Bài giảng Kỹ Thuật lập trình - Chương 2: Tăng hiệu quả chương trình và phong cách lập trình - Vũ Đức Vượng

TĂNG HIỆU QUẢ CHƯƠNG TRÌNH  VÀ PHONG CÁCH LẬP TRÌNH 2 Efficient Programs Trước hết là giải thuật Hãy dùng giải thuật hay nhất có thể Sau đó hãy nghĩ tới việc tăng tính hiệu quả của code Ví dụ : Tính tổng của n số tự nhiên kế từ m void main() { long n,m,i , sum ; cout << ‘ vào n ‘ ; cin << n; cout << ‘ vào m ‘ ; cin << m; sum =0; for(i = m ; i < = m+n; i++) sum += i; cout << ‘ Tổng = ‘ <<sum; } void main() { long n,m , sum ; cout << ‘ vào n ‘ ; cin << n; cout << ‘ vào m ‘ ; cin << m; sum =(m + m+ n) * n / 2; cout << ‘ Tổng = ‘ <<sum; } 3 Dùng chỉ thị chương trình dịch Một số c ompilers có vai trò rất lớn trong việc tối ưu chương trình Chúng phân tích sâu mã nguồn và làm mọi điều “machinely” có thể Ví dụ GNU g++ compiler trên Linux/Cygwin cho chương trình viết = c g++ –O5 –o myprog myprog.c c ó thể cải thiện hiệu năng từ 10% đến 300% 4 Nhưng ... Bạn vẫn có thể thực hiện những cải tiến mà trình dịch không thể Bạn phải loại bỏ tất cả những chỗ bất hợp lý trong code Làm cho chương trình hiệu quả nhất có thể Có thể phải xem lại khi thấy chương trình chạy chậm Vậy cần tập trung vào đâu để cải tiến nhanh nhất, tốt nhất ? 5 Writing Efficient Code Xác định nguồn gây kém hiệu quả Dư thừa tính toán - redundant computation Chủ yếu Trong các procedure Các vòng lặp : Loops 6 Khởi tạo 1 lần, dùng nhiều lần Before After float f() { double value = sin(0.25); // .. } double defaultValue = sin(0.25 ); float f() { double value = defaultValue; // .. } 7 Inline functions Nếu 1 hàm trong c++ chỉ gồm những lệnh đơn giản, không co for, while .. Thì có thể khai báo inline. Inline code sẽ được chèn vào bất cứ chỗ nào hàm được goi. Chương trình sẽ lớn hơn chút ít Nhưng nhanh hơn , không dùng stack– 4 bước khi 1 hàm được gọi  8 Inline functions #include #include using namespace std; inline double hypothenuse (double a, double b) { return sqrt (a * a + b * b); } int main () { double k = 6, m = 9; // 2 dòng sau thực hiện như nhau: cout << hypothenuse (k, m) << endl; cout << sqrt (k * k + m * m) << endl; return 0; } 9 Static Variables Kiểu dữ liệu Static tham chiếu tới global hay 'static' variables , chúng được cấp phát bộ nhớ khi dịch compile-time . int int_array[100]; int main() { static float float_array[100]; double double_array[100]; char *pchar; pchar = (char *)malloc(100); /* .... */ return (0); } 10 Static Variables Các biến khai báo trong CT con được cấp phát bộ nhớ khi ct con được gọi và sẽ bị loại bỏ khi kết thúc ct con. Khi bạn gọi lại CT con, các biến cục bộ lại được cấp phát và khởi tạo lại. Nếu bạn muốn 1 giá trị vẫn được lưu lại cho đến khi kết thúc toàn chương trình , bạn cần khai báo biến cục bộ của CT con đó là static và khởi tạo cho nó 1 giá trị. Việc khởi tạo sẽ chỉ thực hiện lần đàu tiên chương trình được gọi và giá trị sau khi biến đổi sẽ được lưu cho các lần gọi sau. Bằng cách này 1 ct con có thể “nhớ” một vài mẩu tin sau mỗi lần được gọi. Dùng biến Static thay vì Global : Cái hay của 1 biến static là nó là local của CT con, => tránh được các side efects. 11 Stack, heap Khi thực hiện , vùng dữ liệu data segment của 1 chương trình được chia làm 3 phần : - static, stack, và heap data. Static : global hay static variables Stack data : - các biến cục bộ của ct con - ví dụ double_array trong ví dụ trên. Heap data : - Dữ liệu được cấp phát động (vd, pchar trong ví dụ trên). - Dữ liệu này sẽ còn cho đến khi ta giải phóng hoặc khi kết thúc CT. 12 Macros  #define max(a,b) (a>b?a:b) Các hàm Inline cũng giống như macros vì cả 2 được khai triển khi dịch compile time macros được khai triển bởi preprocessor, còn inline functions được truyền bởi compiler. Tuy nhiên có nhiều điểm khác biệt: Inline functions tuân thủ các thủ tục như 1 hàm binh thường. Inline functions có cùng syntax như các hàm khác, chỉ có điều là có thêm từ khóa inline khi khai báo hàm. Các biểu thức truyền như là đối số cho inline functions được tính 1 lần. Trong 1 số trường hợp, biểu thức truyền như tham số cho macros có thể được tính lại nhiều hơn 1 lần. Bạn không thể gỡ rối cho macros , nhưng với inline functions thì có thể. 13 Tính toán trước các giá trị Nếu bạn phải tính đi tính lại 1 biểu thức, thì nên tính trước 1 lần và lưu lại giá trị, rồi dùng giá trị ấy sau này int f(int i) { if (i = 0) { return i * i - i; } return 0; } static int[] values = {0, 0 , 2, 3*3-3, ..., 9*9-9}; int f(int i) { if (i = 0) { return values[i]; } return 0; } 14 Loại bỏ những biểu thức thông thường Đừng tính cùng một biểu thức nhiều lần ! Một số compilers có thể nhận biết và xử lý . for (i = 1; i<= 10 ;i++) x += str len( str ) ; Y = 15 + str len( str ) ; l en = str len( str ); for (i = 1;i<=10;i++) x += l en ; Y = 15 + len ; 15 Sử dụng các biến đổi số học ! Trình dịch không thể tự động xử lý if ( a > sqrt(b) ) x = a*a + 3*a + 2; if ( a *a > b) x = (a+1)*(a+2); 16 Dùng “lính canh” -Tránh những kiểm tra không cần thiết Trước char s[100], searchValue; int pos,tim, size ; .. Gán giá trị cho s, searchValue size = strlen(s); pos = 0 ; while ( pos < size ) && ( s [pos] != searchValue) d o pos ++ ; If ( pos >= size) tim =0 else tim = 1 ; 17 Dùng “lính canh” . Ý tưởng chung Đặt giá trị cần tìm vào cuối xâu Luôn tìm thấy ! Nhưng nếu vị trí > size => khong tim thay ! size = strlen(s); strcat(s, searchValue ) ; pos = 0 ; while ( s [pos] != searchValue) do pos ++ ; If ( pos >= size) tim =0 else tim = 1 ; Có thể làm tương tự với mảng, danh sách 18 Dịch chuyển những biểu thức bất biến ra khỏi vòng lặp Đừng lặp các biểu thức tính toán không cần thiết Một số Compilers có thể tự xử lý ! for ( i =0 ; i< 100 ;i++) plot(i, i* sin(d) ); M = sin(d); for ( i =0 ; i< 100 ;i++) plot(i, i* M ); 19 Không dùng các vòng lặp ngắn for ( i =j ; i<= j+3 ;i++) sum + = q*i -i*7 ; i = j; sum + = q*i -i*7; i ++ ; sum + = q*i -i*7; i ++ ; sum + = q*i-i*7; 20 Giảm thời gian tính toán Trong mô phỏng Neural Network người ta thường dùng hàm có tên sigmoid Với X dương lớn ta có sigmoid(x)  1 Với x âm “l ớn ” sigmoid (x)  0 21 Tính Sigmoid float sigmoid ( float x ) { return 1.0 / (1.0 + exp(-x)) }; 22 Tính Sigmoid Hàm exp(-x) mất rất nhiều thời gian để tính ! Những hàm kiểu này người ta phải dùng khai triển chuỗi Chuỗi Taylor /Maclaurin Tính tổng các số hạng dạng ((-x) n / n!) Mỗi số hạng lại dùng các phép toán với số chấm động Nói chung các mô phỏng neural network gọi hàm này trăm triệu lần trong mỗi lần thực hiện . Chính vì vậy , sigmoid(x) chiếm phần lớn thời gian ( khoảng 70-80%) 23 Tính Sigmoid – Giải pháp Thay vì tính hàm mọi lúc Tính hàm tại N điểm và xây dựng 1 mảng . Trong mỗi lần gọi sigmoid Tìm giá trị gần nhất của x và kết quả ứng với giá trị ấy Thực hiện nội suy tuyến tính - linear interpolation sigmoid(x 0 ) x 0 sigmoid(x 0 ) x 1 sigmoid(x 0 ) x 2 sigmoid(x 0 ) x 3 sigmoid(x 0 ) x 4 sigmoid(x 0 ) x 5 sigmoid(x 0 ) x 6 sigmoid(x 99 ) x 99 . . . 24 Tính Sigmoid sigmoid(x 0 ) x 0 sigmoid(x 0 ) x 1 sigmoid(x 0 ) x 2 sigmoid(x 0 ) x 3 sigmoid(x 0 ) x 4 sigmoid(x 0 ) x 5 sigmoid(x 0 ) x 6 sigmoid(x 99 ) x 99 . . . if (x > x99) return (1.0); if (x <x0) return (0.0); 25 Tính Sigmoid Chọn số các điểm (N = 1000, 10000, v.v .) tùy theo độ chính xác mà bạn muốn Tốn kếm thêm không gian bọ nhớ cho mỗi điểm là 2 float hay double tức là 8 – 16 bytes / điểm Khởi tạo giá trị cho mảng khi bắt đầu thực hiện 26 Tính Sigmoid Bạn đã biết X0 Tính Delta = X1-X0 Tính Xmax = X0 + N * Delta; Với X đã cho Tính i = (X – X0)/Delta; 1 phép trừ số thực và 1 phép chia số thực Tính sigmoid(x) 1 phép nhân float và 1 phép cộng float 27 Results Nếu dùng exp(x) : Mỗi lần gọi mất khoảng 300 nanoseconds với 1 máy Pentium 4 tốc độ 2 Ghz. Dùng tìm kiếm trên mảng và nội suy tuyến tính : Mỗi lần gọi mất khoảng 30 nanoseconds Tốc độ tăng gập 10 lần Đổi lại phải tốn kếm thêm từ 64K to 640 K bộ nhớ . 28 Luu y ! Với đại đa số các chương trình, việc tăng tốc độ thực hiện là cần thiết Tuy nhiên, cố tăng tốc độ cho những đoạn code không sử dụng thường xuyên là vô ích ! 29 Những quy tắc cơ bản Fundamental Rules Đơn giản hóa Code – Code Simplification : Hầu hết các chương trình chạy nhanh là đơn giản. Vì vậy, hay don giản hóa chương trình để nó chạy nhanh hơn. Đơn giản hóa van đề - Problem Simplification: Để tăng hiệu quả của chương trình, hãy đơn giản hóa vấn đề mà nó giải quyết. Không ngừng nghi ngờ - Relentless Suspicion: Đặt dấu hỏi về sự cần thiết của mỗi mẩu code và mỗi trường , mỗi thuộc tính trong cấu trúc dữ liệu. Liên kết sớm - Early Binding: Hãy thực hiện ngay công việc để tránh thực hiện nhiều lần sau này. 30 Quy tắc tăng tốc độ Có thể tăng tốc độ bằng cách sử dụng thêm bộ nhớ ( mảng ). Dùng thêm các dữ liệu có cấu trúc: Thời gian cho các phép toán thông dụng có thể giảm bằng cách sử dụng thêm các cấu trúc dữ liệu với các dữ liệu bổ xung hoặc bằng cách thay đổi các dữ liệu trong cấu trúc sao cho dễ tiếp cận hơn. Lưu các kết quả được tính trước: Thời gian tính toán lại các hàm có thể giảm bớt bằng cách tính toán hàm chỉ 1 lần và lưu kết quả, những yêu cầu sau này sẽ được xử lý bằng cách tìm kiếm từ mảng hay danh sách kết quả thay vì tính lại hàm. ... 31 Quy tắc tăng tốc độ : cont. Caching: Dữ liệu thường dùng cần phải dễ tiếp cận nhất, luôn hiện hữu. Lazy Evaluation: Không bao giờ tính 1 phần tử cho đến khi cần để tránh những sự tính toán không cần thiết. 32 Quy tắc lặp : Loop Rules Những điểm nóng - H ot spots trong phần lớn các chương trình đến từ các vòng lặp : Đưa Code ra khỏi các vòng lặp: Thay vì thực hiện việc tính toán trong mỗi lần lặp, tốt nhất thực hiện nó chỉ một lần bên ngoài vòng lặp- nếu được. Kết hợp các vòng lặp – loop fusion: Nếu 2 vòng lặp gần nhau cùng thao tác trên cùng 1 tập hợp các phần tử thì cần kết hợp chung vào 1 vòng lặp. 33 Quy tắc lặp : Loop Rules  Kết hợp các phép thử - Combining Tests: Trong vòng lặp càng ít kiểm tra càng tốt và tốt nhất chỉ một phép thử. LTV có thể phải thay đổi điều kiện kết thúc vòng lặp. “Lính gác” hay “Vệ sĩ” là một ví dụ cho quy tắc này . Loại bỏ Loop : Với những vòng lặp ngắn thì cần loại bỏ vòng lặp, tránh phải thay đổi và kiểm tra điều kiện lặp 34 Procedure Rules Khai báo những hàm ngắn và đơn giản ( thường chỉ 1 dòng ) là inline Tránh phải thực hiện 4 bước khi hàm được gọi, Tránh dùng bộ nhơ stack 35 GOOD PROGRAMMING STYLE Sau đây là các quy tắc về “programming style “ rút ra từ cuốn “The Elements of Programming Style" cuiar tác giả Kernighan and Plauger. Cần lưu ý rằng các quy tắc của “programming style” , giống như quy tắc văn phạm English, đôi khi bị vi phạm, thậm trí bởi những nhà văn hay nhất. Tuy nhiên khi 1 quy tắc bị vi phạm, thì thường được bù lại bằng một cái gì đó, đáng để ta mạo hiểm. Nói chung sẽ là tốt nếu ta tuân thủ các quy tác sau đây : Một quy tắc quan trọng trong phong cách lập trình là “Tính nhất quán”. Nếu bạn chấp nhận một cách thức đặt tên hàm hay biến, hằng thì hãy tuân thủ nó trong toàn bộ chương trình. Đầu mỗi CT, nên có một đoạn chú thích Mỗi CT con phải có một nhiệm vụ rõ ràng. Một CT con phải đủ ngắn để người đọc có thể nắm băt như một đơn vị, chức năng Hãy dùng tối thiểu số các tham số của CT con. > 6 tham số cho 1 CT con là quá nhiều 36 GOOD PROGRAMMING STYLE Có 2 loại Ct con : functions và procedures. Functions chỉ nên tác động tới duy nhất 1 giá trị - giá trị trả về của hàm Không nên thay đổi giá trị của biến chạy trong thân của vòng lặp for, ví dụ không nên làm như sau : for i = 1 to 10 do i := i + 1; for(i=1;i<=10;i++) i++; Nên nhất quán trong việc dùng các biến local có cùng tên. Nếu “i'' được dùng làm biến chạy cho vòng lặp trong 1 CT con, thì đừng dùng nó cho việc khác trong các CT con khác 37 GOOD PROGRAMMING STYLE 1. Write clearly / don't be too clever – Viết rõ ràng – đừng quá thông minh (kỳ bí) 2. Say what you mean, simply and directly – Trình bày vấn đề 1 cách đơn giản, trực tiếp 3. Use library functions whenever feasible. – Sử dụng thư viện mọi khi có thể 4. Avoid too many temporary variables – Tránh dùng nhiều biến trung gian 5. Write clearly / don't sacrifice clarity for efficiency – Viết rõ rang / đừng hy sinh sự rõ rang cho hiệu quả 38 GOOD PROGRAMMING STYLE 6. Let the machine do the dirty work – Hãy để máy tính làm những việc nặng nhọc của nó. ( tính toán ) 7. Replace repetitive expressions by calls to common functions. – Hãy thay những biểu thức lặp đi lặp lại bằng cách gọi các hàm 8. Parenthesize to avoid ambiguity. – Dùng () để tránh rắc rối 9. Choose variable names that won't be confused – Chọn tên biến sao cho tránh được lẫn lộn 10. Avoid unnecessary branches. – Tránh các nhánh không cần thiết 11. If a logical expression is hard to understand, try transforming it – Nếu 1 biểu thức logic khó hiểu, cố gắng chuyển đổi cho đơn giản 12. Choose a data representation that makes the program simple – Hãy lựa chọn cấu trúc dữ liệu để chương trình thành đơn giản 39 GOOD PROGRAMMING STYLE 13. Write first in easy-to-understand pseudo language; then translate into whatever language you have to use. – Trước tiên hãy viết ct bằng giả ngữ dễ hiểu, rồi hãy chuyển sang ngôn ngữ cần thiết. 14. Modularize. Use procedures and functions. – Mô đul hóa. Dùng các hàm và thủ tục 15. Avoid goto s completely if you can keep the program readable. – Tránh hoàn toàn việc dùng goto 16. Don't patch bad code /{ rewrite it. – Không chắp vá mã xấu – Viết lại đoạn code đó 17. Write and test a big program in small pieces. – Viết và kiểm tra 1 CT lớn thành từng CT con 40 GOOD PROGRAMMING STYLE 18. Use recursive procedures for recursively-defined data structures. – Hãy dùng các thủ tục đệ quy cho các cấu trúc dữ liệu đệ quy 19. Test input for plausibility and validity. – Kiểm tra đầu vào để đảm bảo tính chính xác và hợp lệ 20. Make sure input doesn't violate the limits of the program. – Hãy đảm bảo đầu vào không quá giới hạn cho phép của CT 21. Terminate input by end-of-file marker, not by count. – Hãy kết thúc dòng nhập bằng ký hiệu EOF, không dùng phép đếm 22. Identify bad input; recover if possible. – Xác định đầu vào xấu, khôi phục nếu có thể 23. Make input easy to prepare and output self-explanatory. – Hãy làm cho đầu vào đơn giản, dễ chuẩn bị và đầu ra dễ hiểu 41 GOOD PROGRAMMING STYLE 24. Use uniform input formats. – Hãy dùng các đầu vào theo các định dạng chuẩn. 25. Make sure all variable are initialized before use.- Hãy đảm bảo các biến được khởi tạo trước khi sử dụng 26. Test programs at their boundary values. – Hãy kiểm tra CT tại các cận 26. Check some answers by hand. – Kiểm tra 1 số câu trả lời bằng tay 27. 10.0 times 0.1 is hardly ever 1.0. – 10 nhân 0.1 không chắc đã = 1.0 28. 7/8 is zero while 7.0/8.0 is not zero. 7/8 =0 nhưng 7.0/8.0 0 29. Make it right before you make it faster. – Hãy làm cho CT chạy đúng, trước khi làm nó chạy nhanh 42 GOOD PROGRAMMING STYLE 30. Make it clear before you make it faster. – Hãy viết code rõ ràng, trước khi làm nó chạy nhanh 31. Let your compiler do the simple optimizations. – Hãy để trình dịch thực hiện các việc tôi ưu hóa đơn giản 32. Don't strain to re-use code; reorganize instead. – Đừng cố tái s ử dụng mã, thay vì vậy, hãy tổ chức lại mã 33. Make sure special cases are truly special. – Hãy đảm bảo các trường hợp đặc biệt là thực sự đặc biệt 34. Keep it simple to make it faster. – Hãy giữ nó đơn giản để làm cho nó nhanh hơn 35. Make sure comments and code agree. – Chú thích phải rõ ràng, sát code 36. Don't comment bad code | rewrite it. – Đừng chú thích những đoạn mã xấu, hẫy viết lại 37. Use variable names that mean something. – Hãy dùng các tên biến có nghĩa 38. Format a program to help the reader understand it.- Hãy định dạng CT để giúp người đọc hiểu đc CT 39. Don't over-comment. – Đừng chú thích quá nhiều 43 Program Style Who reads your code? The compiler Other programmers typedef struct{double x,y,z}vec;vec U,black,amb={.02,.02,.02};struct sphere{ vec cen,color;double rad,kd,ks,kt,kl,ir}*s,*best,sph[]={0.,6.,.5,1.,1.,1.,.9, .05,.2,.85,0.,1.7,-1.,8.,-.5,1.,.5,.2,1.,.7,.3,0.,.05,1.2,1.,8.,-.5,.1,.8,.8, 1.,.3,.7,0.,0.,1.2,3.,-6.,15.,1.,.8,1.,7.,0.,0.,0.,.6,1.5,-3.,-3.,12.,.8,1., 1.,5.,0.,0.,0.,.5,1.5,};yx;double u,b,tmin,sqrt(),tan();double vdot(A,B)vec A ,B;{return A.x*B.x+A.y*B.y+A.z*B.z;}vec vcomb(a,A,B)double a;vec A,B;{B.x+=a* A.x;B.y+=a*A.y;B.z+=a*A.z;return B;}vec vunit(A)vec A;{return vcomb(1./sqrt( vdot(A,A)),A,black);}struct sphere*intersect(P,D)vec P,D;{best=0;tmin=1e30;s= sph+5;while(s--sph)b=vdot(D,U=vcomb(-1.,P,s-cen)),u=b*b-vdot(U,U)+s-rad*s -rad,u=u0?sqrt(u):1e31,u=b-u1e-7?b-u:b+u,tmin=u=1e-7&&u<tmin?best=s,u: tmin;return best;}vec trace(level,P,D)vec P,D;{double d,eta,e;vec N,color; struct sphere*s,*l;if(!level--)return black;if(s=intersect(P,D));else return amb;color=amb;eta=s-ir;d= -vdot(D,N=vunit(vcomb(-1.,P=vcomb(tmin,D,P),s-cen )));if(d<0)N=vcomb(-1.,N,black),eta=1/eta,d= -d;l=sph+5;while(l--sph)if((e=l -kl*vdot(N,U=vunit(vcomb(-1.,P,l-cen))))0&&intersect(P,U)==l)color=vcomb(e ,l-color,color);U=s-color;color.x*=U.x;color.y*=U.y;color.z*=U.z;e=1-eta* eta*(1-d*d);return vcomb(s-kt,e0?trace(level,P,vcomb(eta,D,vcomb(eta*d-sqrt (e),N,black))):black,vcomb(s-ks,trace(level,P,vcomb(2*d,N,D)),vcomb(s-kd, color,vcomb(s-kl,U,black))));}main(){printf("%d %d\n",32,32);while(yx<32*32) U.x=yx%32-32/2,U.z=32/2-yx++/32,U.y=32/2/tan(25/114.5915590261),U=vcomb(255., trace(3,black,vunit(U)),black),printf("%.0f %.0f %.0f\n",U);} This is a working ray tracer! (courtesy of Paul Heckbert) 44 Program Style Vì sao program style lại quan trọng? Lỗi thường xảy ra do sự nhầm lẫn của LTV Biến này được dùng làm gì? Hàm này được gọi như thế nào? Good code = code dễ đọc Làm thế nào để code thành dễ đọc? Cấu trúc chương trình rõ ràng, dễ hiểu, khúc triết Sử dụng thành ngữ phổ biến Chọn tên phù hợp, gợi nhớ Viết chú thích rõ ràng Sử dụng môdul 45 Structure: Spacing Use readable/consistent spacing VD: Gán mỗi phần tử mảng a[j] = j. Bad code Good code Thường có thể dựa vào auto-indenting, tính năng trong trình soạn thảo for (j=0;j<100;j++) a[j]=j; for (j=0; j<100; j++) a[j] = j; 46 Structure: Indentation (cont.) Use readable/consistent indentation VD: if (month == FEB) { if (year % 4 == 0) if (day > 29) legal = FALSE; else if (day > 28) legal = FALSE; } if (month == FEB) { if (year % 4 == 0) { if (day > 29) legal = FALSE; } else { if (day > 28) legal = FALSE; } } Wrong code (else matches “if day > 29”) Right code 47 Structure: Indentation (cont.) Use “else-if” cho cấu trúc đa lựa chọn VD: Bước so sánh trong tìm kiếm nhị phân - binary search. Bad code Good code if (x < v[mid]) high = mid – 1; else if (x > v[mid]) low = mid + 1; else return mid; if (x < v[mid]) high = mid – 1; else if (x > v[mid]) low = mid + 1; else return mid; 2 4 5 7 8 10 17 low=0 high=6 mid=3 10 x v 48 Structure: “Paragraphs” Dùng dòng trống để chia code thành các phần chính #include #include int main(void) /* Read a circle's radius from stdin, and compute and write its diameter and circumference to stdout. Return 0 if successful. */ { const double PI = 3.14159; int radius; int diam; double circum; printf("Enter the circle's radius:\n"); if (scanf("%d", &radius) != 1) { fprintf(stderr, "Error: Not a number\n"); exit(EXIT_FAILURE); /* or: return EXIT_FAILURE; */ } 49 Structure: “Paragraphs” Dùng dòng trống để chia code thành các phần chính diam = 2 * radius; circum = PI * (double)diam; printf("A circle with radius %d has diameter %d\n", radius, diam); printf("and circumference %f.\n", circum); return 0;} 50 Structure: Expressions Dùng các biểu thức dạng nguyên bản VD: Kiểm tra nếu n thỏa mãn j < n < k Bad code Good code BT điều kiện có thể đọc như cách thức bạn viết thông thường Đừng viết BT điều kiện theo kiểu mà bạn không bao giờ sử dụng if (!(n >= k) && !(n <= j)) if ((j < n) && (n < k)) 51 Structure: Expressions (cont.) Dùng () để tránh nhầm lẫn VD: Kiểm tra nếu n thỏa mãn j < n < k Moderately bad code Moderately better code Nên nhóm các nhóm một cách rõ ràng Toán tử quan hệ (vd “>”) có độ ưu tiên cao hơn các toán tử logic (vd “&&”), nhưng ai nhớ điều đó ? if ((j < n) && (n < k)) if (j < n && n < k) 52 Structure: Expressions (cont.) Dùng () để tránh nhầm lẫn (cont.) VD: đọc và in các ký tự cho đến cuối tệp. Wrong code (điều gì xảy ra ???) Right code Nên nhóm các nhóm một cách rõ ràng :explicit Toán tử Logic (“!=“) có độ ưu tiên cao hơn toán tử gán (“=“) while (c = getchar() != EOF) putchar(c); while ((c = getchar()) != EOF) putchar(c); 53 Structure: Expressions (cont.) Đơn giản hóa các biểu thức phức tạp VD: Xác định các ký tự tương ứng với các tháng của năm Bad code Good code Nên xắp xếp các cơ cấu song song ! if ((c == 'J') || (c == 'F') || (c == 'M') || (c == 'A') || (c == 'S') || (c == 'O') || (c == 'N') || (c == 'D')) if ((c == 'J') || (c == 'F') || (c == 'M') || (c == 'A') || (c == 'S') || (c == 'O') || (c == 'N') || (c == 'D')) 54 C Idioms Chú ý khi dùng ++, -- VD: Set each array element to 1.0. Bad code (or, perhaps just “so-so” code) Good code i = 0; while (i <= n-1) array[i++] = 1.0; for (i=0; i<n; i++) array[i] = 1.0; 55 Naming Dùng tên gợi nhớ, có tính miêu tả cho các biến và hàm VD : hovaten , CONTROL, CAPACITY Dùng tên nhất quán cho các biến cục bộ VD, i (not arrayIndex ) cho biến chạy vòng lặp Dùng chữ hoa, chữ thường nhất quán VD., Buffer_Insert (Tên hàm) CAPACITY (hằng số) buf (biến cục bộ) Dùng phong cách nhất quánkhi ghép từ VD., frontsize , frontSize, front_size Dùng động từ cho tên hàm VD., docsolieu () , inkq( ) , Check_Octal() , 56 Comments Làm chủ ngôn ngữ Hãy để chương trình tự diễn tả bản thân Rồi Viết chú thích để thêm thông tin i++; /* add one to i */ Chú thích các đoạn (“paragraphs”) code, đừng chú thích từng dòng vd., “Sort array in ascending order” Chú thích dữ liệu tổng thể Global variables, structure type definitions, . Viết chú thích tương ứng với code!!! Và thay đổi khi bản thân code changes.  57 Comments (cont.) Chú thích các đoạn (“paragraphs”) code, đừng chú thích từng dòng code #include #include int main(void) /* Read a circle's radius from stdin, and compute and write its diameter and circumference to stdout. Return 0 if successful. */ { const double PI = 3.14159; int radius; int diam; double circum; /* Read the circle’s radius. */ printf("Enter the circle's radius:\n"); if (scanf("%d", &radius) != 1) { fprintf(stderr, "Error: Not a number\n"); exit(EXIT_FAILURE); /* or: return EXIT_FAILURE; */ } 58 Comments (cont.) /* Compute the diameter and circumference. */ diam = 2 * radius; circum = PI * (double)diam; /* Print the results. */ printf("A circle with radius %d has diameter %d\n", radius, diam); printf("and circumference %f.\n", circum); return 0;} 59 Function Comments Mô tả những gì cần thiết để gọi hàm 1 cách chính xác Mô tả Hàm làm gì , chứ không phải nó làm như thế nào Bản thân Code phải rõ ràng, dễ hiểu để biết cách nó làm việc Nếu không, hãy viết chú thích bên trong định nghĩa hàm Mô tả đầu vào : Tham số truyền vào, đọc file gì, biến tổng thể được dùng Mô tả outputs : giá trị trả về, tham số truyền ra, ghi ra files gì, các biến tổng thể mà nó tác động tới 60 Function Comments (cont.) Bad function comment Describes how the function works /* decomment.c */ int main(void) { /* Đọc 1 ký tự. Dựa trên ký tự ấy và trạng thái DFA hiện thời, gọi hàm xử lý trạng thái tương ứng. Lặp cho đến hết tệp end-of-file. */ } 61 Function Comments (cont.) Good function comment Describes what the function does /* decomment.c */ int main(void) { /* Đọc 1 CT C qua stdin. Ghi ra stdout với mỗi chú thích thay bằng 1 dấu cách. Trả về 0 nếu thành công, EXIT_FAILURE nếu không thành công. */ } 62 Modularity Chương trình lớn viết khó hơn Ct nhỏ Trừu tượng hóa là chìa khóa để xử lý sự phức tạp Abstraction cho phép LTV biết code làm cái gì, mà không cần biết làm như thế nào Ví dụ : hàm ở mức trừu tượng Hàm sắp xếp 1 mảng các số nguyên Character I/O functions : getchar() and putchar() Mathematical functions : sin (x) and sqrt (x) 63 Bottom-Up Design is Bad Bottom-up design  Thiết kế chi tiết 1 phần Thiết kế chi tiết 1 phần khác Lặp lại cho đến hết Bottom-up design in programming Viết phần đầu tiên của CT 1 cách chi tiết cho đến hết Viết phần tiếp theo của CT 1 cách chi tiết cho đến hết Lặp lại cho đến hết 1 2 1 2 3 4 64 Top-Down Design is Good Top-down design  Thiết kế toàn bộ sản phẩm một cách sơ bộ, tổng thể Tinh chỉnh cho đến khi hoàn thiện Top-down design in programming Xây dựng sơ lược hàm main() bằng pseudocode Tinh chỉnh từng lệnh giả ngữ Công việc đơn giản => thay bằng real code Công việc phức tạp => thay bằng lời gọi hàm Lặp lại sâu hơn, cụ thể, chi tiết hơn Kết quả: Sản phẩmđược modul hóa 1 cách tự nhiên 1 2 3 4 5 65 Top-Down Design in Reality Thiết kế CT Top-down trong thực tiễn : Định nghĩa hàm main() = pseudocode Tinh chỉnh từng lệnh pseudocode Nếu gặp sự cố Oops! Xem lại thiết kế, và Quay lại để tinh chỉnh pseudocode đã có, và tiếp tục Lặp lại (mostly) ở mức sâu hơn, cụ thể hơn, cho đến khi các hàm đc định nghĩa xong 1 2 Oops 1’ 2’ 3 1’ 2’ 3 4 Oops 1’’ 2’’ 3’ 4’ 5 66 Ví dụ: Text Formatting Mục tiêu : Minh họa good program và programming style Đặc biệt là modul hóa mức hàm và top-down design Minh họa cách đi từ vấn đề đến viết code Ôn lại và mô tả cách xây dưng CT C Text formatting Đầu vào: ASCII text, với hàng loạt dấu cách và phân dòng Đầu ra: Cùng nội dung, nhưng căn trái và căn phải Dồn các từ tối đa có thể trên 1 dòng 50 ký tự Thêm các dấu cách cần thiết giữa các từ để căn phải Không cần căn phải dòng cuối cùng Để đơn giản hóa, giả định rằng : 1 từ kết thúc bằng dấu cách space, tab, newline, hoặc end-of-file Không có từ nào quá 20 ký tự 67 Tune every heart and every voice. Bid every bank withdrawal. Let's all with our accounts rejoice. In funding Old Nassau. In funding Old Nassau we spend more money every year. Our banks shall give, while we shall live. We're funding Old Nassau. Tune every heart and every voice. Bid every bank withdrawal. Let's all with our accounts rejoice. In funding Old Nassau. In funding Old Nassau we spend more money every year. Our banks shall give, while we shall live. We're funding Old Nassau. I N P U T O U T P U T Ví dụ về Input and Output 68 Thinking About the Problem Khái niêm “từ” Chuỗi các ký tự không có khoảng trắng, tab xuống dòng, hoặc EOF Tất cả các ký tự trong 1 từ phải đc in trên cùng 1 dòng Làm sao để đọc và in đc các từ Đọc các ký tự từ stdin cho đến khi gặp space, tab, newline, or EOF In các ký tự ra stdout tiếp theo bởi các dấu space(s) or newline Nếu đầu vào lộn xộn thì thế nào ? Cần loại bỏ các dấu spaces thừa, các dấu tabs, và newlines từ input Làm sao có thể căn phải ? Ta không biết được số dấu spaces cần thiết cho đến khi đọc hết các từ Cần phải lưu lại các từ cho đến khi có thể in được trọn vẹn 1 dòng Nhưng, Bao nhiêu space cần phải thêm vào giữa các từ? Cần ít nhất 1 dấu space giữa các từ riêng biệt trên 1 dòng Có thể thêm 1 vài dấu spaces để phủ kín 1 dòng 69 Writing the Program Key constructs Từ - Word Dòng - Line Các bước tiếp theo Viết pseudocode cho hàm main() Tinh chỉnh Lưu ý : Chú thích hàm và một số dòng trống được bỏ qua vì những hạn chế không gian Trình tự thiết kế là lý tưởng Trong thực tế, nhiều backtracking sẽ xảy ra 70 The Top Level int main(void) { for (;;) { if () { return 0; } if () { } } return 0; } pseudocode hàm main() 71 Reading a Word nghĩa là gì? Việc này khá phức tạp nên cần tách thành 1 hàm riêng #include enum {MAX_WORD_LEN = 20}; int main(void) { char word[MAX_WORD_LEN + 1]; int wordLen; for (;;) { wordLen = ReadWord(word); if () { return 0; } if () { } } return 0; } int ReadWord(char *word) { } 72 Reading a Word (cont.) ReadWord() function int ReadWord(char *word) { int ch, pos = 0; /* Bỏ qua whitespace. */ ch = getchar(); while ((ch == ' ') || (ch == '\n') || (ch == '\t')) ch = getchar(); /* Lưu các ký tự vào từ cho đến MAX_WORD_LEN . */ while ((ch != ' ') && (ch != '\n') && (ch != '\t') && (ch != EOF)) { if (pos < MAX_WORD_LEN) { word[pos] = (char)ch; pos++; } ch = getchar(); } word[pos] = '\0'; /* Trả về độ dài từ. */ return pos; } 73 Reading a Word (cont.) Hmmm. ReadWord() chứa 1 vài đoạn code lặp lại => tách thành 1 hàm riêng : IsWhitespace(ch) int ReadWord(char *word) { int ch, pos = 0; /* Bỏ qua whitespace. */ ch = getchar(); while ( IsWhitespace(ch) ) ch = getchar(); /* Lưu các ký tự vào từ cho đến MAX_WORD_LEN . */ while ( !IsWhitespace(ch) && (ch != EOF)) { if (pos < MAX_WORD_LEN) { word[pos] = (char)ch; pos++; } ch = getchar(); } word[pos] = '\0'; /* trả về đọ dài từ. */ return pos; } int IsWhitespace(int ch) { return (ch == ' ') || (ch == '\n') || (ch == '\t'); } 74 Saving a Word Quay lại main(). có nghĩa là gì ? Tạo 1 hàm riêng cho việc đó : AddWord(word, line, &lineLen) #include #include enum {MAX_WORD_LEN = 20}; enum {MAX_LINE_LEN = 50}; int main(void) { char word[MAX_WORD_LEN + 1]; int wordLen; char line[MAX_LINE_LEN + 1]; int lineLen = 0; for (;;) { wordLen = ReadWord(word); if () { return 0; } if (<Từ không vừa dòng) { } AddWord(word, line, &lineLen); } return 0; } void AddWord(const char *word, char *line, int *lineLen) { strcat(line, word); (*lineLen) += strlen(word); } 75 Saving a Word (cont.) AddWord() void AddWord(const char *word, char *line, int *lineLen) { /* Nếu dòng đã chứa 1 số từ, thêm 1 dấu trắng . */ if (*lineLen > 0) { line[*lineLen] = ' '; line[*lineLen + 1] = '\0'; (*lineLen)++; } strcat(line, word); (*lineLen) += strlen(word); } 76 Printing the Last Line và nghĩa là gì ? Tạo các hàm để thực hiện int main(void) { char word[MAX_WORD_LEN + 1]; int wordLen; char line[MAX_LINE_LEN + 1]; int lineLen = 0; for (;;) { wordLen = ReadWord(word); /* Nếu hết từ, in dòng không căn lề. */ if ( (wordLen == 0) && (lineLen > 0) ) { puts(line); return 0; } if () { } AddWord(word, line, &lineLen); } return 0; } 77 Deciding When to Print Nghĩa là gì? int main(void) { char word[MAX_WORD_LEN + 1]; int wordLen; char line[MAX_LINE_LEN + 1]; int lineLen = 0; for (;;) { wordLen = ReadWord(word); /* If no more words, print line with no justification. */ if ((wordLen == 0) && (lineLen > 0)) { puts(line); return 0; } /* Nếu từ không vừa dòng, thì */ if ( (wordLen + 1 + lineLen) > MAX_LINE_LEN ) { } AddWord(word, line, &lineLen); } return 0; } 78 Printing with Justification Bây giờ , đến trong tâm của CT. nghĩa là gì ? Rõ ràng hàm này cần biết trong dòng hiện tại có bao nhiêu từ. Vì vậy ta thêm numWords vào hàm main int main(void) { int numWords = 0; for (;;) { /* Nếu từ không vừa dòng, thì */ if ((wordLen + 1 + lineLen) > MAX_LINE_LEN) { WriteLine(line, lineLen, numWords); } AddWord(word, line, &lineLen); numWords++; } return 0; } 79 Printing with Justification (cont.) Viết pseudocode cho WriteLine() void WriteLine(const char *line, int lineLen, int numWords) { for (i = 0; i < lineLen; i++) { if () else { } } } 80 Printing with Justification (cont.) Hoàn tất hàm WriteLine() void WriteLine(const char *line, int lineLen, int numWords) { int extraSpaces, spacesToInsert, i, j; /* Tính số khoảng trống dư thừa cho dòng . */ extraSpaces = MAX_LINE_LEN - lineLen; for (i = 0; i < lineLen; i++) { if (line[i] != ' ') putchar(line[i]); else { /* Tính số khoảng trống cần thêm . */ spacesToInsert = extraSpaces / (numWords - 1); /* In 1 space, cộng thêm các spaces phụ. */ for (j = 1; j <= spacesToInsert + 1; j++) putchar(' '); /* Giảm bớt spaces và đếm từ. */ extraSpaces -= spacesToInsert; numWords--; } } putchar('\n'); } Số lượng các khoảng trống VD: Nếu extraSpaces = 10 và numWords = 5, thì space bù sẽ là 2, 2, 3, and 3 tương ứng 81 Clearing the Line Cuối cùng. nghĩa là gì ? Tuy đơn giản, nhưng ta cũng xd thành 1 hàm int main(void) { int numWords = 0; ClearLine(line, &lineLen, &numWords); for (;;) { /* If word doesn't fit on this line, then */ if ((wordLen + 1 + lineLen) > MAX_LINE_LEN) { WriteLine(line, lineLen, numWords); ClearLine(line, &lineLen, &numWords); } addWord(word, line, &lineLen); numWords++; } return 0; } void ClearLine(char *line, int *lineLen, int *numWords) { line[0] = '\0'; *lineLen = 0; *numWords = 0; } 82 Modularity: Tóm tắt ví dụ Với người sử dụng CT Input: Văn bản với khuôn dạng lọn xộn Output: Cùng nội dung, nhưng trình bày căn lề trái, phải, rõ ràng, sáng sủa Giữa các phần của CT Các hàm xử lý từ : Word-handling functions Các hàm xử lý dòng : Line-handling functions main() function Lợi ích của modularity Đọc code: dễ ràng, qua cac mẩu nhỏ, riêng biệt Testing : Test từng hàm riêng biệt Tăng tốc độ: Chỉ tập trung vào các ơhaanf chậm Mở rộng: Chỉ thay đổi các phần liên quan 83 The “justify” Program #include #include enum {MAX_WORD_LEN = 20}; enum {MAX_LINE_LEN = 50}; int IsWhitespace(int ch) { return (ch == ' ') || (ch == '\n') || (ch == '\t'); } int ReadWord(char *word) { int ch, pos = 0; ch = getchar(); while (IsWhitespace(ch)) ch = getchar(); while (!IsWhitespace(ch) && (ch != EOF)) { if (pos < MAX_WORD_LEN) { word[pos] = (char)ch; pos++; } ch = getchar(); } word[pos] = '\0'; return pos; } 84 void ClearLine(char *line, int *lineLen, int *numWords) { line[0] = '\0'; *lineLen = 0; *numWords = 0; } void AddWord(const char *word, char *line, int *lineLen) { if (*lineLen > 0) { line[*lineLen] = ' '; line[*lineLen + 1] = '\0'; (*lineLen)++; } strcat(line, word); (*lineLen) += strlen(word); } void WriteLine(const char *line, int lineLen, int numWords) { int extraSpaces, spacesToInsert, i, j; extraSpaces = MAX_LINE_LEN - lineLen; for (i = 0; i < lineLen; i++) { if (line[i] != ' ') putchar(line[i]); else { spacesToInsert = extraSpaces / (numWords - 1); for (j = 1; j <= spacesToInsert + 1; j++) putchar(' '); extraSpaces -= spacesToInsert; numWords--; } } putchar('\n'); } 85 int main(void) { char word[MAX_WORD_LEN + 1]; int wordLen; char line[MAX_LINE_LEN + 1]; int lineLen = 0; int numWords = 0; ClearLine(line, &lineLen, &numWords); for (;;) { wordLen = ReadWord(word); if ((wordLen == 0) && (lineLen > 0)) { puts(line); break; } if ((wordLen + 1 + lineLen) > MAX_LINE_LEN) { WriteLine(line, lineLen, numWords); ClearLine(line, &lineLen, &numWords); } AddWord(word, line, &lineLen); numWords++; } return 0; } 86 Optimizing C and C++ Code Đặt kích thước mảng = bội của 2 Với mảng, khi tạo chỉ số, trình dịch thực hiện các phép nhân, vì vậy, hãy đặt kích thước mảng bằng bôi số của 2 để phép nhân có thể đc chuyển thành phép toán dịch chuyển nhanh chóng Đặt các case labels trong phạm vi hẹp Nếu số case label trong câu lệnh switch nằm trong phạm vi hẹp, trình dịch sẽ biến đổi thành if – else - if lồng nhau, mà tạo thành 1 bảng các chỉ số, như vậy thao tác sẽ nhanh hơn Đặt các trường hợp thường gặp trong lệnh switch lên đầu Khi số các trường hợp tuyển chọn là nhiều và tách biệt, trình dịch sẽ biến lệnh switch thành các nhóm if – else –if lồng nhau. Nếu bố trí các case thường gặp lên trên, việc thực hiện sẽ nhanh hơn Tái tạo các switch lớn thành các switches lồng nhau Khi số cases nhiều, hãy chủ động chia chúng thành các switch lồng nhau, nhóm 1 gồm những cases thường gặp, và nhóm 2 gồm những cases ít gặp=> kết quả là các phép thử sẽ ít hơn, tốc độ nhanh hơn 87 Optimizing C and C++ Code (tt) Minimize local variables Các biến cục bộ được cấp phát và khởi tạo khi hàm đc gọi, và giải phóng khi hàm kết thúc, vì vậy mất thời gian Khai báo các biến cục bộ trong phạm vi nhỏ nhất Hạn chế số tham số của hàm Với các tham số và giá trị trả về > 4 bytes, hãy dùng tham chiếu Đừng định nghĩa giá trị trả về, nếu không sử dụng ( void) Lưu ý ví trí của tham chiếu tới code và data Các bộ xử lý dữ liệu hoặc mã giữ được tham chiếu trong bộ nhớ cache để tham khảo về sau, nếu được nó từ bộ nhớ cache. Những tài liệu tham khảo bộ nhớ cache được nhanh hơn. Do đó nó nên mã và dữ liệu đang được sử dụng cùng nhau thực sự nên được đặt với nhau . Điều này với object trong C + + là đương nhiên. Với C ? ( Không dùng biến tổng thể, dùng biến cục bộ ) 88 Optimizing C and C++ Code (tt) Nên dùng int thay vì char hay short ( mất thời gian convert ), nếu biết int không âm, hãy dùng unsigned int Hãy định nghĩa các hàm khởi tạo đơn giản Thay vì gán, hãy khởi tạo giá trị cho biến Hãy dùng danh sách khởi tạo trong hàm khởi tạo Employee::Employee(String name, String designation) { m_name = name; m_designation = designation; } /* === Optimized Version === */ Employee::Employee(String name, String designation): m_name(name), m_destignation (designation) { } Đừng định nghĩa các hàm ảo tùy hứng : "just in case" virtual functions Các hàm gồm 1 đến 3 dòng lệnh nên định nghĩa inline 89 Một vài ví dụ tối ưu mã C, C++ typedef unsigned int uint; uint div32u (uint a) { return a / 32; } int div32s (int a){ return a / 32; } 90 switch ( queue ) { case 0 : letter = 'W'; break; case 1 : letter = 'S'; break; case 2 : letter = 'U'; break; } Hoặc có thể là : if ( queue == 0 ) letter = 'W'; else if ( queue == 1 ) letter = 'S'; else letter = 'U'; static char *classes="WSU"; letter = classes[queue]; 91 (x >= min && x < max) có thể chuyển thành (unsigned)(x - min) < (max - min) int fact1_func (int n) { int i, fact = 1; for (i = 1; i <= n; i++) fact *= i; return (fact); } int fact2_func(int n) { int i, fact = 1; for (i = n; i != 0; i--) fact *= i; return (fact); } Fact2_func nhanh hơn, vi phép thử != đơn giản hơn <= 92 Tối ưu đoạn code sau : found = FALSE; for(i=0;i<10000;i++) { if( list[i] == -99 ) { found = TRUE; } } if( found ) printf("Yes, there is a -99. !\n"); 93 Floating_point So sánh : x = x / 3.0; Và x = x * (1.0/3.0) ; ? (biểu thức hằng được thực hiện ngay khi dịch) Hãy dùng float thay vì double Tránh dùng sin, exp và log (chậm gấp 10 lần * ) Lưu ý : nếu x là float hay double thì : 3 * (x / 3) x. Thậm chí thứ tự tính toán cũng quan trọng: (a + b) + c a + (b + c). 94 Tránh dùng ++, -- trong biểu thức lặp , vd while ( n--) {} Dùng x * 0.5 thay vì x / 2.0. x+x+x thay vì x*3 Mảng 1 chiều nhanh hơn mảng nhiều chiều Tránh dùng đệ quy 95