Алгоритмы программирования

Сегодня огромное количество новичков в сфере программирования начинают свой путь с написания кода. Они не задумываются над теоретической частью и редко знают точное определение своих действий. В начале пути трудно сказать, что является алгоритмом, а что — функцией.

Однако для того, чтобы из любителя получился грамотный специалист, изучение теоретической части строго необходимо. Оно позволяет глубже погрузиться в вопрос и научиться более сложным задачам. Один из самых распространенных вопросов со стороны новичков — что такое алгоритмы программирования? Какие они бывают?

Итак, в программировании алгоритм является последовательными инструкциями. Каждая из них в отдельности может не выполнять сложных задач, однако в комплексе они могут использоваться для достижения нужных целей. Иными словами, все программирование сводится к написанию алгоритмов — последовательности действий, записанных в виде программного кода.

Более сложные алгоритмы позволяют более гибко работать с данными. Вы можете за считанные секунды проанализировать огромный массив, получив из него десяток заданных объектов. Алгоритмы позволяют еще и шифровать данные, за счет чего существует современная криптография.

Типы алгоритмов в программировании

Вообще видов алгоритмов в программировании бесконечное множество. Более того, по мере технического прогресса (а он сейчас набрал огромную скорость) появляются все новые виды, которые выполняют различные задачи. Однако все алгоритмы можно разделить на четыре строгих типа:

1. Линейные алгоритмы предназначены для повторяющихся действий при их строгом порядке;
2. Разветвляющиеся алгоритмы необходимы для задачи нескольких последовательностей действий, для их выполнения могут требоваться уникальные условия;
3. Цикличные алгоритмы выполняются строгое количество раз, то есть работают "по кругу";
4. Вспомогательные алгоритмы используются для исполнения функций и задач в других алгоритмах.

А вот уже под каждый из типов можно записывать различные виды: алгоритм сортировки, преобразование фурье, алгоритм Дейкстры и другие. Каждый из алгоритмов может применяться в собственной сфере, что также значительно упрощает их изучение. К примеру, если вы занимаетесь созданием программного обеспечения для систем управления, то вам не потребуется знать алгоритмы сжатия данных или случайных чисел, но вот дифференцирующие алгоритмы вам необходимо знать в совершенстве.

Популярные алгоритмы для изучения программистам

Итак, какие основные алгоритмы программирования сегодня изучаются разработчиками? На что в первую очередь обращать внимание новичкам? Для начала стоит понять, какая задача стоит перед разработчиком. Алгоритмы, необходимые для написания программы с элементами искусственного интеллекта, будут сильно отличаться от алгоритмов, необходимых для создания простой CMS-системы.

Вообще следует отметить, что многие преподаватели не рекомендуют ученикам погружаться в алгоритмы на первом же уроке. Лучше для начала научиться писать код, а также получить продвинутые математические навыки. Дело в том, что в основе практически всех алгоритмов лежат именно математические модели, которые реализуются в виде программного кода. Без хорошей математической подготовки лезть в сложные алгоритмы не рекомендуется — это как читать книгу на неизвестном вам языке.

Алгоритм сортировки

Один из самых эффективных видов алгоритма для искусственного интеллекта. Выделяют три основных подвида сортировочных алгоритмов:

• Сортировка слиянием — один из основных подвидов, сегодня является самым популярным. Использует особый подход "разделяй и властвуй", что позволяет эффективно решать любые задачи.
• Быстрая сортировка — самый популярный алгоритм для сортировки массивов в оперативной памяти устройства. Базируется алгоритм на in-place разделении. Из минусов — низкая стабильность такой сортировки, что может вызывать ошибки при исполнении программы.
• Пирамидальная сортировка — еще один in-place алгоритм, используемый для поиска данных. Каждому из объектов присваивается приоритет, затем формируется очередь. Такой подход сокращает поиск объектов в массиве данных.

Данный алгоритм позволил нам добиться серьезного технического прогресса в последние годы. Он стал основной для появления искусственного интеллекта, машинного обучения и глубинного анализа данных.

Преобразование Фурье

Применяется в работе любых электронно-вычислительных устройств: смартфоны, компьютеры, планшеты. Сегодня с помощью данного алгоритма можно анализировать данные. Он позволяет значительно снизить время на получение результата за счет вычленения наиболее частых объектов в массиве данных.

Алгоритм Дейкстры

Алгоритм Дейкстры — это алгоритм поиска кратчайшего пути. К примеру, у нас есть некий набор действий, каждое из которых обязательно необходимо выполнить. Алгоритм Дейкстры позволяет составить последовательность, которая будет наиболее быстрой для достижения конечного результата. В современных системах алгоритм Дейкстры практически не применяется, а вот для систем, где требуется повышенная стабильность, ничего лучше так и не придумали.

RSA-алгоритм

Если вы работаете в сфере криптографии, занимаетесь шифрованием данных, то без RSA-алгоритма вы не сможете. Основывается на вычислительной сложности факторизации больших целых чисел. Сегодня данный алгоритм используется для шифрования и для создания цифровой подписи. Также многие системы для обмена информацией используют в своей основе именно RSA-алгоритмы для шифрования данных.

Алгоритм безопасного хэширования

Еще один алгоритм, без которого невозможно представить современную криптографию. Существуют два алгоритма криптографического хэширования: SHA-1 и MD4. Сервер получает входное сообщение любой длины (зашифровать можно любую информацию), а на выходе получается 160-битное хэш-значение. Сегодня данный алгоритм используют многие государственные учреждения, а также некоторые виды программного обеспечения.

Алгоритм связей

Представим, что у нас есть массив заданных элементов, представленных в беспорядочном виде. Наша задача — найти связи между этими элементами. На то, чтобы сделать это вручную, уйдут годы и десятилетия. А вот алгоритм связей позволяет в разы быстрее определить, какие именно элементы связаны друг с другом. Это очень популярный алгоритм, который используется в поисковых системах, социальных сетях, новостных агрегаторах.

Дифференцирующий алгоритм

Данный алгоритм применяется для создания систем обратной связи для контура управления. Он используется в тех случаях, где необходимо свести к минимуму вероятность ошибки между вводными и выходными данными. Такой алгоритм используется в высокоточных системах управления: роботы, самолеты, промышленные станки.

Алгоритм сжатия данных

Сегодня алгоритм сжатия данных является одним из самых популярных. Задача передачи больших объемов данных для конечного пользователя — одна из главных на потребительском рынке. Стриминговые сервисы, музыкальная индустрия, игровые компании — все стараются сжать файлы, чтобы пользователь мог быстрее загрузить их на собственный компьютер. ZIP и RAR архиваторы, различные форматы для видеофайлов. Именно за счет сжатия данных современный интернет и стал таким удобным инструментом.

Алгоритм случайных чисел

Что значит "выбрать случайное число"? Это тоже один из видов алгоритма. Настоящего генератора случайных чисел существовать не может — программа всегда знает, какое число она назовет пользователю. А вот создание подобного программного обеспечения — это одна из важнейших задач для многих сфер программирования. С его помощью создаются видеоигры, искусственный интеллект, проводится тестирование ПО.

Для чего нужно знать алгоритмы в программировании и уметь их применять

Сегодня все больше экспертов считают, что глубокое знание алгоритмов разработчику не требуется. Программист должен понимать, что такое алгоритмы и какие их виды необходимы для решения конкретных задач. Поэтому грамотный разработчик может сразу же понять, какой именно вид алгоритма перед ним, а необходимую теоретическую базу он может получить из Гугла.

В каких сферах сегодня особенно важно знать алгоритмы и уметь их применять? В первую очередь — Big Data. Если ваша деятельность связана с анализом больших массивов данных, то здесь без глубокого понимания видов алгоритмов работать не получится.

А вот для большинства остальных сфер такие знания не потребуются. Вам достаточно понимания, что такое алгоритмы, а также уметь различать их в коде. Если же вдруг понадобится более глубокое понимание какого-то вопроса, то лучше всего обратиться к поисковикам. Кстати, умение самостоятельно и быстро искать нужную информацию — один из важнейших скиллов для любого программиста (да и вообще для современного специалиста).

Однако есть ряд разработчиков "старой школы", которые уверены, что без глубокого знания теории брать за программирование нельзя. Большинство из них учились программировать еще на советских ЭВМ. Под рукой у них не было интернета, поисковиков, удобной среды разработки. Однако сегодня их методы уже устарели, поэтому и подход к изучению программирования изменился.