Hiện nay, các công ty công nghệ và điện tử đều coi thuật toán như một tiêu chí để đánh giá độ hiểu biết của ứng viên. Thuật toán cũng là chủ đề mà lập trình viên phải thông thạo để sử dụng lâu dài trong công việc. Trong bài viết này, bạn sẽ được trang bị những kiến thức cơ bản về thuật toán: Thuật toán là gì, vai trò và tính chất của thuật toán cũng như nhận biết 12 loại thuật toán dành cho dân lập trình.
I. Thuật toán là gì?
Thuật toán có nghĩa là ”Một tập hợp các quy tắc và hướng dẫn cần tuân theo trong các phép tính hoặc các hoạt động giải quyết vấn đề khác”. Thuật toán cũng được cho là “Một quy trình để giải một bài toán trong một số bước hữu hạn, thường liên quan đến các phép toán đệ quy”.
Do đó, thuật toán đề cập đến một chuỗi các bước hữu hạn để giải quyết một vấn đề cụ thể. Các thuật toán có thể đơn giản và phức tạp tùy thuộc vào những gì bạn muốn đạt được. Ví dụ: Để nấu một món ăn mới mới, người ta đọc hướng dẫn và các bước nấu rồi thực hiện từng bước một theo hướng dẫn. Như vậy, món ăn mới được hoàn thành.
Mỗi khi bạn sử dụng điện thoại, máy tính, máy tính xách tay hay máy tính bỏ túi, bạn đang sử dụng thuật toán. Tương tự, các thuật toán giúp thực hiện một nhiệm vụ trong lập trình để có được kết quả đầu ra như mong đợi. Thuật toán được thiết kế không phụ thuộc vào ngôn ngữ, tức là chúng chỉ là các hướng dẫn đơn giản có thể được triển khai bằng bất kỳ ngôn ngữ nào và đầu ra sẽ giống nhau.
II. Vai trò của thuật toán
Thuật toán đóng vai trò quan trọng trong các chương trình máy tính và phần mềm. Vai trò của thuật toán là gì:
Sử dụng tài nguyên đúng cách: Phần mềm máy tính chứa nhiều tài nguyên, như cơ sở dữ liệu, bộ nhớ, thư viện và bộ đệm. Thuật toán giúp hài hòa các hoạt động của phần mềm và đảm bảo chương trình máy tính hoạt động trơn tru.
Điều tiết điện năng tiêu thụ: Tất cả các chương trình máy tính đều cần năng lượng để hoạt động. Một số chương trình yêu cầu nhiều năng lượng hơn các chương trình, ứng dụng khác. Vai trò của thuật toán là điều chỉnh lượng điện năng mà các chương trình có thể cần hoặc phải tiêu tốn trong một khoảng thời gian nhất định.
Cải thiện hiệu quả của các chương trình máy tính: Thuật toán xem xét các nguồn lực sẵn có, nhu cầu về năng lượng và thời gian phù hợp để giải quyết vấn đề.
Tăng tốc độ hoạt động: Các thuật toán được thiết kế để tăng đáng kể tốc độ hoạt động. Điều này nhằm đảm bảo rằng các nhiệm vụ hiện tại không mất quá nhiều thời gian để giải quyết hoặc gây ra sự chậm trễ không cần thiết. Chính đặc điểm này giúp các thuật toán và máy tính nói chung có thể giải quyết nhiều nhiệm vụ cùng một lúc mà không gặp quá nhiều khó khăn.
Nâng cao trải nghiệm truyền thông xã hội: Thuật toán xác định bài đăng nào nên xuất hiện và hiển thị các quảng cáo có liên quan trên nguồn cấp dữ liệu của người dùng. Ví dụ: thuật toán của Facebook nghiên cứu các loại bài đăng và trang mà mỗi người dùng lướt qua và tương tác. Sau đó, nó cho hiển thị các bài đăng và quảng cáo có chủ đề tương tự cho người dùng.
Xem thêm: PHP Là Gì? Tất Tần Tật Kiến Thức Cần Biết Về Ngôn Ngữ PHP
III. Phân loại thuật toán
1. Phân loại theo tính năng
Đối với cách phân chia này, thuật toán được phân chia thành 3 loại cơ bản sau: thuật toán tìm kiếm, thuật toán sắp xếp và thuật toán đồ thị. Trong đó:
- Thuật toán tìm kiếm: là loại thuật toán được sử dụng để tìm kiếm các thông tin, dữ liệu trong 1 tập hợp và bao gồm các phân tử khác nhau.
- Thuật toán sắp xếp: giúp sắp xếp các thứ tự trong từng phân tử của 1 tập hợp theo cách khoa học, đáp ứng được yêu cầu logic.
- Thuật toán đồ thị: là dạng thuật toán dùng để xử lý các vấn đề liên quan đến bài có sử dụng đồ thị.
| Tham khảo ngay các tin đăng về thiết bị điện tử trên website Muaban.net để có giá tốt nhất khi mua |
2. Phân loại theo cách thức thực hiện
Đối với phân loại thuật toán theo cách thức thực hiện, thuật toán gồm 2 dạng là thuật toán chia để trị và thuật toán tham lam. Vậy 2 thuật toán là gì và mang ý nghĩa gì?
- Thuật toán chia để trị: chia bài toán lớn thành các phần nhỏ, chia vấn đề lớn thành nhiều vấn đề nhỏ để xử lý và giải quyết dần.
- Thuật toán tham lam: giúp thay đổi trạng thái của bài toán thông qua những hành động cụ thể. Nó giúp người giải quyết có thể tiếp cận vấn đề từ từ để tìm ra hướng giải quyết có hiệu quả tốt nhất.
IV. Tính chất của thuật toán
1. Tính chính xác
Tính chính xác là tính chất điển hình khi nhắc đến thuật toán. Độ chính xác cao của thuật toán đảm bảo kết quả, thao tác được thực hiện hiệu quả và khả thi hơn trong các bài toán, công thức.
2. Tính rõ ràng minh bạch
Tính chất thứ hai của thuật toán là gì? Sự rõ ràng và minh bạch. Tính rõ ràng được thể hiện trên nguyên tắc lệnh. Các câu lệnh trong thuật toán phải được đưa ra rõ ràng, dễ hiểu và được sắp xếp theo trình tự nhất định.
3. Tính khách quan
Tính khách quan là nét đặc trưng của thuật toán. Dù nó được thực hiện bằng cách nào thì kết quả đưa ra đều giống nhau. Nếu kết quả được đưa ra bởi 2 phương pháp này không tương đồng, người thực hiện cần xem xét lại bởi kết quả trên chứng tỏ thuật toán sai hoặc vô lý.
4. Tính phổ dụng
Tính phổ dụng cũng là một đặc trưng tiêu biểu của thuật toán. Thuật toán có tính ứng dụng cao trong đời sống. Nó không chỉ dùng để giải quyết duy nhất một bài toán mà còn có khả năng giải quyết được những bài toán khác.
5. Tính kết thúc
Thuật toán nhất định không thể thiếu tính kết thúc hay kết quả đầu ra. Bởi thuật toán là tập hợp hữu hạn và nó luôn có điểm kết thúc. Điểm kết thúc của thuật toán là gì? Nó chính là kết quả đã tìm ra phù hợp.
Xem thêm: Ngôn Ngữ Lập Trình C Là Gì? Học Ngôn Ngữ Này Có Khó Không?
V. Tìm hiểu 12 loại thuật toán cơ bản dành cho dân lập trình (IT)
Việc khai thác một thuật toán tốt nhất và chính xác nhất là điều tất yếu để giúp chương trình máy tính đạt được thành công. Vậy sau khi nhận biết được thuật toán là gì, muaban.net đưa ra một số thông tin về 12 loại thuật toán hàng đầu được sử dụng rộng rãi trong lập trình và phát triển web:
1. Thuật toán Hashing
Hashing là một 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 là phát hiện lỗi, quản lý bộ nhớ cache, tra cứu, bảo mật. Hàm hashing được sử dụng như định danh duy nhất cho các tập dữ liệu và nó thực hiện tính toán để tạo ra các giá trị dữ liệu không trùng lặp. Thông thường, hàm hashing được sử dụng trong các bộ định tuyến với mục đích lưu trữ địa chỉ IP.
Nếu bạn làm việc trong lĩnh vực bảo mật, điều quan trọng là bạn phải biết các thông tin chi tiết về bảo vệ. Thuật toán Hashing là một lựa chọn tuyệt vời để bạn có thể đảm bảo bảo mật dữ liệu hay mật khẩu không bị đánh cắp bởi đối tượng xấu. Về cơ bản, hàm hashing giúp chuyển đổi một dữ liệu đầu vào có độ dài bất kỳ thành một chuỗi đầu ra đặc trưng với độ dài cố định.
Ví dụ: Hãy tưởng tượng rằng chúng tôi muốn sử dụng hàm băm cho một câu hỏi bảo mật. Chúng tôi hỏi, “Nhà đầu tiên của bạn ở đâu?” Câu trả lời chúng tôi nhận được là “Tầng thượng của tòa Vinhomes Ocean Park.” Đây là cách mà thuật toán Hashing hoạt động:
- MD5: 72b003ba1a806c3f94026568ad5c5933
- SHA-256: f6bf870a2a5bb6d26ddbeda8e903f3867f729785a36f89bfae896776777d50af
Cũng với câu hỏi y hệt, chúng tôi nhận được câu trả lời từ một bạn khác là “Chicago”. Ta có kết quả sử dụng hàm băm như sau:
- MD-5: 9cfa1e69f507d007a516eb3e9f5074e2
- SHA-256: 0f5d983d203189bbffc5f686d01f6680bc6a83718a515fe42639347efc92478e
Lưu ý rằng các tin nhắn ban đầu không có cùng số lượng ký tự. Nhưng các thuật toán tạo ra các giá trị băm có độ dài nhất quán mỗi lần. Và lưu ý rằng các giá trị băm hoàn toàn bị cắt xén.
2. Thuật toán tìm kiếm
Thuật toán tìm kiếm được thiết kế để kiểm tra hoặc truy xuất một phần tử từ bất kỳ cấu trúc dữ liệu nào mà nó được lưu trữ. Thuật toán này được áp dụng cho dãy cấu trúc dữ liệu tuyến tính và cấu trúc dữ liệu đồ họa. Thuật toán tìm kiếm còn được gọi là thuật toán tìm kiếm nhị phân và thường được sử dụng để tìm kiếm từ các tập dữ liệu đã được sắp xếp với hàm log N.
Cơ chế của thuật toán tìm kiếm nhị phân là chia danh sách tìm kiếm thành hai nửa cho đến khi thấy được mục đích yêu cầu. Sau đó, nó sẽ gỡ lỗi, đặc biệt những lỗi liên quan đến git bisection.
3. Thuật toán sắp xếp
Thuật toán sắp xếp được sử dụng để sắp xếp lại một mảng hoặc danh sách các phần tử đã cho theo toán tử so sánh trên các phần tử. Toán tử so sánh được sử dụng để quyết định thứ tự mới của các phần tử trong cấu trúc dữ liệu tương ứng. Ví dụ: Danh sách các ký tự dưới đây được sắp xếp theo thứ tự tăng dần của các giá trị ASCII của chúng. Nghĩa là, ký tự có giá trị ASCII thấp hơn sẽ được đặt trước ký tự có giá trị ASCII cao hơn.
Các thuật toán sắp xếp cũng hữu ích trong các lĩnh vực phát triển nhanh chóng như ứng dụng của trí tuệ nhân tạo (machine learning). Trong thời đại dữ liệu lớn và hơn thế nữa, khả năng lớn nhất của hệ thống công nghệ thông tin là thao tác với các tập dữ liệu lớn. Điều này vốn liên quan đến quy trình phân loại. Trong trí tuệ nhân tạo, nơi máy học từ các tập dữ liệu đào tạo lớn, thuật toán sắp xếp mang lại nhiều lợi ích cho việc xây dựng và triển khai hệ thống AI.
Do đó, việc hiểu các thuật toán sắp xếp cơ bản là điều cần thiết đối với một số công việc liên quan đến khoa học máy tính. Nói chung, nhà khoa học máy tính phải là một nhà toán học – hiểu thuật ngữ và biệt ngữ của toán học, thống kê. Đồng thời, họ cần phải hiểu cách sử dụng từng loại thuật toán sắp xếp một cách hiệu quả.
Xem thêm: Ngôn Ngữ Lập Trình Arduino Là Gì? Vì Sao được Dùng Phổ Biến?
4. Thuật toán lập trình động
Thuật toán lập trình động (Kadane) là một hàm được dùng để giải quyết các vấn đề phức tạp liên quan đến trí tuệ. Cách thực hiện: tách các vấn đề thành các bài toán con nhỏ hơn. Sau khi đã giải quyết các bài toán, Kadane đưa ra câu trả lời cho vấn đề phức tạp ban đầu.
5. Thuật toán Dijkstra
Thuật toán Dijkstra là một trong những thuật toán cổ điển được tạo ra để giải quyết bài toán tìm con đường ngắn nhất từ một điểm cho trước tới tất cả các điểm còn lại nằm trong một đồ thị có trọng số. Đây chính là nền tảng của hầu hết các công việc được thực hiện trong việc tìm kiếm đường đi và được sử dụng cho nhiều mục đích, từ trí tuệ nhân tạo đến thiết kế trò chơi.
6. Thuật toán phân tích liên kết
Thuật toán phân tích liên kết được sử 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 kết sử dụng ma trận phức tạp và biểu diễn đồ họa để liên kết các căn cứ tương tự trong cùng một miền hiện tại. Loại thuật toán cơ bản này được dùng trong các công cụ như Google, Facebook hay Twitter.
7. Thuật toán Mô-đun
Nhiều thuật toán mã hóa phức tạp khi được phân tích trên nền số học mô-đun thì trở nên đơn giản vô cùng. Trong số học mô-đun, các số đang được xử lý chỉ là các số nguyên và các phép toán được sử dụng là cộng, trừ, nhân và chia. Trong số học mô-đun, tất cả các hoạt động được thực hiện đều liên quan đến số nguyên dương.
8. Thuật toán phân tích cú pháp và xâu ký tự
Quy trình tạo xâu tương ứng luôn đóng vai trò quan trọng, đặc biệt là với miền và phần tử mạng. Thuật toán xâu ký tự sẽ phát huy tối đa khả năng trong tình huống mà các xâu phải khớp trong một chuỗi dài và khi xác nhận chuỗi bằng cách phân tích cú pháp qua giới hạn được xác định trước. Loại thuật toán này thường được sử dụng trong phát triển web URL.
9. Thuật toán biến đổi Fourier
Thuật toán biến đổi Fourier được biết đến là một loại thuật toán đơn giản nhưng rất mạnh. Thuật toán này được sử dùng với mục đích: chuyển đổi tín hiệu từ tên miền thời gian->miền tần số và tương tự từ miền tần số sang miền thời gian. Hiện tại, các mạng kỹ thuật số như wifi, internet, máy tính hay điện thoại, bộ định vị hay vệ tinh cũng đều sử dụng thuật toán Fourier để vận hành.
Biến đổi Fourier nhanh là một thuật toán tính toán biến đổi Fourier rời rạc của một chuỗi hoặc nghịch đảo của nó. Phân tích Fourier chuyển đổi tín hiệu từ miền ban đầu của nó (thường là thời gian hoặc không gian) thành biểu diễn trong miền tần số và ngược lại. DFT thu được bằng cách phân tách một chuỗi các giá trị thành các thành phần có tần số khác nhau.
[1] Fourier mang lại lợi ích trong nhiều lĩnh vực, nhưng việc tính toán trực tiếp từ định nghĩa thường quá chậm để thực tế hóa. Một FFT nhanh chóng tính toán các phép biến đổi như vậy bằng cách phân tích ma trận DFT thành một tích của các thừa số thưa thớt (hầu hết bằng 0).
[2] Do đó, nó quản lý để giảm độ phức tạp của việc tính toán DFT từ {\textstyle O\left(N^{2}\right)}{\textstyle O\left(N^{2}\right)}. Điều này phát sinh nếu người ta chỉ đơn giản áp dụng định nghĩa của DFT, cho {\textstyle O(N\log N)}{\textstyle O(N\log N)}, trong đó {\displaystyle N}N là kích thước dữ liệu.
Sự khác biệt về tốc độ có thể rất lớn, đặc biệt đối với các tập dữ liệu dài trong đó N có thể lên tới hàng nghìn hoặc hàng triệu. Khi có lỗi làm tròn, nhiều thuật toán FFT chính xác hơn nhiều so với việc đánh giá trực tiếp hoặc gián tiếp định nghĩa DFT. Có nhiều thuật toán FFT khác nhau dựa trên nhiều lý thuyết đã được công bố, từ số học số phức đơn giản đến lý thuyết nhóm và lý thuyết số.
10. Thuật toán mã hóa Huffman
Mã hóa Huffman là một thuật toán nén dữ liệu không mất dữ liệu. Trong thuật toán này, một mã có độ dài không cố định được gán để nhập các ký tự khác nhau. Độ dài mã có liên quan đến tần suất sử dụng các ký tự. Các ký tự thường xuyên nhất có mã nhỏ nhất và mã dài hơn cho các ký tự ít thường xuyên nhất.
Người đầu tiên tạo cây Huffman và người khác duyệt qua cây để tìm mã. Ví dụ: xét một số chuỗi “YYYZXXYYX”, tần suất của ký tự Y lớn hơn X và ký tự Z có tần suất ít nhất. Vì vậy, độ dài của mã cho Y nhỏ hơn X và mã cho X sẽ nhỏ hơn Z. Độ phức tạp của việc gán mã cho từng ký tự theo tần suất của chúng là O(n log n)
11. Thuật toán các tập không giao nhau
Hai tập hợp được gọi là tập hợp không giao nhau nếu chúng không có phần tử chung nào, giao của các tập hợp là tập hợp rỗng. Một cấu trúc dữ liệu lưu trữ tập hợp con không chồng chéo hoặc rời rạc của các phần tử được gọi là cấu trúc dữ liệu tập hợp rời rạc.
Cấu trúc dữ liệu tập hợp rời rạc hỗ trợ các thao tác sau: Thêm các tập hợp mới vào tập hợp rời rạc, hợp nhất các tập hợp rời rạc thành một tập hợp rời rạc duy nhất bằng thao tác Union, tìm đại diện của một tập hợp rời rạc bằng thao tác Find, kiểm tra xem hai tập hợp có rời nhau hay không.
Một tình huống với một số đối tượng và các nhiệm vụ sau đây sẽ được thực hiện đối với disjoint set: Thêm một mối quan hệ bạn bè mới, tức là một người x trở thành bạn của một người khác y, tức là thêm phần tử mới vào một tập hợp. Tìm xem cá nhân x có phải là bạn của cá nhân y (bạn trực tiếp hay gián tiếp) hay không.
12. Hệ số tích phân
Thuật toán lũy thừa số nguyên là một thuật toán toán cung cấp hướng dẫn chi tiết về cách lấy các thừa số nguyên tố của một số tổng hợp. Thuật toán này giúp giải quyết các vấn đề phức tạp trong các nền tảng mã hóa yêu cầu bạn phải giải quyết các số nguyên phức hợp lớn.
Lời kết
Trên đây, muaban.net đã cung cấp cho bạn đọc cái nhìn đi từ tổng quan đến chi tiết từng loại thuật toán. Bạn đã có cho mình câu trả lời cho câu hỏi “Thuật toán là gì“. Thêm vào đó, thuật toán luôn đòi hòi độ chính xác, minh bạch, khách quan. Thuật toán cũng đòi hỏi tính ứng dụng cao vào đời sống. Bạn đọc có thể thấy cách mà 12 loại thuật toán phổ biến nhất hoạt động như thế nào trong bài viết! Đừng quên truy cập muaban.net thường xuyên nhé!
Xem thêm: Ngôn Ngữ Lập Trình Bậc Cao Là Gì? Đặc điểm Và ưu Nhược điểm
