Phương pháp luận sáng tạo trong khoa học 40 nguyên tắc sáng tạo ứng dụng trong tin học và quá trình tiến hóa ngôn ngữ lập trình

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Phương Pháp Luận Sáng Tạo Trong Khoa Học 40 nguyên tắc sáng tạo ứng dụng trong tin học và quá trình tiến hóa ngôn ngữ lập trình Giáo viên hướng dẫn GS.TSKH. Hoàng Kiếm Học viên: Huỳnh Lê Quốc Vương MHV: CH1101158 04 - 2012 1 LỜI MỞ ĐẦU: .............................................................................................................. 4 I. 40 Nguyên tắc sáng tạo và ứng dụng trong tin học: ............................... 5 1. Nguyên tắc phân nhỏ: .................................................................................... 5 2. Nguyên tắc “tách khỏi”: ................................................................................ 5 3. Nguyên tắc phẩm chất cục bộ: ....................................................................... 6 4. Nguyên tắc phản đối xứng: ............................................................................ 7 5. Nguyên tắc kết hợp: ...................................................................................... 7 6. Nguyên tắc vạn năng: .................................................................................... 8 7. Nguyên tắc “chứa trong”: .............................................................................. 8 8. Nguyên tắc phản trọng lượng: ....................................................................... 8 9. Nguyên tắc gây ứng suất sơ bộ: ..................................................................... 9 10. Nguyên tắc thực hiện sơ bộ: .......................................................................... 9 11. Nguyên tắc dự phòng: ................................................................................. 10 12. Nguyên tắc đẳng thế: ................................................................................... 10 13. Nguyên tắc đảo ngược: ................................................................................ 11 14. Nguyên tắc cầu (tròn) hoá: .......................................................................... 11 15. Nguyên tắc linh động: ................................................................................. 11 16. Nguyên tắc giải “thiếu” hoặc “thừa”: .......................................................... 12 17. Nguyên tắc chuyển sang chiều khác: ........................................................... 12 18. Nguyên tắc sử dụng các dao động cơ học: ................................................... 13 19. Nguyên tắc tác động theo chu kỳ: ................................................................ 13 20. Nguyên tắc liên tục tác động có ích ............................................................. 14 21. Nguyên tắc “vượt nhanh”: ........................................................................... 14 2 22. Nguyên tắc biến hại thành lợi: ..................................................................... 15 23. Nguyên tắc quan hệ phản hồi: ..................................................................... 15 24. Nguyên tắc sử dụng trung gian: ................................................................... 15 25. Nguyên tắc tự phục vụ: ............................................................................... 16 26. Nguyên tắc sao chép (copy): ....................................................................... 16 27. Nguyên tắc “rẻ” thay cho “đắt”: .................................................................. 17 28. Thay thế sơ đồ cơ học: ................................................................................ 17 29. Sử dụng các kết cấu khí và lỏng: ................................................................. 18 30. Sử dụng vỏ dẻo và màng mỏng: .................................................................. 18 31. Sử dụng các vật liệu nhiều lỗ:...................................................................... 18 32. Nguyên tắc thay đổi màu sắc: ...................................................................... 19 33. Nguyên tắc đồng nhất:................................................................................. 19 34. Nguyên tắc phân hủy hoặc tái sinh các phần: .............................................. 20 35. Thay đổi các thông số hoá lý của đối tượng: ................................................ 20 36. Sử dụng chuyển pha: ................................................................................... 20 37. Sử dụng sự nở nhiệt: ................................................................................... 21 38. Sử dụng các chất oxy hoá mạnh: ................................................................. 21 39. Thay đổi độ trơ:........................................................................................... 22 40. Sử dụng các vật liệu hợp thành (composite): ............................................... 22 II. Lịch sử phát triển ngôn ngữ lập trình: .................................................... 23 1. Zuse’s Plankalkül: ....................................................................................... 24 2. Các ngôn ngữ mã giả:.................................................................................. 24 3. IBM và Fortran ........................................................................................... 25 4. Lập trình hàm .............................................................................................. 28 3 5. Bước đầu tiên tiến tới sự tinh xảo ................................................................ 30 6. Khởi đầu của ngôn ngữ cho doanh nghiệp ................................................... 32 7. Bắt đầu khái niệm chia sẻ thời gian ............................................................. 33 8. Ngôn ngữ cho cả khoa học và doanh nghiệp : PL/I ...................................... 33 9. Hai ngôn ngữ động đầu tiên : APL và SNOBOL ......................................... 34 10. Bắt đầu trừu tượng hóa dữ liệu : SIMULA 67 ............................................. 35 11. Thiết kế trực giao : ALGOL 68 ................................................................... 36 12. Lập trình dựa trên Logic : Prolog ................................................................ 36 13. Ngôn ngữ được thiết kế công phu nhất : Ada ............................................... 37 14. Lập trình hướng đối tượng : Smalltalk ......................................................... 38 15. Kết hợp giữa lập trình mệnh lệnh và lập trình hướng đối tượng: C++ .......... 38 16. Một ngôn ngữ hướng đối tượng dựa trên mệnh lệnh : Java .......................... 39 17. Các ngôn ngữ kịch bản cho Web ................................................................. 39 18. Xu hướng hiện nay ...................................................................................... 40 III. Kết luận:............................................................................................................ 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO:.......................................................................................... 42 4 Lời mở đầu: Nếu ai đó chưa biết, chưa đọc, chưa nghiên cứu về Genrikh Saulovich Atchuller và Lý thuyết giải các bài toán sáng chế (TRIZ) của ông thì quả là một thiệt thòi đối với người đó. Tại sao vậy? Bởi ông là một tài năng lớn, một người có nhân cách sáng ngời, là một nhà khoa học rất đáng kính trọng. Đặc biệt với TRIZ 40 nguyên tắc sáng tạo, ông đã góp phần tạo nên sự phát triển cho thế giới này. Khi con người sinh ra bản năng đã ham muốn tìm tòi học hỏi khám phá những điều mới mẻ. Nhờ có khả năng tư duy sáng tạo thiên tài mà những nhà phát minh như Leonardo Da Vinci, Archimedes hay Thomas Edison, … đã làm thay đổi cuộc sống của nhân loại này. Vậy đối với những người bình thường chúng ta thì sao, làm sao có thể có những cải tiến đóng góp cho xã hội? Thầy Atchuller đã hiểu được điều đó và năm 1946, ông đã nung nấu ý định đầu tiên xây dựng một lý thuyết giúp bất kỳ một người bình thường nào cũng có thể thực hiện được các sáng chế mà sau này ông đặt tên là “Lý thuyết giải các bài toán sáng chế” (TRIZ). Với 40 nguyên tắc sáng tạo cơ bản này có thể nói nó đã tổng quát được hầu như hàng triệu phát minh cải tiến trong cuộc sống con người trong thời gian qua. Và lĩnh vực công nghệ thông tin cũng không phải là ngoại lệ. Trong bài luận này sẽ trình bày 40 nguyên tắc sáng tạo và những ví dụ trong công nghệ thông tin với từng nguyên tắc (mỗi nguyên tắc sẽ có hai ví dụ) cho bạn dễ hình dung. Ngoài ra, nhờ có sự phát triển mạnh mẽ của phần cứng từ máy dệt tự động Jacquard đến những siêu máy tính ngày nay mà các ngôn ngữ lập trình cũng được tiến hóa theo. Chúng tiến hóa theo cách nào và đem lại những gì? Chúng ta hãy cùng xem sự tiến hóa của chúng trong các nguyên tắc sáng tạo như thế nào nhé. 5 I. 40 Nguyên tắc sáng tạo và ứng dụng trong tin học: 1. Nguyên tắc phân nhỏ: Nội dung: - Chia đối tượng thành các phần độc lập. - Làm đối tượng trở nên tháo lắp được. - Tăng mức độ phân nhỏ đối tượng. Ví dụ: - Cách tiếp cận top-down trong thiết kế hệ thống, chia hệ thống thành nhiều phần nhỏ hơn. Bằng cách đó, chia hệ thống phức tạp thành nhiều mô-đun ít phức tạp hơn. Quá trình này có thể được thực hiện lại cho từng mô-đun cho đến khi các mô-đun không còn bất cứ sự phức tạp nào nữa. - Một ứng dụng có thể được xây dựng dựa trên các dịch vụ độc lập có sẵn trong mạng cục bộ hay qua Internet chẳng hạn như Web-service (thông qua các Web-service của Yahoo, ta có thể xây dựng một ứng dụng chat tương tự như Yahoo! Messenger cho riêng mình). Tương tự, các ứng dụng có thể được xây dựng bằng cách sử dụng các thành phần thương mại (ta có thể sử dụng mCore.NET để tích hợp gửi và nhận tin nhắn SMS vào các ứng dụng chạy trên nền tảng .NET) hay miễn phí (từ kernel của Linux mà hiện này có hơn 100 bản phân phối như Mint, Ubuntu, Fedora, …) 2. Nguyên tắc “tách khỏi”: Nội dung: - Tách phần gây “phiền phức” (tính chất “phiền phức”) hay ngược lại tách phần duy nhất “cần thiết” (tính chất “cần thiết”) ra khỏi đối tượng. Ví dụ: 6 - Trong cơ chế nén âm thanh MP3 loại bỏ đi các phần tín hiệu của âm thanh mà đa số mọi người không thể nghe được nhờ các đặc điểm chức năng nghe của con người. Tượng tự, trong kỹ thuật nén ảnh như JPEG loại bỏ thông tin để đạt được tỉ lệ nén ảnh cao hơn của một ảnh mà không biến dạng ảnh quá nhiều. - Khi dữ liệu ít, ta lưu trữ chúng ở vài máy tính trong phòng, trong công ty. Nhưng khi dữ liệu lớn sẽ khó khăn trong việc bảo trì, mở rộng, … Do đó, ta phải nhờ tới data center. 3. Nguyên tắc phẩm chất cục bộ: Nội dung: - Chuyển đối tượng (hay môi trường bên ngoài, tác động bên ngoài) có cấu trúc đồng nhất thành không đồng nhất. - Các phần khác nhau của đối tượng phải có các chức năng khác nhau. - Mỗi phần của đối tượng phải ở trong những điều kiện thích hợp nhất đối với công việc. Ví dụ: - Mô hình: Blackboard. Được sử dụng cho các vấn đề không xác định được chiến lược giải pháp. Ý tưởng là một tập hợp các chương trình độc lập mà cùng làm việc cộng tác trên một cấu trúc dữ liệu chung. Mỗi chương trình giải quyết một phần của tổng thế công việc, và tất cả chương trình làm việc với nhau về giải pháp. Các chương trình chuyên biệt này độc lập lẫn nhau. Chúng không gọi lẫn nhau, không có một sự tuần tự nào định trước về hoạt động của chúng. Thay vào đó, chúng được điều khiển bởi hệ thống chủ yếu dựa vào trạng thái hiện tại của tiến độ. Một thành phần điều khiển trung tâm sẽ đánh giá trạng thái hiện tại của việc xử lý và điều phối các chương trình. Cách thức điều khiển hướng dữ liệu này làm thử nghiệm với các thuật toán khác nhau có thể, 7 và cho phép việc suy ra qua các thử nghiệm “heuristic” để điều khiển việc xử lý. - Sửa một danh sách liên kết của các đối tượng xe máy thành một danh sách liên kết của các đối tượng xe. Việc trừu tượng hóa cao hơn này sẽ cho phép các đối tượng không đồng bộ (xe đạp, xe hơi, …) được lưu trữ trong cùng lớp bộ chứa và ngược lại. 4. Nguyên tắc phản đối xứng: Nội dung: - Chuyển đối tượng có hình dạng đối xứng thành không đối xứng (nói chung giảm bật đối xứng). Ví dụ: - Chuẩn của sắp xếp nhanh thường lấy phần tử giữa làm phần tử chốt. Bằng cách sử dụng phần tử trung vị trong ba phần tử đứng đầu, đứng giữa và đứng cuối làm phần tử chốt thường sẽ đạt được hiệu suất tốt hơn. - Trong thanh công cụ tìm kiếm bài hát, thay vì chỉ nhập vào tên bài hát. Ta có thể nhập vào tên ca sĩ, tên nhạc sĩ, một đoạn bài hát, … để giúp người dùng thuận lợi hơn trong việc tìm kiếm bài hát. 5. Nguyên tắc kết hợp: Nội dung: - Kết hợp các đối tượng đồng nhất hoặc các đối tượng dùng cho các hoạt động kế cận. - Kết hợp về mặt thời gian các hoạt động đồng nhất hoặc kế cận. Ví dụ: - Một trang web có thể được xây dựng từ nhiều khung (frame). Mỗi frame có thể được tải từ một server khác nhau. Điều này làm tăng tốc độ tải trang do nhiều kết nối được sử dụng đồng thời. 8 - Một tập đĩa RAID-5 phân chia một tập tin qua nhiều đĩa có thể truy xuất để lấy hay lưu trữ tập tin đó nhanh hơn vì nó được lấy/lưu trữ đồng thời. 6. Nguyên tắc vạn năng: Nội dung: - Đối tượng thực hiện một số chức năng khác nhau, do đó không cần sự tham gia của các đối tượng khác. Ví dụ: - Các phần mềm tăng tốc hệ thống như “tuneup utilities” có chức năng 1- click có thể dọn các registry, loại bỏ các shortcut bị phá hủy, xóa các tập tin tạm, phân mảnh ổ đĩa, … - Các trình duyệt web như IE, Firefox hay Google Chrome thì trong phần khung mà để ta nhập địa chỉ web vào thì ta cũng có thể nhập các từ khóa tìm kiếm vào đó để tìm kiếm thay vì truy cập các trang web tìm kiếm. 7. Nguyên tắc “chứa trong”: Nội dung: - Một đối tượng được đặt bên trong đối tượng khác và bản thân nó lại chứa đối tượng thứ ba ... - Một đối tượng chuyển động xuyên suốt bên trong đối tượng khác. Ví dụ: - Kiến trúc bảy tầng OSI trong network. - Cấu trúc dữ liệu như danh sách liên kết, cây. Các thuật toán đệ quy như: sắp xếp nhanh, backtracking, … 8. Nguyên tắc phản trọng lượng: Nội dung: - Bù trừ trọng lượng của đối tượng bằng cách gắn nó với các đối tượng khác có lực nâng. 9 - Bù trừ trọng lượng của đối tượng bằng tương tác với môi trường như sử dụng các lực thủy động, khí động... Ví dụ: - Để tăng hiệu xuất của các web server, ta có thể chia một trang thành nhiều frame và lưu trữ các frame trong các ổ đĩa khác nhau hay trên các server khác nhau. Người ta có thể phân bổ các ảnh lớn hay từng mảnh dữ liệu qua các ổ đĩa khác nhau thay vì đặt chúng chung một đĩa. Hiệu xuất sẽ tăng lên. - Trong các hàm băm, ta phân bổ các đối tượng vào một tập các bộ chứa trong khi giữ số lượng của các đối tượng trong một bộ chứa xấp xỉ bằng nhau. 9. Nguyên tắc gây ứng suất sơ bộ: Nội dung: - Gây ứng suất trước với đối tượng để chống lại ứng suất không cho phép hoặc không mong muốn khi đối tượng làm việc (hoặc gây ứng suất trước để khi làm việc sẽ dùng ứng suất ngược lại). Ví dụ: - Giả sử rằng một người sử dụng phải chờ đợi trong một khoảng thời gian cho một hành động thực thi nào đó (tìm kiếm, sao chép, cài đặt chương trình, ...). Nếu ta thông báo cho người sử dụng rằng sẽ mất khoảng 5 phút, nhưng nếu thời gian thực thi kéo dài hơn thì người sử dụng sẽ không thích. Nếu ta thông báo mất 10 phút và thời gian thực thi ít hơn thì người sử dụng sẽ vui hơn. - Khi một ứng dụng bắt đầu đọc từ một cơ sở dữ liệu, ta có thể tải (load) các bảng quan trọng hay các chỉ mục trước. 10. Nguyên tắc thực hiện sơ bộ: Nội dung: 10 - Thực hiện trước sự thay đổi cần có, hoàn toàn hoặc từng phần, đối với đối tượng. - Cần sắp xếp đối tượng trước, sao cho chúng có thể hoạt động từ vị trí thuận lợi nhất, không mất thời gian dịch chuyển. Ví dụ: - Đọc cache ổ đĩa trước chuẩn bị cho việc đọc đĩa thực sự. - Driver máy in kiểm thử tính sẵn sàng của máy in trước khi người sử dụng hoàn tất các thiết lập của họ 11. Nguyên tắc dự phòng: Nội dung: - Bù đắp độ tin cậy không lớn của đối tượng bằng cách chuẩn bị trước các phương tiện báo động, ứng cứu, an toàn. Ví dụ: - Hệ điều hành sao lưu dữ liệu các tập tin quan trọng của nó trước khi được sử dụng. Nếu xảy ra lỗi có thể khôi phục lại mà không phải cài lại. - Thiết lập thời gian timeout cho các thao tác như truy vấn cơ sở dữ liệu, kết nối tới một dịch vụ mạng, … 12. Nguyên tắc đẳng thế: Nội dung: - Thay đổi điều kiện làm việc để không phải nâng lên hay hạ xuống các đối tượng. Ví dụ: - Giữ các kết quả trung gian mà phải mất khá nhiều thời gian để tính toán. - Sắp xếp lại một cơ sở dữ liệu hay tập tin chỉ khi nào thực sự cần thiết. Thường thì dữ liệu bị xóa bằng một cái cờ đánh dấu nó bị xóa. Các bản ghi trong cơ sở dữ liệu không phải di chuyển mặc dù chúng dường như có vị trí mới trong cơ sở dữ liệu. 11 13. Nguyên tắc đảo ngược: Nội dung: - Thay vì hành động như yêu cầu bài toán, hành động ngược lại (ví dụ, không làm nóng mà làm lạnh đối tượng) - Làm phần chuyển động của đối tượng (hay môi trường bên ngoài) thành đứng yên và ngược lại, phần đứng yên thành chuyển động. Ví dụ: - Vài phép tính toán có thể gây ra tràn bộ nhớ. Bằng cách thay đổi thứ tự tính toán có thể ngăn chặn việc này. Công thức p = x * y / z; có thể được viết bằng p = (x / z) * y hay p = y / z * x; Ta có thể chọn một trong các công thức phụ thuộc vào mối quan hệ giá trị giữa x, y, z. - Các hệ thống backtracking 14. Nguyên tắc cầu (tròn) hoá: Nội dung: - Chuyển những phần thẳng của đối tượng thành cong, mặt phẳng thành mặt cầu, kết cấu hình hộp thành kết cấu hình cầu. - Sử dụng các con lăn, viên bi, vòng xoắn. - Chuyển sang chuyển độg quay, sử dung lực ly tâm. Ví dụ: - Thay tìm kiếm tuyến tính bằng tìm kiếm phức tạp hơn như tìm kiếm nhị phân. - Chuyển tọa độ từ chuẩn Cartesian sang Polar để dễ dàng hơn trong một số tính toán. 15. Nguyên tắc linh động: Nội dung: - Cần thay đổi các đặt trưng của đối tượng hay môi trường bên ngoài sao cho chúng tối ưu trong từng giai đoạn làm việc. 12 - Phân chia đối tượng thành từng phần, có khả năng dịch chuyển với nhau. Ví dụ: - Thay đổi chế độ nhìn trong một ứng dụng như PowerPoint. Chỉnh sửa văn bản trong chế độ outline thì sẽ dàng và nhìn tổng quan hơn trong chế độ trình bày. - Các gói dữ liệu thông minh định tuyến bản thân chúng trên network. 16. Nguyên tắc giải “thiếu” hoặc “thừa”: Nội dung: - Nếu như khó nhận được 100% hiệu quả cần thiết, nên nhận ít hơn hoặc nhiều hơn “một chút”. Lúc đó bài toán có thể trở nên đơn giản hơn và dễ giải hơn. Ví dụ: - Để sắp xếp một mảng lớn thì thì thuật toán sắp xếp nhanh thường được sử dụng. Tuy nhiên khi các mảng con để sắp xếp trở nên nhỏ, ít hơn 10 phần tử, các thuật toán khác được sử dụng thực thi tốt hơn. - Để nâng cao độ tin cậy của tàu vũ trụ, nhiều bộ xử lý khác nhau tính toán cùng đầu vào với nhiều thuật toán khác nhau. Nếu kết quả nào giống nhau nhiều nhất thì đó là kết quả đúng. 17. Nguyên tắc chuyển sang chiều khác: Nội dung: - Những khó khăn do chuyển động (hay sắp xếp) đối tượng theo đường (một chiều) sẽ được khắc phục nếu cho đối tượng khả năng di chuyển trên mặt phẳng (hai chiều). Tương tự, những bài toán liên quan đến chuyển động (hay sắp xếp) các đối tượng trên mặt phẳng sẽ được đơn giản hoá khi chuyển sang không gian (ba chiều). - Chuyển các đối tượng có kết cấu một tầng thành nhiều tầng. 13 - Đặt đối tượng nằm nghiêng. - Sử dụng mặt sau của diện tích cho trước. - Sử dụng các luồng ánh sáng tới diện tích bên cạnh hoặc tới mặt sau của diện tích cho trước. Ví dụ: - Một hàng đợi mà khi lớn dần và không còn chỗ để cho một phần tử mới vào thì có thể đặt phần tử đó vào ổ đĩa cho đến khi còn chỗ trống trong bộ nhớ chính. - Sử dụng ký hiệu thập lục phân cho các giá trị có thể