مهندسین نرم افزار از زبان‌های برنامه نویسی مختلفی استفاده می‌کنند تا بتوانند برنامه‌های متفاوتی را ایجاد بکنند. اما مهمتر از هر چیزی این نکته را نباید فراموش کرد که برنامه نویسان قبل از شروع به کدنویسی، نیاز دارند تا یکسری روال کاری را برای خودشان طراحی کنند تا در صورت برخورد با مشکلات بتوانند به صورت درست با آن برخورد نمایند. نداشتن این روال کاری و رویکرد از پیش آماده شده شانس اینکه نرم افزار با خطاهای بسیار زیادی مواجه شود را افزایش می‌دهد.
الگوریتم و فلوچارت دو ابزار و رویکرد قدرتمند در فرایند یادگیری برنامه نویسی و همچنین پیاده‌سازی روال کاری یک نرم افزار هستند. یک الگوریتم در واقع آنالیز‌های یک کار را به صورت قدم به قدم بر عهده دارد، در حالیکه فلوچارت هر کدام از مراحل توسعه یک نرم افزار را به صورت گرافیکی نشان می‌دهد. این دو به عنوان مکمل‌های همدیگر شناخته می‌شوند و توانایی پیاده‌سازی هر دو این موارد در کنار همدیگر، نشان از قدرتمند بودن بیشتر نرم افزاری‌ست که در آینده قرار است درست شود.
برای افراد مبتدی و کسانی که قصد ایجاد یک نرم افزار را از اول دارند پیشنهاد می‌شود که در ابتدا فلوچارت و الگوریتم نرم افزار خود را طراحی کنند تا بدانند دقیقا قرار است چه چیزی را خلق کنند. در این حالت اگر به مشکلی نیز برخورد کردند می‌توانند به سرعت براساس نقشه راهی که فلوچارت و الگوریتم به آن‌ها می‌دهد، راهکار مناسب را پیدا کنند.
البته بسیاری از افراد مبتدی توانایی بالایی در طراحی و ساخت الگوریتم و فلوچارت ندارند و به همین دلیل این نقطه از مهندسی نرم افزار را چالش برانگیز می‌بینند. به همین دلیل بسیاری از اوقات شاهد آن بوده‌ایم که نرم افزاری بدون ایجاد فلوچارت و الگوریتم طراحی و ساخته شده است و در بیشتر مواقع نیز با شکست روبرو شده است.
این نکته را نیز در نظر بگیرید که الگوریتم یک رویکرد بسیار روشمند برای حل کردن مشکلات است. از این جهت افراد مختلف ممکن است در فرایند ساخت الگوریتم‌های‌شان از روش‌های متفاوتی استفاده کرده و لزوما الگوریتم و فلوچارت افراد مختلف مشابه همدیگر نخواهند بود.
در این مقاله از وبسایت راکت قصد داریم شما را با کلیت مفهوم الگوریتم و چگونگی ساختار کلی آن آشنا کنیم.
الگوریتم
کلمه الگوریتم مربوط به دانشمند و ریاضی‌دان ایرانی «خوارزمی» است. این اسم نشان‌گر انجام یک کار با استفاده از یک پلن یا نقشه راه قدم به قدم است. دانشمندان و مهندسان علوم کامپیوتر از الگوریتم برای حل کردن خطاها، مشکلات و برنامه ریزی برای ایجاد یک نرم افزار استفاده می‌کنند.
یک الگوریتم شامل مجموعه‌ای از دستورات و اقدامات است که باید به صورت ترتیبی انجام شود تا بتوان به یک نتیجه نهایی دست پیدا کرد. مسلما این نتیجه نهایی چیزی خواهد بود که پیش از تعریف الگوریتم تعیین شده است.
هر الگوریتمی دارای چهار اصل و ویژگی پایه‌ای‌ست که در زیر این چهار مورد را به صورت لیست می‌توانید مطالعه کنید:
- ورودی: هر الگوریتم می‌تواند شامل ورودی باشد. البته این مورد همیشه درست نبوده و در برخی از حالت‌ها الگوریتم‌ها هیچ ورودی خاصی ندارند.
- خروجی: از هر الگوریتمی انتظار می‌رود که یک یا چند خروجی را برای ما تولید کند. الگوریتمی که نتواند خروجی تولید کند یک الگوریتم صحیح نبوده و باید مشکل آن را پیدا کرد.
- تعریف: مراحل و فرایندی که برای یک الگوریتم ایجاد می‌شود باید دارای تعریف واضح و روشنی باشد. در غیر اینصورت الگوریتمی که خود قرار است به شما کمک کند تا مشکلی را حل کنید، خود به یک معضل تبدیل می‌شود.
- پایان پذیر: در تعریف هر الگوریتم ممکن است یک دستور ثابت توسط شروط و حلقه‌ها چندین بار تکرار شود. یک الگوریتم نیاز دارد که نقطه پایانی داشته باشد و نباید در یک حلقه از تکرارهای پایان ناپذیر قرار بگیرد.
هم الگوریتم و هم فلوچارت دارای یکسری ساختارهای کنترلی هستند که برای کنترل کردن نوع انجام کارها مورد استفاده قرار می‌گیرد. در زیر این ساختارهای کنترلی را می‌توانید مطالعه کنید:
- ترتیب: ساختار کنترلی ترتیب به این موضوع اشاره می‌کند که یک الگوریتم از یک نقطه مبدا شروع شده و به صورت قدم به قدم به نقطه پایان می‌رسد. الگوریتم‌ها نمی‌توانند از وسط آغاز شوند و نمی‌توانند بدون پایان نیز باشند.
- شاخه‌ها: در برخی از الگوریتم‌ها و فلوچارت‌ها شما باید دو مسیر را تعیین کنید. در این حالت قبل از اینکه ساختار ترتیب وارد یکی از دو مسیر شود باید یک شرط بررسی شود. در صورت درست بودن شرط ساختار ترتیب براساس برنامه ریزی که شما انجام داده‌اید وارد یکی از مسیرها خواهد شد. به این ساختار کنترلی در الگوریتم و فلوچارت Branching گفته می‌شود.
- حلقه یا تکرار: ساختار کنترلی حلقه یا تکرار به شما این اجازه را می‌دهد تا یک دستور خاص در الگوریتم را بیش از یکبار اجرا کنید. این حلقه یا تکرار نیز می‌تواند باید براساس یک شرط عمل کند چرا که بدون شرط، حلقه تا بی نهایت ادامه خواهد داشت. همانطور که پیشتر اشاره کردم، الگوریتم باید پایان پذیر باشد.
مزایای استفاده از الگوریتم
- تبدیل کردن یک مشکل بزرگ به یکسری مشکلات کوچکتر که به صورت قدم به قدم می‌توان آن را حل کرد یک مزیت بزرگ در جهت درک مشکلات و حل کردن آن هاست که الگوریتم به شما می‌دهد.
- الگوریتم از یک رویکرد تعریف شده استفاده کرده و مشکلات بوجود آمده را می‌توان از پیشتر، پیش‌بینی کرد.
- وابستگی به یک زبان برنامه نویسی خاص نداشته و نسبت به اینکه با چه زبان و فریمورکی آن پیاده‌سازی کنید مستقل است.
- رفع عیب کردن و حل کردن مشکلات و خطاها در الگوریتم به دلیل ماهیت توضیحی بسیار ساده است.
چگونه یک الگوریتم را بنویسیم؟ (همراه با یک مثال ساده)
قدم اول: ورودی‌های الگوریتم خود را تعیین کنید. همانطور که گفته شد یک الگوریتم می‌تواند هیچ یا چند ورودی داشته باشد. برای مثال زمانی که شما قصد دارید مساحت یک مستطیل را حساب کنید ورودی‌های شما طول و عرض آن مستطیل خواهد بود.
قدم دوم: تعیین متغیرهای یک الگوریتم در مرحله دوم انجام می‌شود. زمانی که شما متغیر تعریف کنید می‌توانید مقادیر داده‌ای مختلفی را به کار ببرید. در همان مثال مساحت مستطیل، متغیرهای شما دو مورد خواهد بود که می‌توانید با نام‌های Height و Width آن‌ها را نامگذاری کنید. به عنوان یک نکته مهم این موضوع را همواره در نظر داشته باشید که برای تعیین نام متغیرهای‌تان از اسامی با مفهوم استفاده کنید و از نام‌هایی مانند H و W خودداری کنید.
قدم سوم: عملیاتی که در الگوریتم باید انجام شود را تعریف کنید. برای مثال ضرب دو متغیر در نهایت می‌تواند به شما مساحت درست مستطیل را بدهد. در این حالت شما دو عملوند (متغیر) و یک عملگر خواهید داشت. عملگر این مثال ما ضرب خواهد بود. عملیاتی که شما در نظر دارید می‌تواند بسیار پیچیده و دارای Branch یا شاخه‌های مختلفی باشد و یا می‌تواند مانند این مثال یک عملیات ساده و سرراست باشد.
قدم چهارم: خروجی خود را تعیین کنید. پس از انجام عملیات شما با یک مقدار جدید روبرو هستید از حاصلضرب طول و عرض یک مستطیل است. اما باید این مقدار جدید را در یک متغیر جدید نیز تعریف کرده و به عنوان خروجی نهایی الگوریتم خود آن را معرفی کنید. این متغیر می‌تواند Area نامیده شود.
چگونه الگوریتم نویسی را یاد بگیریم؟
یادگیری الگوریتم نویسی می‌تواند یکی از چالش‌برانگیزترین و در عین حال لذت‌بخش‌ترین جنبه‌های برنامه‌نویسی باشد. در اینجا یک راهنمای گام به گام برای شروع و پیشرفت در این زمینه آورده شده است:
۱. فراگیری مفاهیم پایه
- مفاهیم پایه برنامه‌نویسی: قبل از شروع به یادگیری الگوریتم‌ها، اطمینان حاصل کنید که با زبان‌های برنامه‌نویسی پایه مثل جاوا، پایتون، سی++ و… و مفاهیم اولیه مانند حلقه‌ها، شرط‌ها و توابع آشنا هستید.
- ساختار داده‌ها: یادگیری ساختارهای داده مانند آرایه‌ها، لیست‌های پیوندی، پشته‌ها، صف‌ها، درختان و گراف‌ها برای درک بهتر الگوریتم‌ها ضروری است.
۲. یادگیری الگوریتم‌های پایه
- مرتب‌سازی و جستجو: شروع کنید با یادگیری الگوریتم‌های پایه مانند مرتب‌سازی حبابی، مرتب‌سازی درجی، مرتب‌سازی سریع، جستجوی خطی و جستجوی دودویی.
- الگوریتم‌های بازگشتی: درک نحوه کار بازگشتی و استفاده از آن در حل مسائل.
۳. حل مسئله
- تمرین روزانه: استفاده از وب‌سایت‌هایی مانند LeetCode, HackerRank, و Codeforces برای تمرین مسائل الگوریتمی مختلف.
- یادگیری از راه حل‌ها: پس از تلاش برای حل مسئله، راه حل‌های دیگران را بررسی کنید تا رویکردها و تکنیک‌های جدیدی یاد بگیرید.
۴. فراگیری الگوریتم‌های پیشرفته
- الگوریتم‌های پیشرفته: پس از راحت شدن با الگوریتم‌های پایه، به سراغ الگوریتم‌های پیشرفته‌تر مانند الگوریتم‌های جستجوی عمق اول (DFS) و جستجوی سطح اول (BFS)، الگوریتم‌های کوتاه‌ترین مسیر مانند دایجسترا و بلمن-فورد، و الگوریتم‌های برنامه‌نویسی پویا بروید.
۵. پروژه‌های عملی
- انجام پروژه‌های عملی: سعی کنید پروژه‌هایی با مسائل واقعی را انجام دهید که نیازمند استفاده و اعمال الگوریتم‌ها هستند. این کار به شما کمک می‌کند تا دانش خود را در زمینه‌های واقعی به کار ببرید.
۶. یادگیری مداوم
- خواندن کتاب‌ها و مقالات: کتاب‌هایی مانند “The Algorithm Design Manual” اثر استیون اسکینا و “Introduction to Algorithms” اثر توماس اچ. کورمن و همکاران، منابع عالی برای یادگیری عمیق‌تر هستند.
- شرکت در مسابقات: شرکت در مسابقات برنامه‌نویسی به شما کمک می‌کند تا مهارت‌های خود را در محیط‌های رقابتی به چالش بکشید.
یادگیری الگوریتم نویسی نیازمند صبر، تمرین مداوم و زمان است. مهم‌ترین نکته این است که ناامید نشوید و به تمرین ادامه دهید.
در پایان
موضوعی که در این مطلب به آن اشاره کردیم یک موضوع سطحی نبوده و بسیار مهم و چالش برانگیز است. اگر واقعی‌تر به مسئله نیز نگاه کنیم خواهید دید که ده‌ها کتاب در این زمینه نوشته شده است که هر کدام دارای عمق خاصی از مفهوم هستند.
دیدگاهتان را بنویسید