Chương 1 – Nhập môn lập trình

Các khái niệm căn bản về máy tính và lập trình

1. Mục tiêu

• Giải thích được tổng quan cách hoạt động của máy tính
• Phân biệt được phần cứng và phần mềm
• Liệt kê được một số phần cứng thông dụng
• Liệt kê được một số phần mềm thông dụng
• Biết được vai trò của phần cứng, phần mềm và người dùng
• Trình bày được tổng quan quá trình tạo ra một phần mềm
• Giải thích được vai trò và ý nghĩa của ngôn ngữ lập trình
• Biết được tổng quan quy trình sản xuất một phần mềm
• Phân biệt được các vai trò thông dụng trong một quy trình sản xuất phần mềm
• Giải thích được ý nghĩa của thuật toán
• Mô tả được thuật toán bằng mã giả
• Mô tả được thuật toán bằng lưu đồ
• Cài đặt được phần mềm để bắt đầu viết mã
• Tạo được ứng dụng phần mềm đầu tiên

2. Giới thiệu

Trong chương đầu tiên của cuốn sách, chúng ta sẽ tìm hiểu về những khái niệm căn bản nhất về thế giới máy tính và lập trình. Đây là những khái niệm cơ bản nhất, cần thiết nhất trước khi bắt đầu viết những dòng mã đầu tiên. Chúng ta sẽ tìm hiểu về những khái niệm liên quan đến máy tính, phần mềm, người dùng, công việc sản xuất phần mềm, các bước để làm ra phần mềm. Cuối cùng, chúng ta sẽ cài đặt môi trường và chuẩn bị cho việc tạo ra một phần mềm đầu tiên.

Kết thúc chương này, chúng ta có thể bắt tay vào viết được những dòng mã đầu tiên để tạo ra các phần mềm.

3. Máy tính hoạt động như thế nào?

3.1. Định nghĩa máy tính

Thuật ngữ máy tính thường được sử dụng để chỉ đến các thiết bị điện tử có khả năng xử lý dữ liệu và chuyển đổi dữ liệu thành những thông tin hữu ích. Máy tính có được các khả năng này là nhờ sự kết hợp giữa các vi mạch điện tử và các tập lệnh do các lập trình viên tạo nên.

Có thể phân loại máy tính theo nhiều tiêu chí khác nhau, chẳng hạn như về mục đích sử dụng, kích thước, cấu tạo hoặc công nghệ. Một số loại máy tính thường được nhắc đến là: Máy tính tính lớn (mainframe), máy tính nhỏ (minicomputer), siêu máy tính (supercomputer), máy vi tính (microcomputer) hoặc máy tính cá nhân (personal computer), máy tính xách tay (laptop). Các thiết bị như điện thoại thông minh (smart phone) hoặc đồng hồ thông minh (smart watch) cũng là một dạng máy tính.

Thông thường, khi người ta nói đến một hệ thống máy tính thì bao gồm 3 thành phần là: Phần cứng, Phần mềm và Người dùng.

3.2. Phần cứng

Các thành phần vật lý kiến tạo lên máy tính được gọi là phần cứng. Phần cứng là bất cứ bộ phận nào của máy tính mà bạn có thể chạm tay vào được. Phần cứng máy tính bao gồm các thiết bị điện tử tích hợp với nhau được sử dụng để điều khiển các hoạt động nhập xuất và xử lí của máy tính. Một số phần cứng cơ bản bao gồm bộ nguồn điện, CPU (Central Processing Unit – Bộ xử lý trung tâm), RAM (Random Access Memory – Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên), motherboard(bảng mạch chính, còn gọi là mainboard), một số cạc mở rộng, thiết bị ngoại vivà các thành phần khác.

• Bảng mạch chính (motherboard): Là bảng mạch quan trọng nhất, có nhiệm vụ kết nối các thành phần khác lại với nhau để hoạt động trong một thể thống nhất
• CPU – Bộ xử lý trung tâm: Có thể coi như bộ não của máy tính; thiết bị này tổ chức và thực hiện các chỉ thị của người dùng hoặc phần mềm
• Bộ nhớ: Là một bảng mạch điện tử nhỏ bên trong máy tính. Khi bạn chạy chương trình trên máy tính, nó sẽ được nạp vào bộ nhớ và chạy từ đó. Bộ nhớ được phân thành hai loại là bộ nhớ sơ cấp và bộ nhớ thứ cấp.  Bộ nhớ sơ cấp còn được gọi là bộ nhớ chính. Chúng bao gồm RAM (Random Access Memory – Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên) hoặc ROM (Read-Only Memory – Bộ nhớ chỉ đọc). Bộ nhớ thứ cấp đề cập tới các bộ lưu trữ trong hoặc ngoài được sử dụng cho các dữ liệu bền vững như đĩa mềm, ổ băng từ, đĩa quang (CD) hoặc ổ USB, v.v.

• Thiết bị đầu vào: Cho phép nhận dữ liệu và các chỉ thị từ người dùng hoặc từ hệ thống máy tính khác. Chẳng hạn như: bàn phím, chuột, đầu đọc đĩa CD, camera, màn hình cảm ứng, v.v.
• Thiết bị đầu ra: Cho phép hiển thị kết quả thực thi các mệnh lệnh. Chẳng hạn như: màn hình, máy in, loa, máy chiếu, v.v.

3.3. Phần mềm

Phần mềm máy tính là tập hợp các chương trình máy tính và các dữ liệu có liên quan để cung cấp cho máy tính các chỉ dẫn cần thiết về những gì mà nó phải thực hiện. Trái ngược hẳn với phần cứng, phần mềm là một thứ vô hình, chúng ta không thể chạm được vào nó. Bạn có thể liên tưởng rằng máy tính như một thực thể sống với phần xác (đó là phần cứng) và phần hồn (đó là phần mềm). Với phần cứng, bạn có thể lắp ráp thành một máy tính. Tuy nhiên, máy tính cần phải có phần mềmđểthực hiện các nhiệm vụ của mình.

Phần mềm máy tính có thể phân ra thành một số loại chính như phần mềm hệ thống, phần mềm ứng dụng và phần mềm lập trình.

• Phần mềm hệ thống, là những phần mềm máy tính được thiết kế để vận hành các thiết bị phần cứng và cung cấp, duy trì một nền tảng để chạy các phần mềm ứng dụng. Chẳng hạn như: Hệ điều hành, phần mềm diệt vi-rút, phần mềm quản lí mạng cho máy tính, v.v.
• Phần mềm ứng dụng, (hoặc còn gọi tắt là ứng dụng) được thiết kế để giúp người dùng thực hiện một hay nhiều các công việc cụ thể nào đó. Ví dụ như các phần mềm doanh nghiệp, phần mềm kế toán, bộ phần mềm văn phòng, phần mềm xử lý ảnh và các phần mềm nghe nhạc, xem video, v.v.
• Phần mềm lập trình, những phần mềm này giúp các lập trình viên máy tính tạo ra các phần mềm khác. Ví dụ như phần mềm để viết mã nguồn, phần mềm để biên dịch, phần mềm để cài đặt, v.v.

3.4. Hệ điều hành

Hệ điều hành là một dạng phần mềm đặc biệt, trực tiếp được cài đặt lên các phần cứng để điều khiển chúng, cung cấp môi trường để các phần mềm khác có thể hoạt động, và đồng thời cũng cung cấp môi trường để người dùng tương tác với máy tính.

Có rất nhiều các hệ điều hành khác nhau được sử dụng cho các hệ thống máy tính, có thể kể đến như: Microsoft Windows, MacOS, các dòng Linux khác nhau (như Ubuntu, Debian, CentOS, Fedora…). Ngoài ra, còn có các hệ điều hành dành riêng cho các thiết bị di động, chẳng hạn như: Android, iOS, Windows Phone… Thậm chí, ngày nay, một số đơn vị đã nghĩ đến việc hợp nhất các hệ điều hành cho máy tính cá nhân với các hệ điều hành dành cho các thiết bị di động để gia tăng tính tương thích.

3.5. Người dùng

Những người sử dụng máy tính để làm các công việc cụ thể nào đó được gọi là Người dùng (User). Do máy tính chỉ là các công cụ, cho nên chúng cần phải có người điều khiển thì mới đem lại các lợi ích cụ thể. Người dùng có thể được phân loại là power user (Người dùng quyền lực), đó là những người dùng hiểu biết về hệ thống máy tính, hoặc end user (Người dùng cuối), đó là những người dùng không cần có quá nhiều hiểu biết về máy tính, mà chỉ cần học cách sử dụng các phần mềm đã được tạo sẵn để xử lý các nghiệp vụ hằng ngày.

3.6. Dữ liệu

Hầu hết các máy tính ngày nay đều sử dụng hệ thống số nhị phân, bao gồm 2 giá trị là 0 và 1. Ngoại trừ một số máy tính rất đặc biệt khác, có thể có các dạng dữ liệu khác, chẳng hạn như máy tính lượng tử. Ở trong máy tính, có thể sử dụng một số cơ chế khác nhau để biểu diễn giá trị 0 và 1, chẳng hạn cơ chế quang học (ánh xạ thì là 1, không ánh xạ là 0), cơ chế từ trường (nam thì 0, bắc thì 1), cơ chế hiệu điện thế (0 là 0, khác 0 là 1)….

Dữ liệu bao gồm các sự việc độc lập hoặc các mẩu thông tin, bản thân chúng thường không mang lại ý nghĩa cho con người. Máy tính đọc và lưu trữ dữ liệu ở dạng như văn bản, số liệu, hình ảnh hoặc âm thanh dưới cùng một dạng đó là các con số. Do đó, dữ liệu máy tính là dữ liệu số, nghĩa là chúng được tối giản xuống thành số. Nhìn chung, nghiệp vụ tính toán quan trọng nhất của máy tính là tập hợp dữ liệu (được gọi là đầu vào – input), xử lý chúng thành các dữ liệu đầu ra (output) hữu ích cho con người.

Mỗi một giá trị 0 hoặc 1 khi lưu trữ trong bộ nhớ thì được gọi là 1 bit. Một nhóm 8 bit thì được gọi là 1 byte. Và sau đó, còn có các đơn vị khác lớn hơn để biểu diễn độ lớn của dữ liệu, chẳng hạn như: kilobyte (KB), megabyte (MB), gigabyte (GB), terabyte (TB)… Bảng chuyển đổi giữa các đơn vị đo lường bộ nhớ được mô tả dưới đây:

4. Phần mềm được tạo ra như thế nào?

Phát triển phần mềm là một công việc bao gồm rất nhiều hoạt động khác nhau, đòi hỏi sự cộng tác, hợp tác giữa nhiều người với nhiều kỹ năng khác nhau. Có thể hình dung một cách đơn giản thì công việc này bao gồm các hoạt động như Định nghĩa yêu cầu, Thiết kế phần mềm, Lập trình, Sử dụng.

• Định nghĩa yêu cầu: Tìm hiểu, phân tích để nắm rõ nhu cầu của người dùng về phần mềm mà mình sắp phát triển.
• Thiết kế phần mềm: Dựa trên các thông tin đã thu thập được, chúng ta phân tích và đưa ra các cách để xử lý vấn đề của người dùng thông qua các tính năng của phần mềm.
• Lập trình: Dựa trên bản thiết kế về các tính năng đã có, người lập trình viên sẽ viết ra các dòng lệnh để biến bản thiết kế đó trở thành một phần mềm có thể chạy thực sự.
• Sử dụng: Sau khi phần mềm đã hoàn tất thì nó được bàn giao cho người dùng để xử lý các tác vụ mà trước đó đã định nghĩa.

Trên đây, chúng ta chỉ mới liệt kê các công đoạn chính để làm ra một phần mềm. Trong thực tế, có thể có thêm rất nhiều các công đoạn khác, hoặc là cách sắp xếp các công việc khác, tuỳ thuộc vào quy trình phát triển phần mềm của nhóm hoặc tổ chức.

5. Ngôn ngữ lập trình

Ngôn ngữ lập trình là công cụ để lập trình viên viết ra các chỉ dẫn cho máy tính thực thi. Có thể hiểu ngôn ngữ lập trình như là một cách để giao tiếp giữa lập trình viên và máy tính. Ngôn ngữ lập trình được sử dụng để tạo ra các phần mềm.

Các ngôn ngữ lập trình quy định các chỉ dẫn, dựa vào đó lập trình viên sẽ sắp xếp chúng để tạo ra các chỉ dẫn có ý nghĩa. Một ví dụ để minh hoạ cho ý nghĩa của ngôn ngữ lập trình: Nếu chúng ta có các chỉ dẫn ĐI THẲNG, RẼ TRÁI, RẼ PHẢI thì chúng ta sẽ sắp xếp các chỉ dẫn đó để đưa được chú ong ở bản đồ sau đi đến được vị trí của bông hoa.

Chẳng hạn, các chỉ dẫn có thể là:

• RẼ PHẢI – ĐI THẲNG – ĐI THẲNG
• ĐI THẲNG – ĐI THẲNG – RẼ PHẢI
• ĐI THẲNG – RẼ PHẢI – ĐI THẲNG

Ngày nay, có hàng trăm, thậm chí hàng nghìn ngôn ngữ lập trình khác nhau. Có những ngôn ngữ lập trình thông dụng như: Java, JavaScript, PHP, C#, Python, Ruby… và cũng có nhiều ngôn ngữ lập trình rất chuyên biệt, chỉ sử dụng để xử lý những tình huống đặc thù nào đó. Mỗi ngôn ngữ lập trình đều có những đặc điểm riêng, phù hợp với những tình huống khác nhau, do đó việc lựa chọn ngôn ngữ lập trình phù hợp với một tình huống cụ thể cũng là một nhiệm vụ của lập trình viên.

Trong cuốn sách này, chúng ta sẽ sử dụng ngôn ngữ lập trình JavaScript để viết các phần mềm. Nên nhớ rằng, khi học lập trình, ngôn ngữ lập trình chỉ là một công cụ chứ không phải là toàn bộ những gì chúng ta cần học. Khi học lập trình, điều quan trọng nhất là chúng ta cần học tư duy lập trình, tư duy giải quyết vấn đề bằng các chỉ dẫn. Khi nắm được tư duy lập trình rồi thì chúng ta hoàn toàn có thể sử dụng một số ngôn ngữ khác nhau để tạo ra phần mềm. Điều này có nghĩa là, sau một thời gian lập trình thì việc học thêm các ngôn ngữ khác là một việc khá dễ dàng, hầu hết các lập trình viên ngày nay đều thuần thục một vài ngôn ngữ lập trình chứ không chỉ sử dụng một ngôn ngữ duy nhất.

6. Quy trình tạo ra một phần mềm

Để tạo ra một phần mềm, cần có sự cộng tác giữa rất nhiều người, sử dụng và chia sẻ các tài nguyên trong một khoảng thời gian, do đó việc đưa ra các quy trình làm việc là cần thiết.

Thời kỳ đầu, khi mới xuất hiện máy tính và phần mềm, các phần mềm thường nhỏ và đơn giản. Nhưng ngày nay, các hệ thống phần mềm thường rất lớn, đòi hỏi rất nhiều công sức để phát triển. Do đó, rất khó để một lập trình viên có thể hoàn thành được hết các công việc trong một khoảng thời gian cần thiết. Các phần mềm thường được sản xuất bởi các nhóm, hoặc nhiều nhóm cộng tác với nhau. Để cho việc cộng tác giữa các cá nhân và các nhóm được diễn ra thuận lợi thì chúng ta thiết lập các quy trình.

Quy trình là gì? Quy trình được hiểu đơn giản là các quy định về trình tự các bước để làm việc. Ai làm việc gì? Vào lúc nào? Sử dụng công cụ gì? Tiêu chuẩn gì?…

Có nhiều dạng quy trình khác nhau được sử dụng trong các nhóm phần mềm, có thể liệt kê như: Thác nước (Waterfall), Xoắn ốc (Spiral), Scrum… Trong những năm gần đây, triết lý Agile và các phương pháp của nó đã được truyền bá và trở nên rất thông dụng.

7. Các vai trò trong lập trình

Có nhiều người tham gia vào trong quá trình làm ra các phần mềm, họ sẽ đóng các vai trò khác nhau và thực hiện các công việc khác nhau. Sau đây là danh sách một số các vai trò thường thấy:

• Kỹ sư phần mềm (Software Engineer): Còn được biết đến với các tên gọi tương tự như: Kiến trúc sư phần mềm, Kỹ sư hệ thống. Kỹ sư phần mềm là người thiết kế và lập trình phần mềm ở mức hệ thống. Kỹ sư phần mềm là người hiểu các chức năng của hệ thống, trao đổi với khách hàng để xác định các chức năng của hệ thống đang xây dựng. Kỹ sư phần mềm là người giao tiếp nhiều và đồng thời cũng có nền tảng kỹ thuật và các kỹ năng lập trình tốt.
• Chuyên gia phân tích hệ thống (Systems Analyst): Còn được biết đến với các tên gọi như: Chuyên gia sản phẩm, Kỹ sư hệ thống, Chuyên gia giải pháp, Nhà thiết kế kỹ thuật. Chuyên gia Phân tích Hệ thống là người nghiên cứu và phân tích các vấn đề nghiệp vụ để sau đó đưa ra các thiết kế hệ thống thông tin nhằm cung cấp giải pháp, việc này thường xuất phát từ yêu cầu từ các bộ phận kinh doanh hoặc từ khách hàng. Chuyên gia Phân tích Hệ thống thu thập các yêu cầu và xác định chi phí cũng như thời gian cần thiết để triển khai dự án. Công việc này đòi hỏi việc kết hợp giữa các kỹ năng nghiệp vụ và kiến thức kỹ thuật, đồng thời phải giao tiếp tốt với các bên.
• Chuyên gia phân tích nghiệp vụ (Business Analyst): Còn được biết đến với các tên gọi: Kiến trúc sư nghiệp vụ, Chuyên gia thông tin. Chuyên gia Phân tích Nghiệp vụ là người đóng vai trò trung gian quan trọng, làm việc với cả đội ngũ kỹ thuật, các cấp quản lý và với người dùng cuối. Chuyên gia Phân tích Nghiệp vụ là người đưa ra các cải tiến về quy trình và hoạt động nghiệp vụ thông qua việc sử dụng các công nghệ kỹ thuật. Vai trò này được xác định theo từng dự án, bắt đầu bằng việc phân tích các nhu cầu của khách hàng, thu thập và tài liệu hoá các yêu cầu, lập kế hoạch để xây dựng thiết kế cho giải pháp công nghệ. Chuyên gia Phân tích Nghiệp vụ cần phải có hiểu biết về công nghệ, tuy nhiên không nhất thiết phải là một chuyên gia công nghệ.
• Chuyên viên Hỗ trợ Kỹ thuật (Technical Support): Còn được biết đến với các tên gọi: Nhân viên hỗ trợ, quản lý vấn đề. Chuyên viên Hỗ trợ Kỹ thuật là người giải quyết các vấn đề trong quá trình hoạt động của các hệ thống. Nhiều chuyên gia hỗ trợ kỹ thuật làm việc trong các công ty sản xuất và cung cấp phần cứng, và cũng có nhiều chuyên gia hỗ trợ kỹ thuật ở các doanh nghiệp nhằm hỗ trợ, theo dõi và bảo trì các hệ thống được sử dụng hằng ngày. Nhiều công việc đòi hỏi các chuyên gia với nền tảng và kinh nghiệm kỹ thuật tốt.
• Kỹ sư mạng (Network Engineer): Còn biết đến với tên gọi: Kỹ sư phần cứng, Chuyên gia mạng. Kỹ sư mạng là một trong các công việc rất cần thiết trong ngành IT, là người thực hiện các thao tác cài đặt, quản trị, duy trì và nâng cấp các hệ thống giao tiếp, xử lý các vấn đề liên quan đến mạng lưới trong các công ty. Kỹ sư mạng cũng là người chịu trách nhiệm về bảo mật, lưu trữ dữ liệu và các chiến lược khôi phục nếu có sự cố xảy ra.
• Quản lý Dự án (Project Manager): Còn biết đến với tên gọi: Trưởng dự án. Quản lý Dự án là người tổ chức các nhóm phát triển, phân bố thời gian và tài nguyên để đảm bảo các dự án đạt được các yêu cầu về chức năng, đúng thời gian và nằm trong ngân sách cho phép. Quản lý Dự án điều phối tất cả các hoạt động từ khi mới bắt đầu dự án cho đến khi kết thúc. Vai trò này đòi hỏi kinh nghiệm và nền tảng vững chắc về kỹ thuật cũng như các kỹ năng mềm để làm việc tốt với các nhóm phát triển và các nhà quản lý cấp cao.
• Nhà phát triển (Developer): Còn được biết đến với các tên gọi: Lập trình viên, Nhân viên viết mã. Nhà phát triển là người trực tiếp tạo ra phần mềm thông qua viêc sử dụng các ngôn ngữ lập trình và các công cụ hỗ trợ. Nhà phát triển thường làm việc cộng tác trong các nhóm để đảm bảo các tính năng của sản phẩm được xây dựng và đáp ứng được các yêu cầu như thiết kế ban đầu. Vai trò này đòi hỏi kiến thức và kỹ năng tốt về công nghệ, công cụ và các ngôn ngữ lập trình.
• Kiểm thử viên Phần mềm (Software Tester): Còn được biết đến với tên gọi: Kiểm thử viên, Nhân viên kiểm thử. Kiểm thử viên phần mềm là người tham gia vào công tác đảm bảo chất lượng phần mềm thông qua việc phát hiện các lỗi tiềm tàng và hỗ trợ nhóm phát triển trong việc xử lý các lỗi. Kiểm thử viên phần mềm thực hiện các thao tác phân tích nghiệp vụ, lập kế hoạch kiểm thử, viết các kịch bản kiểm thử, thực thi các ca kiểm thử và viết các báo cáo kiểm thử.
• Chủ Sản phẩm (Product Owner): Còn được biết đến với các tên gọi: Quản lý sản phẩm. Chủ sản phẩm là người chịu trách nhiệm xác định và đảm bảo các chức năng của hệ thống. Chủ sản phẩm tìm hiểu và nghiên cứu các yêu cầu của người dùng cuối, đưa ra các giải pháp để đáp ứng được các yêu cầu, quản lý tiến độ và chất lượng của các chức năng trong suốt quá trình phát triển. Chủ sản phẩm là người có hiểu biết về thị trường, về các hệ thống phần mềm và sử dụng các công cụ quản lý sản phẩm và quản lý dự án.
• ScrumMaster (ScrumMaster): ScrumMaster là người chịu trách nhiệm trong việc đảm bảo các nhóm Scrum hoạt động tốt và chuyển giao được sản phẩm chất lượng cao. ScrumMaster nắm rõ khung làm việc Scrum, các kỹ thuật phát triển và là người làm việc thường xuyên với nhóm phát triển. ScrumMaster có thể là người am hiểu về công nghệ hoặc không.

Xem tiếp: Chương 1 – Thuật toán

Có thể bạn quan tâm: Giới thiệu – Cẩm nang lập trình căn bản cho người mới bắt đầu