در دنیای برنامه‌نویسی الگوریتم‌ها نقش بسیار مهمی را در ایجاد و شکل‌گیری پلتفرم‌های اطراف ما ایفا کرده‌اند. الگوریتم‌ها عموما برای ساختن بسترهای آنلاین یا غیرآنلاینی به کار می‌روند که باید فرآیند محاسباتی ویژه‌ای را اجرا کنند. علت پر استفاده بودن الگوریتم‌ها واضح است. آن‌ها میتوانند تمام مشکل‌های نرم افزاری را برطرف کنند و در مجموع زندگی را برای توسعه‌دهندگان آسان‌تر سازند. در این مطلب تصمیم داریم به تعریف الگوریتم در برنامه نویسی بپردازیم، انواع آن را توضیح دهیم و کاربردهای آن‌ها را نام ببریم. بنابراین تا انتها همراه ما بمانید.
تعریف الگوریتم در برنامه‌نویسی
الگوریتم برنامه‌نویسی در حقیقت فرآیند یا فرمولی است که برای حل مساله به کار می‌بریم. به زبان ساده این فرآیندها برای اجرای وظایف دنباله‌دار به کار می‌روند. از طرفی آن وظایف برای کامپیوتر چگونگی انجام وظیفه را توصیف می‌کنند و آن هم مطابق دستورها عمل می‌کند. فرآیندی که الگوریتم طی می‌کند از ورودی‌های متعددی تشکیل شده است. هنگامی که تمام ورودی‌ها طی شد، نتیجه یا خروجی حاصل می‌شود.
ویژگی‌های الگوریتم
- دقیق: تمام مراحل به دقت برنامه‌ریزی شده‌اند.
- منحصر به‌فرد: مفاهیم مربوط به نتایج هر مرحله به‌صورت منحصر به‌فرد تعریف شده‌اند و تنها به ورودی متکی هستند.
- متناهی: الگوریتم پس از اجرای تعداد محدودی دستورالعمل متوقف می‌شود.
- ورودی: الگوریتم ورودی دریافت می‌کند.
- خروجی: الگوریتم خروجی تولید می‌کند.
مزایای الگوریتم در برنامه نویسی
- نمایش مرحله به‌مرحله راه‌حل برای مشکل ارائه شده که درک آن را ساده‌تر می‌کند.
- از فرآیند مشخص برای نتیجه‌گیری استفاده می‌کند.
- به زبان برنامه‌نویسی ویژه‌ای وابسته نیست.
- هر مرحله در الگوریتم دنباله منطقی خود را دارد که دیباگینگ یا مشکل‌زدایی آن را آسان می‌کند.
انواع الگوریتم در برنامه نویسی
امروزه هزاران هزار الگوریتم متفاوت برای برنامه‌نویسی به وجود آمده است. بنابراین اگر توسعه‌دهندگان نرم افزار و مهندسان می‌خواهند در این حوزه پیشرفت کنند و حرفه‌ای شوند، باید با انواع آن آشنا باشند. در این صورت می‌دانند چه گزینه‌هایی در پیش‌رو دارند و چه زمان استفاده از آن‌ها صحیح خواهد بود. الگوریتم‌ها میتوانند بهترین، کارآمدترین راه را برای حل مساله پیدا کنند. بنابراین علاوه بر افزایش سرعت، حافظه کمتری از رایانه را استفاده می‌کنند. در ادامه تعدادی از پرکاربردترین الگوریتم‌های برنامه‌نویسی را نام می‌بریم و جداگانه شرح می‌دهیم.
الگوریتم‌های مرتب‌سازی
مرتب‌سازی مجموعه داده‌های خام در علوم رایانه و داده مرحله‌ای ساده اما ضروری است. به‌ویژه در عصری که با حجم زیادی از داده‌ها سروکار داریم، اهمیت این امر چندین برابر می‌شود. مرتب‌سازی داده عموما شامل یافتن ترتیب‌های عددی یا الفبایی به‌صورت نزولی یا صعودی است. انواع رایج الگوریتم‌های مرتب‌سازی را در ادامه شرح می‌دهیم.
مرتب‌سازی الحاقی
این الگوریتم در برنامه نویسی داده‌ها را مرحله به مرحله و به ترتیب مرتب می‌کند. به عبارتی ابتدا موارد نامرتب را بررسی می‌کند و آن‌ها را در جایگاه مناسب قرار می‌دهد. در نتیجه فهرستی مرتب شده به دست می‌آید. عموما برای درک بهتر این الگوریتم از مثال مرتب‌سازی کارت‌های پاسور استفاده می‌کنیم. اگر بخواهیم این کارت‌ها را دسته‌بندی کنیم، برای افزایش سرعت کار عددها را از کوچک به بزرگ در سمت چپ و شاه، بی بی و سرباز را در سمت راست قرار می‌دهیم. تا در نهایت کارت‌ها از کوچک به بزرگ مرتب شوند.این الگوریتم برای داده‌های کوچک بسیار کاربردی است و سرعت عملکرد را افزایش می‌دهد.
مرتب‌سازی انتخابی
در این حالت داده‌ها به دو بخش مرتب و نامرتب تقسیم شده‌اند. الگوریتم داده‌های نامرتب را می‌گیرد، کوچکترین جزء را پیدا می‌کند و آن را به بخش مرتب انتقال می‌دهد. سپس این فرآیند را به مرور آنقدر تکرار می‌کند تا فهرستی مرتب شده و صعودی به‌دست آورد. این نوع الگوریتم نیز برای مجموعه کوچکی از داده‌ها کاربرد دارند.
مرتب‌سازی حبابی
این الگوریتم در برنامه نویسی زمانی به کار می‌رود که از مرتب بودن یا نبودن داده‌ها مطلع نیستیم. بنابراین ابتدا تمام موارد درون فهرست را بررسی می‌کند و اگر نامرتب باشند، آن‌ها را دسته‌بندی می‌کند. این روند تا زمانی که تمام عناصر درون فهرست مرتب شوند، ادامه می‌یابد. به‌عنوان مثال اگر بخواهید یک دنباله عددی تصادفی را به ترتیب صعودی مرتب کنید، الگوریتم چندین بار دنباله را بررسی می‌کند تا به ترتیب دلخواه برساند. این فرآیند می‌تواند برای داده‌های حجیم نیز به‌کار برود اما آن را توصیه نمی‌کنیم، زیرا فرآیند زمان‌بری خواهد بود.
مرتب‌سازی سریع
به این الگوریتم «جداسازی و شکست» نیز می‌گویند. زیرا به‌مراتب داده‌ها را شکسته و به بخش‌های کوچکتر تقسیم می‌کند تا به مشکل مرتب‌سازی را برطرف کند. در این حالت یک عنصر به‌عنوان عنصر مرکزی انتخاب می‌شود و سایر عناصر بر اساس آن دسته‌بندی باشند. به عبارتی اگر کوچکتر از عنصر مرکزی باشند در زیر آن و اگر بیشتر باشند، در بالای آن قرار می‌گیرند.
مرتب‌سازی ادغامی
این الگوریتم در برنامه نویسی نیز مدلی دیگر از جداسازی و شکست است که به‌طور مداوم هر داده را به دو بخش تقسیم می‌کند. این فرآیند آنقدر ادامه می‌یابد تا هر فهرست زیرین تنها دارای یک یا دو مورد باشد. در نهایت پس از این‌که در ترتیب دلخواه قرار گرفتند، با یکدیگر اقدام می‌شوند و فهرست مورد نظر را می‌سازند.
الگوریتم‌های جستجو
جستجو یکی از ساده‌ترین عملکردهای IT است اما در هنگام برنامه‌نویسی انجام صحیح آن اهمیت بسیاری دارد. این الگوریتم شامل جستجو در پایگاه داده‌های داخلی یا در فضاهای مجازی برای یافتن اطلاعات می‌شود. در مجموع دو فرآیند استاندارد برای انجام آن وجود دارد که در ادامه به آن‌ها می‌پردازیم.
جستجوی خطی
این الگوریتم برنامه نویسی در حقیقت بسیار ساده است که برای پیدا کردن عنصر یا اطلاعات ویژه‌ای در مجموعه‌ای نامرتب به کار می‌رود. جستجوی خطی از فرمت جستجوی متوالی استفاده می‌کند.به‌عنوان مثال، اگر شما نیاز به بازیابی یک شماره تلفن همراه از یک پایگاه داده عظیم از افراد تصادفی دارید، الگوریتم جستجوی خطی هر کدام را به صورت متوالی بررسی می‌کند تا زمانی که مورد مربوطه را بیابد.
جستجوی باینری
این الگوریتم برنامه نویسی از روند متفاوتی استفاده می‌کند. جستجوی باینری (Binary) ساختار داده‌ها را بر اساس فواصل جستجو می‌کند. برخلاف الگوریتم پیشین که توالی را برای جستجو به کار می‌برد. این روش اگر برای ساختارهای داده مرتب شده استفاده شوند کارایی بیشتری خواهد داشت، زیرا دیگر نیازی به اسکن تمام مجموعه ندارد.
به‌عنوان مثال در یک سری طولانی از اعداد صعودی، جستجوی باینری با عنصر میانی آغاز می‌شود. اگر با عدد مورد نظر تطابق نداشته باشد و زیر عدد مورد نظر باشد، آن‌گاه از فهرست بالای آن عدد برای ادامه جستجو کمک می‌گیرد. از طرفی اگر بالای عدد مورد نظر باشد از فهرست زیرین استفاده می‌کند. این فرآیند تا زمانی ادامه خواهد داشت که عدد یا عنصر مورد نظر را پیدا کند یا هیچ فهرست فرعی باقی نماند. در این صورت به این معنا خواهد بود که نتیجه مورد نظر در آن فهرست موجود نیست.
الگوریتم هشینگ
این الگوریتم برنامه نویسی هنگام مدیریت ساختار داده‌ها بسیار رایج است. زیرا امنیت بسیار بالایی دارد و در ابعاد گستره بسیار کارآمد است. هشینگ (Hashing) اطلاعات با طول دلخواه را به طول ثابت و از پیش تعیین شده‌ای (مقدار هش) در می‌آورد.بدین ترتیب خلاصه‌ای از اطلاعات اولیه ارائه می‌دهد. یکی از رایج‌ترین کاربردهای جدول‌های هش رمزگذاری کلیدها یا پیام‌ها است.
الگوریتم تصادفی
بخشی از منطق این الگوریتم برنامه نویسی به تصادفی بودن اختصاص یافته است. الگوریتم تصادفی عموما با حجم زیادی از اطلاعات سروکار دارد که پردازش آن‌ها دشوار خواهد بود. عنصر تصادفی می‌تواند زمان مورد نیاز برای یافتن راه حل صحیح یا احتمال درست بودن یک نتیجه خاص پس از اجرای الگوریتم در یک زمان معین باشد.
