Đặc trưng của ngôn ngữ lập trình

Cách nhìn kỹ nghệ phần mềm về các đặc trưng của ngôn ngữ lập trình tập trung vào nhu cầu xác định dự án phát triển phần mềm riêng. Mặc dầu người ta vẫn cần các yêu cầu riêng cho chương trình gốc, có thể thiết lập được một tập hợp tổng quát những đặc trưng kỹ nghệ:

1. dễ dịch thiết kế sang chương trình,
2. có trình biên dịch hiệu quả,
3. khả chuyển chương trình gốc,
4. có sẵn công cụ phát triển,
5. dễ bảo trì.

Bước lập trình bắt đầu sau khi thiết kế chi tiết đã được xác định, xét duyệt và sửa đổi nếu cần. Về lý thuyết, việc sinh chương trình gốc từ một đặc tả chi tiết nên là trực tiếp. Dễ dịch thiết kế sang chương trình đưa ra một chỉ dẫn về việc một ngôn ngữ lập trình phản xạ gần gũi đến mức nào cho một biểu diễn thiết kế. Một ngôn ngữ cài đặt trực tiếp cho các kết cấu có cấu trúc, các cấu trúc dữ liệu phức tạp, vào/ra đặc biệt, khả năng thao tác bit, và các kết cấu hướng sự vật sẽ làm cho việc dịch từ thiết kế sang chương trình gốc dễ hơn nhiều (nếu các thuộc tính này được xác định trong thiết kế).

Mặc dầu những tiến bộ nhanh chóng trong tốc độ xử lý và mật độ nhớ đã bắt đầu làm giảm nhẹ nhu cầu chương trình siêu hiệu quả, nhiều ứng dụng vẫn còn đòi hỏi các chương trình chạy nhanh, gọn (yêu cầu bộ nhớ thấp). Các ngôn ngữ với trình biên dịch tối ưu có thể là hấp dẫn nếu hiệu năng phần mềm là yêu cầu chủ chốt. Tính khả chuyển chương trình gốc là một đặc trưng ngôn ngữ lập trình có thể được hiểu theo ba cách khác nhau:

• Chương trình gốc có thể được chuyển từ bộ xử lý này sang bộ xử lý khác và từ trình biên dịch nọ sang trình biên dịch kia với rất ít hoặc không phải sửa đổi gì.
• Chương trình gốc vẫn không thay đổi ngay cả khi môi trường của nó thay đổi (như việc cài đặt bản mới của hệ điều hành).
• Chương trình gốc có thể được tích hợp vào trong các bộ trình phần mềm khác nhau với ít hay không cần thay đổi gì vì các đặc trưng của ngôn ngữ lập trình.

Trong số ba cách hiểu về tính khả chuyển này thì cách thứ nhất là thông dụng nhất. Việc đưa ra các chuẩn (do tổ chức tiêu chuẩn quốc tế IFO hay Viện tiêu chuẩn quốc gia Mĩ - ANSI) góp phần làm nâng cao tính khả chuyển. Tính sẵn có của công cụ phát triển có thể làm ngắn bớt thời gian cần để sinh ra chương trình gốc và có thể cải thiện chất lượng của chương trình. Nhiều ngôn ngữ lập trình có thể cần tới một loạt công cụ kể cả trình biên dịch gỡ lỗi, trợ giúp định dạng chương trình gốc, các tiện nghi soạn thảo có sẵn, các công cụ kiểm soát chương trình gốc, thư viện chương trình con mở rộng trong nhiều lĩnh vực ứng dụng, các trình duyệt, trình biên dịch chéo cho phát triển bộ vi xử lý, khả năng bộ xử lý macro, công cụ kỹ nghệ ngược và những công cụ khác. Trong thực tế, khái niệm về môi trường phát triển phần mềm tốt (bao hàm cả các công cụ) đã được thừa nhận như nhân tố đóng góp chính cho kỹ nghệ phần mềm thành công.

Tính dễ bảo trì của chương trình gốc có tầm quạn trọng chủ chốt cho tất cả các nỗ lực phát triển phần mềm không tầm thường. Việc bảo trì không thể được tiến hành chừng nào người ta còn chưa hiểu được phần mềm. Các yếu tố của cấu hình phần mềm (như tài liệu thiết kế) đưa ra một nền tảng cho việc hiểu biết, nhưng cuối cùng thì chương trình gốc vẫn phải được đọc và sửa đổi theo những thay đổi trong thiết kế.

Tính dễ dịch thiết kế sang chương trình là một yếu tố quan trọng để dễ bảo trì chương trình gốc. Bên cạnh đó, các đặc trưng tự làm tài liệu của ngôn ngữ (như chiều dài được phép của tên gọi, định dạng nhãn, định nghĩa kiểu, cấu trúc dữ liệu) có ảnh hưởng mạnh đến tính dễ bảo trì.

Lựa chọn ngôn ngữ lập trình

Các đặc trưng của ngôn ngữ lập trình sẽ quyết định miền ứng dụng của ngôn ngữ. Miền ứng dụng là yếu tố chính để chúng ta lựa chọn ngôn ngữ cho một dự án phần mềm. C thường là một ngôn ngữ hay được chọn cho việc phát triển phần mềm hệ thống.

Trong các ứng dụng thời gian thực chúng ta hay gặp các ngôn ngữ như Ada, C, C++ và cả hợp ngữ do tính hiệu quả của chúng. Các ngôn ngữ này và Java cũng được dùng cho phát triển phần mềm nhúng.

Trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật thì FORTRAN với khả năng tính toán với độ chính xác cao và thư viện toán học phong phú vẫn còn là ngôn ngữ thống trị. Tuy vậy, PASCAL và C cũng được dùng rộng rãi.

COBOL là ngôn ngữ cho ứng dụng kinh doanh và khai thác CSDL lớn nhưng các ngôn ngữ thế hệ thứ tư đã dần dần chiếm ưu thế.

BASIC vẫn đang tiến hóa (Visual Basic) và được đông đảo người dùng máy tính cá nhân ủng hộ mặc dù ngôn ngữ này rất hiếm khi được những người phát triển hệ thống dùng.

Các ứng dụng trí tuệ nhân tạo thường dùng các ngôn ngữ như LISP, PROLOG hay OPS5, tuy vậy nhiều ngôn ngữ lập trình (vạn năng) khác cũng được dùng.

Xu hướng phát triển phần mềm hướng đối tượng xuyên suốt phần lớn các miền ứng dụng đã mở ra nhiều ngôn ngữ mới và các dị bản ngôn ngữ qui ước. Các ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng được dùng rộng rãi nhất là Smalltalk, C++, Java. Ngoài ra còn có Eiffel, Objectư PASCAL, Flavos và nhiều ngôn ngữ khác.

Với đặc trưng hướng đối tượng, tính hiệu quả thực hiện cũng như có nhiều công cụ và thư viện, C++ hiện đang được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực phát triển các ứng dụng nghiệp vụ. Java cũng là một ngôn ngữ hướng đối tượng đang được sử dụng rộng rãi cho phát triển các dịch vụ Web và phần mềm nhúng vì các lý do độ an toàn cao, tính trong sáng, tính khả chuyển và hướng thành phần. Theo một số thống kê thì tốc độ phát triển một ứng dụng mới bằng Java cao hơn đến 2 lần so với các ngôn ngữ truyền thống như C hay thậm chí C++. Các ngôn ngữ biên dịch (script) với những câu lệnh và thư viện mạnh hiện đang rất được chú ý. ASP, JavaScript, PERL... đang được sử dụng rộng rãi trong lập trình Web.

Ngôn ngữ lập trình và và sự ảnh hưởng tới kỹ nghệ phần mềm

Nói chung, chất lượng của thiết kế phần mềm được thiết lập theo cách độc lập với các đặc trưng ngôn ngữ lập trình. Tuy nhiên thuộc tính ngôn ngữ đóng một vai trò trong chất lượng của thiết kế được cài đặt và ảnh hưởng tới cách thiết kế được xác định. Ví dụ như khả năng xây dựng mô đun và bao gói chương trình. Thiết kế dữ liệu cũng có thể bị ảnh hưởng bởi các đặc trưng ngôn ngữ. Các ngôn ngữ lập trình như Ada, C++, Smalltalk đều hỗ trợ cho khái niệm về kiểu dữ liệu trừu tượng - một công cụ quan trọng trong thiết kế và đặc tả dữ liệu. Các ngôn ngữ thông dụng khác, như PASCAL, cho phép định nghĩa các kiểu dữ liệu do người dùng xác định và việc cài đặt trực tiếp danh sách móc nối và những cấu trúc dữ liệu khác. Các tính năng này cung cấp cho người thiết kế phạm vi rộng hơn trong các bước thiết kế sơ bộ và chi tiết.

Các đặc trưng của ngôn ngữ cũng ảnh hưởng tới kiểm thử phần mềm. Các ngôn ngữ trực tiếp hỗ trợ cho các kết cấu có cấu trúc có khuynh hướng giảm bớt độ phức tạp của chương trình, do đó có thể làm cho nó dễ dàng kiểm thử. Các ngôn ngữ hỗ trợ cho việc đặc tả các chương trình con và thủ tục ngoài (như FORTRAN) thường làm cho việc kiểm thử tích hợp ít sinh lỗi hơn.

Tài liệu chương trình

Tài liệu bên trong của chương trình gốc bắt đầu với việc chọn lựa các tên gọi định danh (biến và nhãn), tiếp tục với vị trí và thành phần của việc chú thích, và kết luận với cách tổ chức trực quan của chương trình. Việc lựa chọn các tên gọi định danh có nghĩa là điều chủ chốt cho việc hiểu chương trình. Những ngôn ngữ giới hạn độ dài tên biến hay nhãn làm các tên mang nghĩa mơ hồ. Cho dù một chương trình nhỏ thì một tên gọi có nghĩa cũng làm tăng tính dễ hiểu. Theo ngôn từ của mô hình cú pháp/ngữ nghĩa tên có ý nghĩa làm “đơn giản hóa việc chuyển đổi từ cú pháp chương trình sang cấu trúc ngữ nghĩa bên trong”.

Một điều rõ ràng là: phần mềm phải chứa tài liệu bên trong. Lời chú thích cung cấp cho người phát triển một ý nghĩa truyền thông với các độc giả khác về chương trình gốc. Lời chú thích có thể cung cấp một hướng dẫn rõ rệt để hiểu trong pha cuối cùng của kỹ nghệ phần mềm - bảo trì. Có nhiều hướng dẫn đã được đề nghị cho việc viết lời chú thích. Các chú thích mở đầu và chú thích chức năng là hai phạm trù đòi hỏi cách tiếp cận có hơi khác. Lời chú thích mở đầu nên xuất hiện ở ngay đầu của mọi modul. Định dạng cho lời chú thích như thế là:

1. Một phát biểu về mục đích chỉ rõ chức năng mô đun.
2. Mô tả giao diện bao gồm:
   • Một mẫu cách gọi
   • Mô tả về dữ liệu
   • Danh sách tất cả các mô đun thuộc cấp
3. Thảo luận về dữ liệu thích hợp (như các biến quan trọng và những hạn chế, giới hạn về cách dùng chúng) và các thông tin quan trọng khác.
4. Lịch sử phát triển bao gồm:
   • Tên người thiết kế modul (tác giả).
   • Tên người xét duyệt và ngày tháng.
   • Ngày tháng sửa đổi và mô tả sửa đổi.

Các chú thích chức năng được nhúng vào bên trong thân của chương trình gốc và được dùng để mô tả cho các khối chương trình.

Khai báo dữ liệu

Thứ tự khai báo dữ liệu nên được chuẩn hóa cho dù ngôn ngữ lập trình không có yêu cầu bắt buộc nào về điều đó. Các tên biến ngoài việc có nghĩa còn nên mang thông tin về kiểu của chúng. Ví dụ, nên thống nhất các tên biến cho kiểu số nguyên, kiểu số thực... Cần phải chú giải về mục đích đối với các biến quan trọng, đặc biệt là các biến tổng thể. Các cấu trúc dữ liệu nên được chú giải đầy đủ về cấu trúc và chức năng, và các đặc thù về sử dụng. Đặc biệt là đối với các cấu trúc phức tạp như danh sách móc nối trong C hay Pascal.

Xây dựng câu lệnh

Việc xây dựng luồng logic phần mềm được thiết lập trong khi thiết kế. Việc xây dựng từng câu lệnh tuy nhiên lại là một phần của bước lập trình. Việc xây dựng câu lệnh nên tuân theo một qui tắc quan trọng hơn cả: mỗi câu lệnh nên đơn giản và trực tiếp. Nhiều ngôn ngữ lập trình cho phép nhiều câu lệnh trên một dòng. Khía cạnh tiết kiệm không gian của tính năng này khó mà biện minh bởi tính khó đọc nảy sinh. Cấu trúc chu trình và các phép toán điều kiện được chứa trong đoạn trên đều bị che lấp bởi cách xây dựng nhiều câu lệnh trên một dòng.

Cách xây dựng câu lệnh đơn và việc tụt lề minh họa cho các đặc trưng logic và chức năng của đoạn này. Các câu lệnh chương trình gốc riêng lẻ có thể được đơn giản hóa bởi:

• Tránh dùng các phép kiểm tra điều kiện phức tạp
• Khử bỏ các phép kiểm tra điều kiện phủ định
• Tránh lồng nhau nhiều giữa các điều kiện hay chu trình
• Dùng dấu ngoặc để làm sáng tỏ các biểu thức logic hay số học
• Dùng dấu cách và/hoặc các ký hiệu dễ đọc để làm sáng tỏ nội dung câu lệnh
• Chỉ dùng các tính năng chuẩn của ngôn ngữ

Để hướng tới chương trình dễ hiểu luôn nên đặt ra câu hỏi: Liệu có thể hiểu được điều này nếu ta không là người lập trình cho nó không?

Vào/ra

Vào ra của các mô đun nên tuân thủ theo một số hướng dẫn sau:

• Làm hợp lệ mọi cái vào.
• Kiểm tra sự tin cậy của các tổ hợp khoản mục vào quan trọng.
• Giữ cho định dạng cái vào đơn giản.
• Dùng các chỉ báo cuối dữ liệu thay vì yêu cầu người dùng xác định “số các khoản mục”.
• Giữ cho định dạng cái vào thống nhất khi một ngôn ngữ lập trình có các yêu cầu định dạng nghiêm ngặt.

Lập trình thứ lỗi

Đối với các hệ thống đòi hỏi độ tin cậy rất cao như hệ thống điều khiển bay thì cần phải có khả năng dung thứ lỗi (fault tolerance), tức là khả năng đảm bảo cho hệ thống vẫn hoạt động chính xác ngay cả khi có thành phần sinh lỗi.

Có bốn hoạt động cần phải tiến hành nếu hệ thống là thứ lỗi:

1. Phát hiện lỗi.
2. Định ra mức độ thiệt hại.
3. Hồi phục sau khi gặp lỗi: Hệ thống phải hồi phục về trạng thái mà nó biết là an toàn. Cũng có thể là chỉnh lý trạng thái bị hủy hoại (hồi phục tiến), cũng có thể là lui về một trạng thái trước mà an toàn (hồi phục lùi).
4. Chữa lỗi: Cải tiến hệ thống để cho lỗi đó không xuất hiện nữa. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp phát hiện được đúng nguyên nhân gây lỗi là rất khó khăn vì nó xẩy ra bởi một tổ hợp của thông tin vào và trạng thái của hệ thống. Thông thường, thứ lỗi được thực hiện bằng cách song song hóa các chức năng, kết hợp với bộ điều khiển thứ lỗi. Bộ điều khiển sẽ so sánh kết quả của các khối chương trình thực hiện cùng nhiệm vụ và sử dụng nguyên tắc đa số để chọn kết quả.

Lập trình phòng thủ

Lập trình phòng thủ là cách phát triển chương trình mà người lập trình giả định rằng các mâu thuẫn hoặc các lỗi chưa được phát hiện có thể tồn tại trong chương trình. Phải có phần mềm kiểm tra trạng thái hệ thống sau khi biến đổi và phải đảm bảo rằng sự biến đổi trạng thái là kiên định. Nếu phát hiện một mâu thuẫn thì việc biến đổi trạng thái là phải rút lại và trạng thái phải trở về trạng thái đúng đắn trước đó.

Nói chung một lỗi gây ra một sự sụp đổ trạng thái: các biến trạng thái được gán các trị không hợp luật. Ngôn ngữ lập trình như Ada cho phép phát hiện ra các lỗi đó ngay trong thời gian biên dịch. Tuy nhiên việc kiểm tra biên dịch chỉ hạn chế cho các giá trị tĩnh và một vài phép kiểm tra thời gian thực là không thể tránh được. Một cách để phát hiện lỗi trong chương trình Ada là dùng cơ chế xử lý bất thường kết hợp với đặc tả miền trị.

Hồi phục lỗi là một quá trình cải biên không gian trạng thái của hệ thống sao cho hiệu ứng của lỗi là nhỏ nhất và hệ thống có thể tiếp tục vận hành, có lẽ là trong một mức suy giảm. Hồi phục tiến liên quan đến việc cố gắng chỉnh lại trạng thái hệ thống.

Hồi phục lùi liên quan đến việc lưu trạng thái của hệ thống ở một trạng thái đúng đã biết.

Hồi phục tiến thường là một chuyên biệt ứng dụng. Có hai tình thế chung mà khi đó hồi phục tiến có thể thành công:

1. Khi dữ liệu mã bị sụp đổ: Việc sử dụng kỹ thuật mã hóa thích hợp bằng cách thêm các dữ liệu dư thừa vào dữ liệu cho phép sửa sai khi phát hiện lỗi.
2. Khi cấu trúc nối bị sụp đổ: Nếu các con trỏ tiến và lùi đã có trong cấu trúc dữ liệu thì cấu trúc đó có thể tái tạo nếu như còn đủ các con trỏ chưa bị sụp. Kỹ thuật này thường được dùng cho việc sửa chữa hệ thống tệp và cơ sở dữ liệu.

Hồi phục lùi là một kỹ thuật đơn giản liên quan đến việc duy trì các chi tiết của trạng thái an toàn và cất giữ trạng thái đó khi mà sai lầm đã bị phát hiện. Hầu hết các hệ quản trị cơ sở dữ liệu đều có bộ hồi phục lỗi. CSDL chỉ cập nhật dữ liệu một khi giao dịch đã hoàn tất và không phát hiện được vấn đề gì. Nếu giao dịch thất bại thì CSDL không được cập nhật.

Một kỹ thuật khác là thiết lập các điểm kiểm tra thường kỳ mà chúng là các bản sao của trạng thái hệ thống. Khi mà một lỗi được phát hiện thì trạng thái an toàn đó được tái lưu kho từ điểm kiểm tra gần nhất. Trường hợp hệ thống dính líu tới nhiều quá trình hợp tác thì dãy các giao tiếp có thể là các điểm kiểm tra của các quá trình đó không đồng bộ và để hồi phục thì mỗi quá trình phải trở lại trạng thái ban đầu của nó.

Tính hiệu quả chương trình

Tính hiệu quả của chương trình gốc có liên hệ trực tiếp với tính hiệu quả của thuật toán được xác định trong thiết kế chi tiết. Tuy nhiên, phong cách lập trình có thể có một tác động đến tốc độ thực hiện và yêu cầu bộ nhớ. Tập hợp các hướng dẫn sau đây bao giờ cũng có thể áp dụng được khi thiết kế chi tiết được dịch thành chương trình:

• Đơn giản hóa các biểu thức số học và lôgic trước khi đi vào lập trình.
• Tính cẩn thận từng chu kỳ lồng nhau để xác định liệu các câu lệnh hay biểu thức có thể được chuyển ra ngoài hay không
• Khi có thể, hãy tránh dùng mảng nhiều chiều
• Khi có thể hãy tránh việc dùng con trỏ và danh sách phức tạp
• Dùng các phép toán số học “nhanh”
• Không trộn lẫn các kiểu dữ liệu, cho dù ngôn ngữ có cho phép điều đó
• Dùng các biểu thức số học và logic bất kì khi nào có thể được

Nhiều trình biên dịch có tính năng tối ưu tự động sinh ra chương trình hiệu quả bằng cách dồn nén các biểu thức lặp, thực hiện tính chu trình, dùng số học nhanh và áp dụng các thuật toán có hiệu quả liên quan khác. Với những ứng dụng trong đó tính hiệu quả có ý nghĩa quan trọng, những trình biên dịch như thế là công cụ lập trình không thể thiếu được.

Hiệu quả bộ nhớ

Tính hiệu quả bộ nhớ phải được tính vào đặc trưng phân trang của hệ điều hành. Nói chung, tính cục bộ của chương trình hay việc bảo trì lĩnh vực chức năng qua các kết cấu có cấu trúc là một phương pháp tuyệt vời làm giảm việc phân trang và do đó làm tăng tính hiệu quả. Hạn chế bộ nhớ trong phát triển phần mềm nhúng là mối quan tâm rất thực tế, mặc dầu bộ nhớ giá thấp, mật độ cao vẫn đang tiến hóa nhanh chóng. Nếu yêu cầu hệ thống cần tới bộ nhớ tối thiểu (như sản phẩm giá thấp, khối lượng lớn) thì trình biên dịch ngôn ngữ cấp cao phải được trù tính cẩn thận với tính năng nén bộ nhớ, hay như một phương kế cuối cùng, có thể phải dùng tới hợp ngữ.

Hiệu quả vào/ra

Các thiết bị vào ra thường có tốc độ chậm hơn rất nhiều so với khả năng tính toán của máy tính và tốc độ truy cập bộ nhớ trong. Việc tối ưu vào ra có thể làm tăng đáng kể tốc độ thực hiện. Một số hướng dẫn đơn giản để tăng cường hiệu quả vào/ra:

• Số các yêu cầu vào/ra nên giữ mức tối thiểu
• Mọi việc vào/ra nên qua bộ đệm để làm giảm phí tổn liên lạc.
• Với bộ nhớ phụ (như đĩa) nên lựa chọn và dùng phương pháp thâm nhập đơn giản nhất chấp nhận được.
• Nên xếp khối vào/ra với các thiết bị bộ nhớ phụ.
• Việc vào/ra với thiết bị cuối hay máy in nên nhận diện các tính năng của thiết bị có thể cải tiến chất lượng hay tốc độ.

Tổng kết: Bước lập trình là một tiến trình dịch (chuyển hóa) thiết kế chi tiết thành chương trình mà cuối cùng được biến đổi thành các lệnh mã máy thực hiện được. Các đặc trưng của ngôn ngữ lập trình có ảnh hưởng lớn đến quá trình xây dựng, kiểm thử cũng như bảo trì phần mềm. Phong cách lập trình quyết định tính dễ hiểu của chương trình gốc. Các yếu tố của phong cách bao gồm việc làm tài liệu bên trong, phương pháp khai báo dữ liệu, thủ tục xây dựng câu lệnh, và kỹ thuật lập trình vào/ra. Lập trình cần hướng tới hiệu quả thực hiện, tức là tích kiệm tài nguyên phần cứng (mức độ sử dụng CPU, bộ nhớ...). Mặc dầu tính hiệu quả có thể là yêu cầu cực kì quan trọng, chúng ta nên nhớ rằng một chương trình hoạt động hiệu quả mà lại không dễ hiểu dẫn đến khó bảo trì thì giá trị của nó cũng bị hạn chế.