Ngôn ngữ lập trình thủ tục là gì

Ngôn ngữ lập trình thủ tục là một mô hình lập trình tập trung vào việc xây dựng ứng dụng thông qua các đoạn mã có thể tái sử dụng, gọi là thủ tục hoặc hàm. Phong cách này áp dụng phương pháp thiết kế “từ trên xuống”, chia nhỏ vấn đề phức tạp thành các nhiệm vụ nhỏ, dễ quản lý. Những ngôn ngữ thủ tục tiêu biểu gồm C, Pascal và FORTRAN, cho phép lập trình viên kiểm soát luồng chương trình bằng biến, câu lệnh điều kiện, vòng lặp và lời gọi hàm. Phương pháp này từng thống trị giai đoạn đầu của khoa học máy tính, giúp phát triển phần mềm có cấu trúc rõ ràng và luồng thực thi minh bạch.

Nền tảng

Các ngôn ngữ lập trình thủ tục xuất hiện từ cuối thập niên 1950, đầu thập niên 1960, khi các nhà khoa học máy tính tìm kiếm phương pháp lập trình hiệu quả hơn để thay thế ngôn ngữ hợp ngữ phức tạp, khó bảo trì.

1. FORTRAN (1957) là một trong những ngôn ngữ thủ tục cấp cao đầu tiên, chủ yếu dùng cho tính toán khoa học và kỹ thuật.
2. ALGOL (1958) đưa ra khái niệm cấu trúc khối, ảnh hưởng sâu rộng đến các ngôn ngữ sau này.
3. COBOL (1959) dành cho ứng dụng kinh doanh, chú trọng xử lý dữ liệu và tạo báo cáo.
4. PL/I (1964) kết hợp đặc điểm của lập trình khoa học và kinh doanh.
5. Pascal (1970), do Niklaus Wirth thiết kế, nhấn mạnh cấu trúc và an toàn kiểu dữ liệu.
6. C (1972), do Dennis Ritchie phát triển tại Bell Labs, trở thành hình mẫu lập trình thủ tục hiện đại.

Sự ra đời của các ngôn ngữ này mở đầu cho “cuộc cách mạng lập trình có cấu trúc”, thúc đẩy phương pháp lập trình chuyển từ hướng máy sang hướng giải quyết vấn đề.

Cơ chế hoạt động

Ngôn ngữ lập trình thủ tục vận hành dựa trên các cơ chế và khái niệm chính sau:

1. Thực thi tuần tự: Chương trình thực hiện các câu lệnh lần lượt theo thứ tự.
2. Biến và kiểu dữ liệu: Lưu trữ, xử lý dữ liệu, mỗi biến có kiểu dữ liệu xác định.
3. Câu lệnh điều kiện: Cấu trúc như if-else cho phép thực thi các nhánh mã khác nhau tùy điều kiện.
4. Cấu trúc vòng lặp: for, while, v.v., dùng để lặp lại khối mã.
5. Trừu tượng thủ tục: Tổ chức mã thành hàm/thủ tục, hỗ trợ truyền tham số, trả về giá trị.
6. Biến toàn cục và cục bộ: Xác định phạm vi và thời gian tồn tại của biến.
7. Con trỏ, quản lý bộ nhớ: Một số ngôn ngữ (như C) cho phép thao tác trực tiếp với bộ nhớ.
8. Mảng và cấu trúc: Tổ chức, quản lý dữ liệu phức tạp.

Triết lý của lập trình thủ tục gắn liền “làm gì” với “làm như thế nào”, đòi hỏi lập trình viên phải xác định chi tiết từng bước máy tính thực hiện. Mô hình này tập trung vào các bước thuật toán và thay đổi trạng thái, thay vì quan hệ giữa đối tượng hay biến đổi hàm.

Rủi ro và thách thức của ngôn ngữ lập trình thủ tục

Dù đặt nền móng cho phát triển phần mềm, ngôn ngữ thủ tục vẫn tồn tại nhiều hạn chế và thách thức:

1. Vấn đề mở rộng: Khi chương trình lớn dần, mã thủ tục khó quản lý, bảo trì.
2. Tách biệt dữ liệu và chức năng: Dữ liệu và hàm xử lý bị tách rời, có thể làm thiết kế hệ thống kém gắn kết.
3. Hạn chế tái sử dụng mã: So với lập trình hướng đối tượng, thủ tục ít linh hoạt trong tái sử dụng mã.
4. Quản lý trạng thái toàn cục: Lạm dụng biến toàn cục dễ gây hiệu ứng phụ, lỗi khó truy vết.
5. Thiếu đóng gói: Dữ liệu dễ bị sửa đổi ngoài ý muốn, thiếu kiểm soát truy cập như các ngôn ngữ hiện đại.
6. Lập trình đồng thời gặp khó khăn: Quản lý trạng thái chia sẻ phức tạp trong môi trường đa luồng.
7. Hạn chế trừu tượng hóa: Khó diễn đạt các khái niệm cấp cao, mối quan hệ phức tạp.

Những thách thức này thúc đẩy sự ra đời của các mô hình lập trình khác như hướng đối tượng, lập trình hàm, mỗi mô hình đều khắc phục một số hạn chế của thủ tục.

Ngôn ngữ lập trình thủ tục có ý nghĩa cột mốc trong lịch sử khoa học máy tính và kỹ thuật phần mềm. Chúng đặt nền tảng cho lập trình có cấu trúc, giới thiệu mô-đun hóa và tái sử dụng mã, nâng cao hiệu quả, khả năng bảo trì phần mềm. Dù lập trình hiện đại ngày càng kết hợp nhiều mô hình, nguyên lý thủ tục vẫn là kiến thức nền tảng cho mọi lập trình viên. Trong hệ thống nhúng, lập trình hệ thống và ứng dụng đòi hỏi hiệu năng cao, các ngôn ngữ như C vẫn chiếm ưu thế. Nắm vững lập trình thủ tục giúp hiểu lịch sử phát triển lập trình và hỗ trợ lựa chọn phương pháp phù hợp cho từng trường hợp cụ thể.