Thuật toán là gì? 12 thuật toán trong lập trình phổ biến hiện nay

Thuật toán là gì và vì sao khái niệm này lại xuất hiện gần như ở mọi tài liệu học lập trình? Dù bạn là người mới bắt đầu học code hay đã từng viết chương trình, thuật toán vẫn là nền tảng quyết định chương trình chạy nhanh hay chậm, hiệu quả hay lãng phí tài nguyên. Hiểu đơn giản, thuật toán chính là cách máy tính suy nghĩ để giải quyết một bài toán.

Trong bài viết này, bạn sẽ hiểu rõ thuật toán là gì, vai trò của thuật toán trong lập trình và các thuật toán trong lập trình phổ biến mà lập trình viên nào cũng cần nắm. Nội dung được trình bày theo cách dễ hiểu, có ví dụ thực tế, phù hợp cho người mới học nhưng vẫn đủ hệ thống để xây dựng tư duy thuật toán bền vững.

Thuật toán là gì?

Thuật toán là một tập hợp hữu hạn các bước rõ ràng, được sắp xếp theo một trình tự logic nhằm giải quyết một bài toán cụ thể. Mỗi bước trong thuật toán đều có vai trò nhất định và được thực hiện theo thứ tự xác định để đưa dữ liệu đầu vào đến kết quả đầu ra mong muốn.

Các bước của thuật toán có thể được con người thực hiện bằng suy luận logic, hoặc được máy tính xử lý thông qua chương trình. Trong thực tế, trước khi viết bất kỳ dòng code nào, lập trình viên cần xác định rõ thuật toán để đảm bảo chương trình hoạt động đúng và hiệu quả.

Trong lập trình, thuật toán đóng vai trò như bản thiết kế tư duy, còn code chỉ là công cụ để hiện thực hóa bản thiết kế đó bằng ngôn ngữ lập trình như C++, Python hay Java. Một chương trình có thể chạy được mà không báo lỗi, nhưng nếu thuật toán không phù hợp, chương trình có thể chạy chậm, tiêu tốn nhiều bộ nhớ hoặc không xử lý được khi dữ liệu tăng lớn.

Hãy tưởng tượng bài toán là “đi từ điểm A đến điểm B”. Thuật toán chính là cách bạn lựa chọn con đường phù hợp. Có con đường ngắn nhất nhưng đông xe, có con đường dài hơn nhưng an toàn, và cũng có con đường nhanh nhất nếu bạn hiểu rõ địa hình. Code chỉ giống như phương tiện di chuyển, còn thuật toán mới là yếu tố quyết định bạn đến nơi hiệu quả hay không.

Chính vì vậy, hiểu rõ thuật toán là gì không chỉ giúp bạn viết được chương trình chạy đúng, mà còn giúp bạn viết chương trình tối ưu, bền vững và dễ mở rộng trong thực tế.

Thuật toán khác gì với chương trình?

Nhiều người mới học lập trình thường nhầm lẫn giữa thuật toán và chương trình. Thực tế, đây là hai khái niệm liên quan chặt chẽ nhưng không giống nhau.

Thuật toán là ý tưởng giải quyết vấn đề. Nó mô tả cách xử lý một bài toán thông qua các bước logic, không phụ thuộc vào ngôn ngữ lập trình cụ thể.

Trong khi đó, chương trình là mã lệnh cụ thể được viết bằng một ngôn ngữ lập trình để máy tính có thể hiểu và thực thi thuật toán đó. Chương trình chịu ràng buộc bởi cú pháp, thư viện và môi trường thực thi.

Một thuật toán có thể được cài đặt bằng nhiều ngôn ngữ khác nhau như C++, Python hay Java. Nhưng mỗi chương trình chỉ là một cách hiện thực hóa duy nhất của thuật toán trong một ngôn ngữ cụ thể. Nếu thuật toán sai, dù code có đúng cú pháp đến đâu, kết quả vẫn không đạt yêu cầu.

Đặc điểm của một thuật toán tốt

Không phải thuật toán nào cũng mang lại hiệu quả cao trong thực tế. Một thuật toán tốt thường có những đặc điểm quan trọng sau:

• Có số bước hữu hạn và rõ ràng, tránh các vòng lặp vô hạn
• Giải quyết đúng bài toán đặt ra, cho kết quả chính xác
• Có khả năng mở rộng khi dữ liệu lớn hơn, không bị giảm hiệu suất nghiêm trọng
• Tiết kiệm thời gian và bộ nhớ, giúp chương trình chạy nhanh và ổn định

Trong lập trình thực tế, việc lựa chọn thuật toán phù hợp quan trọng không kém việc viết code đúng cú pháp. Hai chương trình có thể cho cùng một kết quả, nhưng chương trình sử dụng thuật toán tốt hơn sẽ chạy nhanh hơn, ít tốn tài nguyên hơn và dễ bảo trì hơn về lâu dài.

Đây cũng là lý do vì sao thuật toán luôn được xem là nền tảng cốt lõi trong lập trình và khoa học máy tính, đặc biệt với những ai muốn phát triển lâu dài trong ngành công nghệ thông tin.

Vì sao thuật toán quan trọng trong lập trình?

Thuật toán là nền tảng của mọi hoạt động trong lập trình, từ những chương trình xử lý dữ liệu đơn giản đến các hệ thống phức tạp như công cụ tìm kiếm, mạng xã hội hay trí tuệ nhân tạo. Bất kỳ phần mềm nào cũng cần thuật toán để quyết định cách dữ liệu được xử lý và kết quả được tạo ra.

Khi bạn hiểu rõ thuật toán là gì, bạn sẽ biết cách chia nhỏ vấn đề, sắp xếp các bước xử lý hợp lý và tránh viết những đoạn code dư thừa, khó bảo trì. Thay vì chỉ tập trung vào cú pháp, bạn bắt đầu suy nghĩ theo hướng “giải quyết vấn đề” – đây chính là tư duy cốt lõi của lập trình.

Trong thực tế, hai chương trình có thể cho ra cùng một kết quả, nhưng chương trình sử dụng thuật toán tốt hơn sẽ chạy nhanh hơn, tiêu tốn ít tài nguyên hơn và dễ mở rộng khi dữ liệu tăng. Đó là lý do thuật toán có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và chất lượng của phần mềm.

Một lập trình viên giỏi không phải là người thuộc nhiều cú pháp hay framework, mà là người biết chọn đúng thuật toán cho từng tình huống cụ thể. Khi thuật toán đúng, việc viết code trở nên đơn giản và hiệu quả hơn rất nhiều.

Thuật toán giúp giải quyết bài toán như thế nào?

Trong thực tế, mỗi bài toán lập trình đều có thể có nhiều cách giải khác nhau. Thuật toán giúp bạn lựa chọn cách giải phù hợp nhất dựa trên yêu cầu của bài toán và điều kiện dữ liệu.

Cụ thể, thuật toán giúp bạn:

• Phân tích bài toán theo logic rõ ràng
• Xác định các bước xử lý hợp lý và có thứ tự
• Giảm độ phức tạp khi dữ liệu tăng lên

Ví dụ, với bài toán tìm một số trong danh sách 1 triệu phần tử, nếu sử dụng thuật toán tìm kiếm tuyến tính, chương trình sẽ phải kiểm tra từng phần tử và mất rất nhiều thời gian. Trong khi đó, nếu áp dụng thuật toán tìm kiếm nhị phân trên danh sách đã sắp xếp, số lần so sánh giảm đi đáng kể, giúp chương trình chạy nhanh hơn nhiều.

Qua ví dụ này, có thể thấy thuật toán không chỉ giúp chương trình chạy đúng, mà còn quyết định chương trình chạy nhanh hay chậm, đặc biệt khi làm việc với dữ liệu lớn.

Mối quan hệ giữa thuật toán và cấu trúc dữ liệu

Thuật toán và cấu trúc dữ liệu luôn đi cùng nhau trong lập trình. Cấu trúc dữ liệu quyết định cách dữ liệu được lưu trữ và tổ chức, còn thuật toán quyết định cách dữ liệu đó được xử lý.

Mỗi loại cấu trúc dữ liệu thường đi kèm với các thuật toán phù hợp, chẳng hạn:

• Danh sách → thuật toán tìm kiếm, thuật toán sắp xếp
• Đồ thị → thuật toán tìm đường, thuật toán Dijkstra
• Cây → thuật toán duyệt cây, tìm kiếm trong cây

Nếu chọn cấu trúc dữ liệu không phù hợp, dù thuật toán có tốt đến đâu, chương trình vẫn khó đạt hiệu suất cao. Ngược lại, khi cấu trúc dữ liệu và thuật toán hỗ trợ lẫn nhau, việc xử lý dữ liệu sẽ trở nên hiệu quả và rõ ràng hơn.

Hiểu rõ mối quan hệ này giúp bạn học tốt hơn các thuật toán trong lập trình, đồng thời xây dựng được tư duy hệ thống khi thiết kế chương trình. Đây cũng là bước quan trọng để tiến xa hơn trong lĩnh vực lập trình và khoa học máy tính.

12 thuật toán cơ bản lập trình viên cần biết 

Là một lập trình viên, bạn cần biết những khái niệm dưới đây. Cùng BKNS tìm hiểu xem những thuật toán căn bản dưới đây gồm những gì nhé.

Thuật toán Hashing

Hashing là một trong những 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, mật mã và tra cứu, cụ thể hàm hashing được tích hợp vào khóa và cho ra các giá trị chính xác nhất.

Hàm hashing còn được sử dụng như một định danh duy nhất cho các tập dữ liệu và các phép tính toán cho người dùng để tạo ra các giá trị dữ liệu không trùng lặp. Thường hàm hashing được sử dụng trong các bộ định tuyến để lưu trữ địa chỉ IP.

Thuật toán tìm kiếm

Thuật toán tìm kiếm được áp dụng cho các cấu trúc dữ liệu tuyến tính và cấu trúc dữ liệu đồ họa. Nó còn được gọi là thuật toán tìm kiếm nhị phân và hỗ trợ nhà phát triển tìm kiếm hiệu quả trên các tập dữ liệu đã được sắp xếp, với thời gian phức tạp O(log N).

Thuật toán tìm kiếm nhị phân hoạt động bằng cách chia danh sách ban đầu thành hai nửa liên tiếp cho đến khi tìm thấy mục tiêu cần tìm. Nó cũng được sử dụng để gỡ lỗi, đặc biệt trong việc giải quyết các vấn đề liên quan đến git bisection.

Thuật toán sắp xếp

Các nhà phát triển sử dụng thuật toán QuickSort để sắp xếp dữ liệu theo một cách có tổ chức. Thuật toán QuickSort bao gồm việc so sánh các phần tử dữ liệu với nhau để xác định thứ tự tương ứng của chúng.

Thời gian thực thi của thuật toán QuickSort được đánh giá là O(nlogn), trong đó n là số lượng phần tử cần sắp xếp. Thuật toán này dựa trên kỹ thuật so sánh. Tuy nhiên, có một thuật toán khác là Radix Sort, có khả năng xử lý nhanh hơn QuickSort. Radix Sort sắp xếp các phần tử trong một mô hình tuyến tính và có độ phức tạp thời gian là O(n). Ngoài ra, còn có các thuật toán sắp xếp khác như sắp xếp đếm, sắp xếp hợp nhất và sắp xếp nhóm.

Thuật toán lập trình động

Thuật toán lập trình động thường là một hàm được dùng với mục đích giải quyết các vấn đề phức tạp liên quan đến trí tuệ thông qua quá trình tách các vấn đề thành các bài toán con nhỏ hơn. Sau khi đã giải quyết các bài toán nhỏ, việc thực hiện xây dựng trở lại thành một vấn đề phức tạp đòi hỏi bộ nhớ của các kết quả nhỏ hơn để đưa ra câu trả lời cho vấn đề phức tạp ban đầu sẽ dễ dàng hơn để thực hiện.

Thuật toán trong lập trình có thể tích hợp để ghi nhớ, thông qua đó cho phép lưu trữ các vấn đề đã được giải quyết trước đó. Trường hợp lần tiếp theo xuất hiện thì vấn đề sẽ được giải quyết nhanh hơn rất nhiều.

Thuật toán Dijkstra

Một vấn đề cực kỳ quan trọng khác mà các nhà phát triển làm việc là tìm đường dẫn. Đồ thị hóa một cách cực kỳ linh hoạt để mô tả tất cả các loại vấn đề liên quan đến mạng lưới các đối tượng riêng biệt.

Thuật toán Dijkstra là một cách tìm đường đi nhanh nhất giữa hai nút trong biểu đồ. Nền tảng này khá quen thuộc với hầu hết các công việc được thực hiện trong việc tìm kiếm đường đi và được sử dụng trong mọi thứ, từ trí tuệ nhân tạo đến thiết kế trò chơi.

Thuật toán phân tích liên kết

Thuật toán phân tích liên kết được ứng dụng chủ yếu trong lĩnh vực mạng, nó 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 nhằm 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, Twitter.

Thuật toán Mô-đun

Các thuật toán mã hóa phức tạp nếu được phân tích dựa trên thuật toán mô-đun sẽ trở nên đơn giản và dễ dàng hơn rất nhiều. Đối với số học mô-đun, các thông số hiện tại đang xử lý chỉ là số nguyên và các phép toán chủ yếu được dùng là cộng, trừ, nhân và chia.

Thuật toán phân tích cú pháp và xâu ký tự 

Có thể nói quy trình tạo xâu luôn đặc biệt quan trọng đối với miền và phân tử mạng. Để giúp thuật toán xâu ký tự có thể phát huy hết khả năng thì các xâu phải khớp trong cùng một chuỗi dài hoặc khi xác nhận chuỗi bằng cách phân tích cú pháp qua giới hạn đã được xác định từ trước. Thuật toán phân tích cú pháp và xâu ký tự được dùng chỉ yếu trong quá trình phát triển web cho URL.

Có thể nói quy trình tạo xâu luôn đặc biệt quan trọng đối với miền và phân tử mạng. Để giúp thuật toán xâu ký tự có thể phát huy hết khả năng thì các xâu phải khớp trong cùng một chuỗi dài hoặc khi xác nhận chuỗi bằng cách phân tích cú pháp qua giới hạn đã được xác định từ trước. Thuật toán phân tích cú pháp và xâu ký tự được dùng chỉ yếu trong quá trình phát triển web cho URL.

Thuật toán biến đổi Fourier 

Thuật toán biến đổi Fourier được biết đến là một trong những thuật toán đơn giản nhưng mạnh mẽ. Loại thuật toán lập trình này được dùng để chuyển đổi tín hiệu từ tên miền thời gian sang miền tần số và ngược lại.

Hiện tại, các mạng kỹ thuật số như wifi, internet, máy tính, điện thoại, vệ tinh, bộ định vị đều sử dụng thuật toán biến đổi Fourier để vận hành.

Thuật toán mã hóa Huffman

Mã hóa Huffman là nền tảng của nén văn bản hiện đại. Nó hoạt động bằng cách xem xét tần suất các ký tự khác nhau xuất hiện trong một văn bản và sắp xếp chúng trong 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 như một công cụ hỗ trợ cho việc biểu diễn nhiều tập hợp trong một mảng riêng lẻ. Mỗi phần tử trong mảng đại diện cho một tập hợp riêng biệt.

Cấu trúc dữ liệu này cho phép kết nối các phần tử thuộc cùng một tập hợp thông qua các bộ tách rời. Điều này có thể được áp dụng trong các thuật toán đồ thị hoặc trong việc phân đoạn hình ảnh.

Ví dụ, trong một thuật toán đồ thị, mỗi tập hợp các đỉnh không giao nhau có thể được biểu diễn bằng cách sử dụng cấu trúc dữ liệu này. Nó cho phép các đỉnh trong cùng một tập hợp được liên kết với nhau thông qua các bộ tách rời, giúp tìm kiếm, xử lý và truy xuất dữ liệu một cách hiệu quả.

Tương tự, trong việc phân đoạn hình ảnh, các phần tử liên quan đến cùng một phân đoạn có thể được kết nối bằng cấu trúc dữ liệu này. Điều này giúp quản lý và thao tác trên các phân đoạn ảnh một cách thuận tiện và hiệu quả.

Hệ số tích phân

Thuật toán hệ số tích phân là một thuật toán cung cấp hướng dẫn từng bước cho bạn về cách lấy các thừa số nguyên tố của một số tổng hợp. Hệ số tích phân giúp bạn giải quyết các vấn đề phức tạp trong nền tảng mã hóa yêu cầu bạn phải giải quyết các số nguyên phức hợp lớn.

Trong toán học và tính toán, hệ số tích phân không liên quan đến việc tìm các thừa số nguyên tố của một số tổng hợp. Thay vào đó, hệ số tích phân là một khái niệm trong lĩnh vực tích phân, đo lường mức độ ảnh hưởng của một biến đổi hoặc hàm số trong quá trình tích phân.

Hệ số tích phân xuất hiện trong các công thức tính diện tích, khối lượng, tổng, tích phân xác suất và nhiều ứng dụng khác. Nó giúp xác định tương quan giữa đại lượng biến thiên và quá trình tích phân.

Kết luận

Tóm lại, thuật toán là hạt giống cơ bản cho mọi hoạt động trong lập trình, từ xử lý thông tin đơn giản đến những ứng dụng phức tạp. Chúng là bước đầu tiên trong việc giải quyết vấn đề, giúp chúng ta tạo ra các chương trình hiệu quả và tối ưu. Việc hiểu và áp dụng đúng thuật toán không chỉ giúp tăng cường khả năng giải quyết vấn đề mà còn giúp xây dựng tư duy logic, phản xạ toán học và kỹ năng sáng tạo.

Trên đây là những chia sẻ của BKNS về khái niệm thuật toán là gì? Có những loại thuật toán nào được sử dụng rộng rãi trong quá trình lập trình. Mong rằng từ những chia sẻ trên bạn đọc sẽ hiểu rõ hơn về thuật toán và biết cách ứng dụng thuật toán hiệu quả cho công việc lập trình của mình. Chúc các bạn thành công.

> Đọc thêm:

27 hàm xử lý chuỗi trong PHP phổ biến nhất

Ngôn ngữ PHP là gì? Các hàm thông dụng trong PHP