Kỹ thuật lập trình - Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật lập trình

Nội dung text: Kỹ thuật lập trình - Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật lập trình

1. Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật lập trình
2. Mục tiêu môn học? • Học phần Kỹ thuật lập trình trang bị cho sinh viên những kỹ thuật cơ bản nhất mà một lập trình viên chuyên nghiệp cần phải nắm vững để viết mã nguồn hiệu quả. Các kiến thức giảng dạy góp phần quan trọng giúp sinh viên phát triển được các ứng dụng phần mềm chất lượng cao trong thực tế. • Học phần này trang bị cho sinh viên các kỹ thuật lập trình quan trọng như quản lý bộ nhớ, hàm, kỹ thuật đệ quy, kỹ thuật sử dụng các cấu trúc dữ liệu để giải quyết vấn đề, kỹ thuật viết mã nguồn hiệu quả, kỹ thuật lập trình phòng ngừa, kỹ thuật gỡ rối, tinh chỉnh mã nguồn, phong cách lập trình. Học phần có các buổi thực hành nhằm rèn luyện và nâng cao kỹ năng lập trình của sinh viên. 2
3. Tài liệu học tập [1] Bài giảng trên lớp [2] Trần Đan Thư (2014). Kỹ thuật lập trình. NXB Khoa học và kỹ thuật [3] Mcconnell, Steve (2004). Code Complete: A Practical Handbook of Software Construction, 2d Ed. Redmond, Wa.: Microsoft Press. [4] Kernighan & Plauger (1978). The elements of programming style. McGraw-Hill; 2nd edition [5] Brian W. Kernighan and Rob Pike (1999). The Practice of Programming. Addison-Wesley; 1st Edition [6] Nicolai M. Josuttis. The C++ Standard Library: A Tutorial and Reference (2nd Edition), 2012. 3
4. Đánh giá học phần Tỷ Phương pháp đánh giá CĐR được Điểm thành phần Mô tả trọn cụ thể đánh giá g [1] [2] [3] [4] [5] A1. Điểm quá trình (*) Đánh giá quá trình 40% A1.1. Bài tập về nhà Tự luận M2.1 10% M2.2 A1.2a. Bài tập nhóm Báo cáo M2.3 30% M1.4 A1.2b. Thi giữa kỳ Tự luận và/ M2.1 30% hoặc trắc M2.2 nghiệm M2.3 A2. Điểm cuối kỳ A2.1. Thi cuối kỳ Tự luận và/ M1.2 60% hoặc trắc M1.4 nghiệm M2.2 M2.3 4
5. Tổng quan về lập trình Hoạt động của chương trình máy tính và ngôn ngữ lập trình 5
6. Chương trình máy tính và ngôn ngữ lập trình • Chương trình máy tính: Tập hợp các lệnh chỉ dẫn cho máy tính thực hiện nhiệm vụ • Ngôn ngữ lập trình: Dùng để viết các lệnh, chỉ thị 6
7. Hoạt động của chương trình máy tính • Chương trình máy tính được nạp vào bộ nhớ chính (primary memory) như là một tập các lệnh viết bằng ngôn ngữ mà máy tính hiểu được, tức là một dãy tuần tự các số nhị phân (binary digits). • Tại bất cứ một thời điểm nào, máy tính sẽ ở một trạng thái (state) nào đó. Đặc điểm cơ bản của trạng thái là con trỏ lệnh (instruction pointer) trỏ tới lệnh tiếp theo để thực hiện. • Thứ tự thực hiện các nhóm lệnh được gọi là luồng điều khiển (flow of control). 7
8. Hoạt động của chương trình máy tính • Bắt đầu mỗi chu trình lệnh, CPU nhận lệnh từ bộ nhớ chính. ▫ PC (Program Counter): thanh ghi giữ địa chỉ của lệnh sẽ được nhận ▫ Lệnh được nạp vào thanh ghi lệnh IR (Instruction Register) • Sau khi lệnh được nhận vào, nội dung PC tự động tăng để trỏ sang lệnh kế tiếp 8
9. Ngôn ngữ lập trình • Ngôn ngữ lập trình là một hệ thống các ký hiệu dùng để liên lạc, trao đổi với máy tính nhằm thực thi một nhiệm vụ tính toán. • Có rất nhiều ngôn ngữ lập trình (khoảng hơn 1000), phần lớn là các ngôn ngữ hàn lâm, có mục đích riêng hay phạm vi. 9
10. Ngôn ngữ lập trình Có 3 thành phần căn bản của bất cứ 1 NNLT nào: • Mô thức lập trình là những nguyên tắc chung cơ bản, dùng bởi LTV để xây dựng chương trình. • Cú pháp của ngôn ngữ là cách để xác định cái gì là hợp lệ trong cấu trúc các câu của ngôn ngữ; Nắm được cú pháp là cách để đọc và tạo ra các câu trong các ngôn ngữ tự nhiên, như tiếng Việt, tiếng Anh. Tuy nhiên điều đó không có nghĩa là nó giúp chúng ta hiểu hết ý nghĩa của câu văn. • Ngữ nghĩa của 1 program trong ngôn ngữ ấy. Rõ ràng, nếu không có semantics, 1 NNLT sẽ chỉ là 1 mớ các câu văn vô nghĩa; như vậy semantics là 1 thành phần không thể thiếu của 1 ngôn ngữ. 10
11. Mã máy – Machine code Máy tính chỉ nhận các tín hiệu điện tử - có, không có - tương ứng với các dòng bits. Một chương trình ở dạng đó gọi là mã máy (machine code). 11
12. Hợp ngữ - Assembly Là bước đầu tiên của việc xây dựng cơ chế viết chương trình tiện lợi hơn thông qua các ký hiệu, từ khóa và cả mã máy. Tất nhiên, để chạy được các chương trình này thì phải chuyển thành machine code. 12
13. Ngôn ngữ lập trình bậc cao • Thay vì dựa trên phần cứng (machine-oriented) cần tìm cơ chế dựa trên vấn đề (problem-oriented) để tạo chương trình • Gần gũi với ngôn ngữ tự nhiên hơn, thường sử dụng các từ khóa giống tiếng Anh 13
14. Trình dịch - compiler • Chương trình thực hiện biên dịch toàn bộ chương trình nguồn thành mã máy trước khi thực hiện 14
15. Thông dịch - interpreter • Chương trình dịch và thực hiện từng dòng lệnh của chương trình cùng lúc • Dịch từ ngôn ngữ này sang ngôn ngữ khác, không tạo ra chương trình dạng mã máy hay assembly 15
16. Các mô thức lập trình Programming paradigm 16
17. Ngôn ngữ lập trình bậc cao • Imperative paradigm • Functional paradigm • Logical paradigm • Object-oriented paradigm • Visual paradigm • Parallel paradigm • Concurrent paradigm • Distributed paradigm • Service-oriented paradigm 17
18. Imperative paradigm – hướng mệnh lệnh first do this and next do that Thành phần: • Declarative statements, các lệnh khai báo: cung cấp các tên cho biến. Các biến này có thể thay đổi giá trị trong quá trình thực hiện Chương trình. • Assigment statements, lệnh gán: gán giá trị mới cho biến • Program flow control statements, các lệnh điều khiển cấu trúc chương trình: Xác định trình tự thực hiện các lệnh trong chương trình. • Module: chia chương trình thành các chương trình con: Functions & Procedures 18
19. Functional paradigm – hướng chức năng Thành phần • Tập hợp các cấu trúc dữ liệu và các hàm liên quan • Tập hợp các hàm cơ sở • Tập hợp các toán tử Đặc trưng cơ bản: module hóa chương trình • Chức năng là biểu diễn của một biểu thức • Giải thuật thực hiện theo từng bước • Giá trị trả về là không thể biến đổi • Không thể thay đổi CTDL của giá trị nhưng có thể sao chép các thành phần tạo nên giá trị đó • Tính toán bằng cách gọi các chức năng 19
20. Logic paradigm – hướng logic answer a question via searching for a solution • Ý tưởng: Tự động kiểm chứng trong trí tuệ nhân tạo • Dựa trên các tiên đề - axioms, các quy luật suy diễn - inference rules, và các truy vấn - queries • Chương trình thực hiện từ việc tìm kiếm có hệ thống trong 1 tập các sự kiện, sử dụng 1 tập các luật để đưa ra kết luận 20
21. Object-oriented paradigm – hướng đối tượng send messages between objects to simulate a temporal evolution of a set of real world phenomena • Ý tưởng: Các khái niệm và mô hình tương tác trong thế giới thực • Dữ liệu cũng như các thao tác trên dữ liệu được bao gói trong các đối tượng • Cơ chế che giấu thông tin nội bộ được sử dụng để tránh những tác động từ bên ngoài 21
22. Object-oriented paradigm – hướng đối tượng • Các đối tượng tương tác với nhau qua việc truyền thông điệp, đó là phép ẩn dụ cho việc thực hiện các thao tác trên 1 đối tượng • Trong phần lớn các NNLT HĐT, đối tượng phân loại thành các lớp ▫ Đối tượng trong các lớp có chung các thuộc tính, cho phép lập trình trên lớp, thay vì lập trình trên từng đối tượng riêng lẻ ▫ Lớp đại diện cho các khái niệm còn đối tượng đại diện cho thể hiện ▫ Lớp có tính kế thừa, cho phép mở rộng hay chuyên biệt hóa 22
23. Giới thiệu về ngôn ngữ C++ 23
24. Lịch sử ngôn ngữ C • Ra đời trong những năm 1970, gắn liền với sự phát triển của HĐH Unix. Tác giả: Dennis Ritchie • Mục tiêu: • Đề cao tính hiệu quả • Có khả năng truy xuất phần cứng ở cấp thấp • Ngôn ngữ có cấu trúc (thay cho lập trình bằng hợp ngữ) • C là ngôn ngữ trung gian giữa cấp thấp • Có khả năng truy xuất bộ nhớ trực tiếp • Cú pháp ngắn gọn, ít từ khoá • và cấp cao • Không phụ thuộc phần cứng • Cấu trúc, hàm, khả năng đóng gói • Kiểm tra kiểu dữ liệu 24
25. Lịch sử ngôn ngữ C++ • Ra đời năm 1979 bằng việc mở rộng ngôn ngữ C. Tác giả: Bjarne Stroustrup • Mục tiêu: • Thêm các tính năng mới • Khắc phục một số nhược điểm của C • Bổ sung những tính năng mới so với C: • Lập trình hướng đối tượng (OOP) • Lập trình tổng quát (template) • Nhiều tính năng nhỏ giúp lập trình linh hoạt hơn nữa (thêm kiểu bool, khai báo biến bất kỳ ở đâu, kiểu mạnh, định nghĩa chồng hàm, namespace, xử lý ngoại lệ, ) 25
26. Biên dịch chương trình C/C++ • Là quá trình chuyển đổi từ mã nguồn (do người viết) thành chương trình ở dạng mã máy để có thể thực thi được Mã nguồn Mã biên dịch Trình biên dịch file1.c file1.obj Mã nguồn Mã biên dịch Trình biên dịch file2.c file2.obj Thư viện Trình liên kết Chương trình chạy a.exe 26
27. Biên dịch chương trình C/C++ • Cho phép dịch từng file riêng rẽ giúp: • Dễ phân chia và quản lý từng phần của chương trình • Khi cần thay đổi, chỉ cần sửa đổi file liên quan → giảm thời gian bảo trì, sửa đổi • Chỉ cần dịch lại những file có thay đổi khi cần thiết → giảm thời gian dịch • Các trình biên dịch hiện đại còn cho phép tối ưu hoá dữ liệu và mã lệnh • Một số trình biên dịch thông dụng: MS Visual C++, gcc, Intel C++ Compiler, Watcom C/C++, 27
28. Vào ra trong C++ 28
29. Header file cho I/O trong C++ Header File Miêu tả File này định nghĩa các đối tượng cin, cout, cerr và clog, tương ứng với Standard Input Stream (Luồng đầu vào chuẩn), Standard Output Stream (Luồng đầu ra chuẩn), Un-buffered Standard Error Stream (Luồng lỗi chuẩn không được đệm) và Buffered Standard Error Stream (Luồng lỗi chuẩn được đệm). File này khai báo các dịch vụ hữu ích để thực hiện hoạt động I/O được định dạng với các bộ thao tác luồng được tham số hóa như setw và setprecision. File này khai báo các dịch vụ xử lý file được kiểm soát bởi người dùng. Chúng ta sẽ thảo luận chi tiết về nó trong chương File và Stream trong C++ 29
30. Standard Output Stream (cout) trong C++ • Đối tượng tiền định nghĩa cout là một minh họa của lớp ostream. Đối tượng cout được xem như "được kết nối tới" thiết bị đầu ra chuẩn, thường là màn hình. Đối tượng cout được sử dụng kết hợp với toán tử chèn luồng (insertion operator), được viết là using namespace std; int main( ) { char str[] = "Xin chao C++"; cout << "Gia tri cua str la: " << str << endl; } • Toán tử chèn luồng << có thể được sử dụng nhiều hơn một lần trong một lệnh và endl được sử dụng để them một dòng mới tại cuối dòng đó. 30
31. Standard Input Stream (cin) trong C++ • Đối tượng tiền định nghĩa cin là một minh họa của lớp isrtream. Đối tượng cin được xem như đính kèm với thiết bị đầu vào chuẩn, mà thường là bàn phím. Đối tượng cin được sử dụng kết hợp với toán tử trích luồng (extraction operator), viết là >>, như trong ví dụ sau: #include using namespace std; int main( ) { char ten[50]; cout > ten; cout << "Ten ban la: " << ten << endl; } 31
32. Standard Input Stream (cin) trong C++ • Bộ biên dịch C++ cũng quyết định kiểu dữ liệu của giá trị đã nhập và chọn toán tử trích luồng thích hợp để trích giá trị và lưu giữ nó trong các biến đã cung cấp. • Toán tử trích luồng >> có thể được sử dụng nhiều hơn một lần trong một lệnh. Để yêu cầu nhiều hơn một dữ liệu chuẩn, bạn có thể sử dụng: cin >> ten >> tuoi; Nó tương đương với hai lệnh sau: cin >> ten; cin >> tuoi; 32
33. IDE lập trình • Codeblock: • Link download: Blocks.html?dwl=codeblocks-17.12mingw-setup.exe 33
34. Chu trình phát triển phần mềm 34
35. Chu trình phát triển phần mềm • Program development cycle? ➢ Là các bước mà lập trình viên dùng để xây dựng programs 35
36. Step 1 — Analyze Requirements • Các việc cần làm khi phân tích yêu cầu? 1. Thiết lập các requirements 2. Gặp các nhà phân tích hệ thống và users 3. Xác định input, output, processing, và các thành phần dữ liệu ▪ IPO chart—Xác định đầu vào, đầu ra và các bước xử lý 36
37. Step 2 — Design Solution • Những việc cần làm trong bước thiết kế giải pháp? Object-oriented Hai hướng design tiếp cận Phân chia Structured hệ thống từng design, còn gọi là bước thành top-down design các thủ tục để giải quyết vấn đề LTV bắt đầu với thiết kế Tổng thể rồi đi đến thiết kế chi tiết 37
38. Step 2 — Design Solution • Sơ đồ phân cấp chức năng- hierarchy chart? ➢ Trực quan hóa các modules chương trình ➢ Còn gọi là sơ đồ cấu trúc 38
39. Step 2 — Design Solution • Object-oriented (OO) design là gì? ➢ LTV đóng gói dữ liệu và các thủ tục xử lý dữ liệu trong 1 object ▪ Các objects được nhóm lại thành các classes ▪ Biểu đồ lớp thể hiện trực quan các quan hệ phân cấp quan hệ của các classes 39
40. Step 2 — Design Solution • Cấu trúc rẽ nhánh ➢ Chỉ ra action tương ứng điều kiện ➢ 2 kiểu ▪ Case control structure ▪ If-then-else control structure—dựa theo 2 khả năng: true or false 40
41. Step 2 — Design Solution • Case control structure ➢ Dựa theo 3 hoặc nhiều hơn các khả năng 41
42. Step 2 — Design Solution • Cấu trúc lặp ➢ Cho phép CT thực hiện 1 hay nhiều actions lặp đi lặp lại ▪ Do-while control structure—lặp khi điều kiện còn đúng ▪ Do-until control structure—Lặp cho đến khi điều kiện đúng Do-While Control Structure Do-Until Control Structure 42
43. Step 3 — Validate Design • Những điều cần làm trong giai đoạn này? Kiểm tra LTV kiểm tra độ chính xác logic cho tính đúng đắn của program và thử tìm các lỗi logic Logic error các sai sót khi thiết kế Desk check gây ra những kết quả LTV dùng các dữ liệu không chính xác thử nghiệm để kiểm tra ct Structured walkthrough LTV mô tả logic Test data của thuật toán trong khi các dữ liệu thử nghiệm programming team duyệt theo giống như số liệu thực mà logic chương trình CT sẽ thực hiện 43
44. Step 4 — Implement Design • implementation? ➢ Viết code : dịch từ thiết kế thành program ▪ Syntax—Quy tắc xác định cách viết các lệnh ▪ Comments—program documentation ➢ Extreme programming (XP)—coding và testing ngay sau khi các yêu cầu được xác định 44
45. Step 5 — Test Solution • Những việc cần làm ? Đảm bảo CT chạy thông và cho Debugging—Tìm và sửa các lỗi kq chính xác syntax và logic errors Kiểm tra phiên bản beta, giao cho Users dùng thử và thu thập phản hồi 45
46. Step 6 — Document Solution • Là bước không kém quan trọng ➢ 2 hoạt động Rà soát lại program code—loại bỏ các dead code, tức các lệnh mà ct không bao giờ gọi đến Rà soát, hoàn thiện documentation 46