho đến lúc điều kiện kiểm tra không còn đúng nữa.

Chi tiết của các cấu trúc này sẽ được giới thiệu chi tiết trong các bài học liên quan đến ngôn ngữ PASCAL.

     Vào/ra đơn( single entry/exit) :

Đây là một khái niệm quan trọng trong lập trình cấu trúc. Vào/ ra đơn nghĩa là chỉ có một điểm vào và một điểm ra đối với mỗi cấu trúc trong 3 cấu trúc ở trên. Ðiểm vào là điểm bắt đầu cấu trúc điều khiển và điểm ra là điểm kết thúc cấu trúc điều khiển.

Tính chất này cải thiện đáng kể logic của một chương trình, bởi vì, khi đọc một chương trình, lập trình viên có thể đảm bảo rằng cho dù có chuyện gì xảy ra trong cấu trúc đi nữa thì cấu trúc điều khiển chỉ đi ra ở một điểm duy nhất. Trước khi có lập trình cấu trúc, nhiều lập trình viên hay có thói quen chuyển điều khiển đến những phần khác trong chương trình màkhông tuân theo luật vào/ra đơn. Ðiều này sẽ dẫn đến một thiết kế chương trình tồi, cực kỳ khó khăn để đọc và kiểm tra lỗi cũng như hiệu chỉnh. Chương trình viết theo lối này sẽ giống như một mớ dây rối !!

 1.5. Lập trình hướng đối tượng

    Lập trình hướng đối tượng (Object Oriented Programming – OOP) là một tiếp cận mới cho việc phát triển phần mềm cho phép lập trình viên tạo ra các đối tượng(object), một phương pháp kết hợp cả dữ liệu và các câu lệnh của chương trình. Theo kiểu lập trình truyền thống, người ta thường lưu trữ dữ liệu – chẳng hạn như các tập tin – độc lập với chương trình thao tác trên dữ liệu đó. Do đó, mỗi chương trình phải tự định nghĩa cách thức sử dụng dữ liệu cho chính nó. Ðiều này thường dẫn đến sự trùng lắp mã lệnh, hơn nữa, mỗi lần dữ liệu thay đổi thì mã chương trình phải thay đổi theo. Với lập trình hướng đối tượng, các câu lệnh của chương trình cũng như dữ liệu được kết hợp trong các đối tượng mà sau đó có thể được dùng đi dùng lại nhiều lần bất cứ khi nào ta cần. Các lệnh đặc biệt gọi là phương thức (method) sẽ định nghĩa cách thức phản ứng của đối tượng khi đối tượng đó được dùng trong chương trình.

    Khi dùng lập trình hướng đối tượng, các lập trình viên sẽ định nghĩa ra các lớp đối tượng (class). Mỗi lớp sẽ có những phương thức đặc trưng cho lớp đó. Ngoài ra, các lớp đối tượng còn có khả năng truyền những phương thức của nó cho những lớp thấp hơn gọi là thừa kế (inheritance). Một dẫn xuất (instance) của đối tượng sẽ chứa tất cả phương thức từ các lớp cao hơn cộng với các phương thức đặc trưng của nó. Khi một đối tượng nhận được một chỉ thị để thực hiện điều gì, người ta chỉ thị đó là một thông điệp (message). Không giống như lập trình truyền thống, thông điệp không cần phải chỉ rõ cho đối tượng biết phải thực hiện như thế nào mà chỉ cần bảo đối tượng phải cung cấp kết quả gì. Còn thực hiện như thế nào sẽ được định nghĩa trong các phương thức của đối tượng đó hoặc thừa kế từ các cấp cao hơn.

    Liên quan đến lập trình hướng đối tượng là các phần mềm hướng đối tượng (object-oriented software) và hệ điều hành hướng đối tượng (object-oriented operating system). Phần mềm hướng đối tượng là phần mềm sử dụng phương pháp lập trình hướng đối tượng. Còn hệ điều hành hướng đối tượng là hệ điều hành được thiết kế đặc biệt để chạy các ứng dụng hướng đối tượng.