Hướng Dẫn Lập Trình Julia Cho Người Mới Bắt Đầu

Cách cài đặt và chạy Julia? 

Cài đặt Julia rất đơn giản. Tải trình cài đặt phù hợp với hệ điều hành của bạn trên trang web Julia và đánh dấu vào ô thêm Julia vào PATH của hệ thống. Nếu bạn gõ julia trong dòng lệnh và nhận được đầu ra sau, mọi thứ đang hoạt động ổn.

Cài đặt và chạy ngôn ngữ lập trình Julia

Cả PyCharm và VSCode đều có plugin Julia hỗ trợ tô sáng cú pháp và gỡ lỗi. Tuy nhiên, vì các nhà khoa học dữ liệu thường làm việc trong JupyterLab, bạn cũng có thể dễ dàng thêm kernel Julia vào JupyterLab. Sau khi vào dấu nhắc julia trong terminal, chỉ cần nhập hai dòng này:

using Pkg
add("IJulia")

Đoạn mã thêm gói IJulia vào bản cài Julia trên hệ thống. Khởi động lại mọi phiên JupyterLab đang chạy, và bạn sẽ thấy tùy chọn Julia trong Launcher.

Julia chạy trong JupyterLab

Cú pháp cơ bản của Julia

Phần này sẽ đề cập đến các nền tảng cú pháp của Julia, gồm biến, kiểu dữ liệu, toán tử, vector, v.v.

Toán tử  

Trong lập trình, có các ký tự đặc biệt gọi là toán tử đại diện cho các phép toán học hoặc logic cụ thể. Bên dưới bạn sẽ thấy các toán tử phổ biến nhất, gồm cộng, trừ, nhân, chia và hơn thế nữa. 

Lưu ý: Trong Julia, chú thích được viết với ký tự # đơn. Bất cứ điều gì viết sau # sẽ bị chương trình bỏ qua (đến hết dòng).

# Addition in Julia
37 + 73

110

# Subtraction in Julia
17 - 19

-2

# Multiplication in Julia
29 * 33

957

# Division in Julia
22 / 7

3.142857142857143

# Backwards division in Julia, the above is equal to 0 / 5.
5 \ 0

0

# The remainder operator in Julia 
98456 % 23

16

# Raising to the power 2 (squaring)
(22 / 7) ^ 2

9.877551020408163

# Raising to the power 3 (cubing)
-7 ^ 3

-343

# Raising to the power 0.5 (square-rooting)
(355 / 133) ^ 0.5

1.633760365638372

Biến

Trong lập trình, chúng ta dùng biến để lưu trữ thông tin. Biến giúp dễ dàng tham chiếu đến một thông tin thông qua tên. Ví dụ, ở đây chúng ta lưu số 73 vào biến a, và chuỗi “Hello world!” vào biến “word” (chúng ta sẽ xem các kiểu dữ liệu khác nhau của Julia ở phần sau). Gõ tên biến tại dòng lệnh sẽ in ra giá trị của nó.

# Storing the number 73 in a variable a
a = 73
a

73

# Storing "Hello world!" in word
word = "Hello world!"
word

Hello world!

Mọi toán tử và hàm trong Julia đều hoạt động tương tự trên biến.

# Multiplying two numeric variables
a = 73
b = 37
a * b

2701

Bạn có thể dùng mọi ký tự chữ và số trong tên biến, gồm cả gạch dưới. Tuy nhiên, có một số quy ước đặt tên trong Julia. Tên biến:

• dùng kiểu lower_snake_case (chữ thường và các từ cách nhau bằng dấu gạch dưới)
• không thể bắt đầu bằng số.

Giới thiệu về kiểu dữ liệu trong Julia 

Kiểu dữ liệu cho chương trình biết biến nhận những giá trị nào và có thể dùng những toán tử toán học hay logic nào trên chúng mà không gây lỗi. Có nhiều kiểu dữ liệu trong Julia, dưới đây là những kiểu cơ bản nhất.

Có thể in kiểu dữ liệu của một biến bằng hàm typeof():

# Getting the type of 3.14
typeof(3.14)

Float64

Khi thực hiện phép toán trong Julia, bạn cần lưu ý hệ quả do khác biệt kiểu dữ liệu. Ví dụ, nhân một số thực và một số nguyên sẽ trả về số thực.

# Bank balance as an integer
balance = 100

# Interest rate as a float
interest_rate = 1.05

# Interest rate as a float
new_balance = balance * interest_rate

typeof(new_balance)

Float64

Ngược lại, thực hiện phép toán giữa chuỗi và kiểu số thường dẫn đến lỗi. Như ví dụ sau.

# Bank balance as an integer
balance = 100

# Interest rate as a string
interest_rate = “5%”

# Interest rate as a float
new_balance = balance * interest_rate

ERROR: MethodError:
no method matching *(::Int64, ::String)

Chuyển đổi kiểu dữ liệu trong Julia 

Có thể chuyển đổi các kiểu dữ liệu khác nhau sang kiểu khác trong Julia bằng các hàm dựng sẵn. Dưới đây là bảng thể hiện cách chuyển đổi giữa các kiểu dữ liệu trong Julia. 

Làm việc với ký tự và chuỗi trong Julia 

Chúng ta đã thấy kiểu dữ liệu ký tự và chuỗi trong phần trước, ở phần này, chúng ta sẽ đi sâu vào các thao tác thường gặp với ký tự và chuỗi. Nhắc lại, chuỗi là một dãy ký tự có thứ tự hoặc văn bản trong dấu ngoặc kép. 

# A string is a series of characters
word = "Hello world!"
word

"Hello world!"

Để viết chuỗi nhiều dòng, bạn có thể dùng ba dấu ngoặc kép:

multi_line = """
   This is a
   multi-line string.
"""
print(multi_line)

This is a
multi-line string.

Bạn có thể trích xuất thông tin và thuộc tính từ chuỗi theo nhiều cách. Ví dụ, lập chỉ mục bằng ngoặc vuông có thể lấy ký tự riêng lẻ hoặc một phạm vi ký tự dựa trên vị trí. Trong ví dụ này, 1:3 biểu thị dãy số từ 1 đến 3 bao gồm cả hai đầu.

text = "Julia is a high-level, dynamic programming language"
# Extracting the first character in text based on its index
text[1]

'J': ASCII/Unicode U+004A (category Lu: Letter, uppercase)

# Extracting the first three characters in text based on its index
text[1:3]

"Jul"

Ở trên chúng ta đặt 1 trong ngoặc và nhận về ký tự đầu tiên. Ngoài ra, bạn cũng có thể dùng toán tử đặc biệt begin:

# Extracting the first character in text with the begin operator
text[begin]

'J': ASCII/Unicode U+004A (category Lu: Letter, uppercase)

Khi bạn trích xuất một ký tự đơn lẻ từ chuỗi, nó sẽ có kiểu dữ liệu Char.

# Extract the type of the fourth character
typeof(text[4])

Char

# Extract the type of the fourth character
typeof(text[4])

Tuy nhiên, khi bạn cắt (slice) chuỗi và lấy nhiều hơn một ký tự, đầu ra cũng là một chuỗi. 

# Extract the type of the first 5 characters
typeof(text[begin:5])

String

Ở trên, chúng ta đang cắt năm ký tự đầu của text. Lưu ý rằng cả hai chỉ số ở hai phía của dấu hai chấm đều bao gồm. Không như Python, chỉ số âm không được hỗ trợ. Thay vào đó, bạn sẽ dùng toán tử end với một số âm. Ví dụ, để lấy ký tự thứ ba tính từ cuối chuỗi, bạn có thể viết như sau. 

# Third from the end of the string
text[end-2]

'a': ASCII/Unicode U+0067 (category Ll: Letter, lowercase)

Các thao tác chuỗi phổ biến trong Julia 

Bạn có thể dùng hàm length() để đếm số ký tự trong một chuỗi.

# Count the number of characters in a string
length(text)

51

Một tác vụ phổ biến là kết hợp hai hoặc nhiều chuỗi với nhau. Bạn có thể thực hiện bằng hàm string(), truyền các chuỗi vào hàm và phân tách bằng dấu phẩy.

# Creating one string from "Julia", "is", "awesome"
string("Julia ", "is ", "awesome!")

"Julia is awesome!"

Bạn cũng có thể dùng toán tử * (nhân) để nối chuỗi lại với nhau

# Creating one string by multiplying strings
"73 " * "is " * "the " * "best " * "prime."

"73 is the best prime."

Dù theo cách nào, nhớ chừa khoảng trắng giữa các từ. Một cách khác để nối chuỗi là lặp lại một chuỗi nhiều lần. Đây là cách làm với toán tử ^ (lũy thừa):

# Creating one string with the exponentiation operator
"Three times the fun!" ^ 3

"Three times the fun! Three times the fun! Three times the fun!"

Mảng trong Julia 

Một kiểu dữ liệu phổ biến khác trong Julia và các ngôn ngữ khác là mảng, như cách gọi trong Julia. Mảng là danh sách các giá trị được đặt trong ngoặc vuông []. Mảng được gọi khác nhau dựa trên số chiều. 

• Mảng một chiều gọi là vector.
• Mảng hai chiều gọi là ma trận.
• Mảng ba chiều trở lên gọi chung là array.

Trong hướng dẫn này, chúng ta sẽ tập trung vào vector. Vector có thể tạo bằng cách đặt các phần tử trong một cặp ngoặc vuông, như bên dưới.

# Define a three-integer vector
x = [1, 2, 3]

3-element Vector{Int64}:
1
2
3

# Get the type of x
typeof(x)

Vector{Int64} (alias for Array{Int64, 1})

Vector x có kiểu Vector, là bí danh cho mảng một chiều (như đầu ra alias for Array{In664, 1} liệt kê). Tất cả phần tử của nó có kiểu dữ liệu Int64. Nhưng không phải lúc nào mọi phần tử cũng phải cùng kiểu. Ví dụ, đây là một vector có các phần tử thuộc kiểu khác nhau. 

# Define a vector with various data types
array = [1, "Hello", 22/7]

3-element Vector{Any}:
1
"Hello"
3.142857142857143

Như bạn thấy, các phần tử vector có kiểu Any trong ngoặc nhọn, biểu thị nhiều kiểu dữ liệu. Bạn thậm chí có thể truyền vector vào trong vector.

# Define a vector with various data types, including another vector
array = [1, 2, 3, ["Hello", 73]]

4-element Array{Any,1}:
1
2
3
Any["Hello", 73]

Hàm length() hoạt động tương tự trên vector như với chuỗi, vì nó đếm số phần tử trong mảng.

# Get the length of a vector
length(array)

3

Quy tắc lập chỉ mục cũng tương tự — ở đây, chúng ta đang lấy phần tử thứ nhất và thứ hai trong mảng.

# Get the first element of a vector
array = [1, "Hello", 22/7]
array[begin]

1

# Get the last element of a vector
array[end-1]

"Hello"

Toán tử Boolean và so sánh số 

Các ngôn ngữ lập trình dùng giá trị Boolean để triển khai logic. Boolean chỉ có hai giá trị: true hoặc false. Giá trị Boolean đặc biệt hữu ích khi làm việc với so sánh số và toán tử Boolean. Trước tiên, hãy xem so sánh số.

Toán tử so sánh số trong Julia

Trong bảng dưới đây, bạn sẽ thấy các toán tử so sánh số được dùng phổ biến nhất trong Julia. Như bạn sẽ thấy trong ví dụ, bạn có thể so sánh Boolean, đối tượng số và hơn thế nữa bằng các toán tử so sánh số.  Lưu ý rằng bạn có thể dùng một hoặc hai ký hiệu để viết nhỏ/lớn hơn hoặc bằng. Để dùng phiên bản một ký hiệu, gõ \le rồi TAB hoặc \ge rồi TAB.

Toán tử Boolean trong Julia

Ngoài toán tử so sánh số, còn có các toán tử Boolean — như và/hoặc. Chúng có thể được dùng để kết hợp hai hoặc nhiều biểu thức Boolean thành một. Dưới đây là các toán tử Boolean thường gặp và cách dùng. 

Cú pháp Julia trung cấp

Câu lệnh điều kiện trong Julia

Sử dụng giá trị và toán tử Boolean, bạn có thể viết câu lệnh điều kiện. Ví dụ, nếu một biểu thức đánh giá là true — thì thực hiện một thao tác. Nếu false, thực hiện thao tác khác. Câu lệnh điều kiện còn gọi là if/else. Đây là cách viết:

if true
   print("Do something")
else
   print("Do something else")
end

Bất cứ khi nào điều kiện sau từ khóa if đánh giá là true, khối if được thực thi, ngược lại khối else được thực thi. Ví dụ này cho thấy một điều kiện kiểm tra số chẵn hay lẻ.

number = 5

if number % 2 == 0
   print("The number is even")
else
   print("The number is odd")
end

The number is odd

Trong biểu thức sau if, chúng ta dùng toán tử chia lấy dư % để kiểm tra xem số đó có trả về 0 khi chia cho 2 hay không. Nó đánh giá là false vì phần dư khi chia 5 cho 2 là 1. Do đó, mệnh đề else được thực thi. Giờ hãy dùng kiến thức về toán tử Boolean và câu lệnh điều kiện để viết một chương trình kiểm tra số dương, âm hay bằng không. 

number = 0

if number > 0
   print("The number is positive.")
elseif number == 0
   print("The number is equal to zero.")
else
   print("The number is negative.")

end

The number is equal to zero.

Chúng ta thêm điều kiện mới bằng mệnh đề elseif. Ta dùng elseif khi cần kiểm tra từ hai điều kiện trở lên theo đúng thứ tự. 

Vòng lặp for 

Vòng lặp for trong lập trình dùng để lặp và thực hiện thao tác trên mỗi phần tử của một dãy (chuỗi, vector, tuple, set, v.v.) theo thứ tự. Cú pháp for-loop trong Julia rất trực quan. Ví dụ, hãy xây dựng một vòng lặp in từng phần tử của một vector:

languages = ["Julia", "Python", "R"]

for lang = languages
   println(lang)

end

Julia
Python
R

Vòng lặp for bắt đầu bằng từ khóa for. Sau đó, ta chọn một tên biến tạm. Ở đây, ta chọn lang, giá trị của nó thay đổi khi ta đi qua vector languages. Tiếp đến, để chỉ định ta đang lặp qua languages, ta viết tên nó sau toán tử gán =.

Bên trong vòng lặp, ta dùng hàm println() để in từng phần tử của languages, được biểu diễn bởi biến tạm lang. lang được gọi là biến tạm vì nó không thể truy cập sau khi vòng lặp kết thúc.

Lưu ý: Khác biệt giữa print() và println() là println() in các phần tử trên dòng mới.

Bạn có thể dùng mọi thứ đã học đến giờ trong vòng lặp for. Ví dụ, hãy tạo một mảng gồm 10 số nguyên và chỉ in các số lẻ trong đó:

integers_vector = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]

for i = integers_vector
   # Print only odd numbers
   if i % 2 == 1
       println(i)
   end
end

1
3
5
7
9

Đừng quên đóng cả vòng lặp for và câu lệnh if bằng end.

Bạn cũng có thể lặp qua chuỗi vì chúng cũng là các dãy. Ở đây, ví dụ chúng ta in từng chữ cái trong chuỗi "Julia".

for letter = "Julia"
   println(letter)

end

J
u
l
i
a

Cài đặt gói trong Julia 

Tất cả các toán tử (+, -, *, ^), hàm (print(), println(), typeof()) và từ khóa (for, if, else) chúng ta dùng đều đi kèm với bản cài Julia. Tuy nhiên, mã trong bản cài không đủ để giải quyết mọi vấn đề. Chúng ta cần cài đặt gói để có thêm công cụ và hàm cho chức năng bổ sung. Gói là các thư viện mã được viết sẵn (bởi lập trình viên khác) mà ta có thể thêm vào bản cài Julia, giúp giải các bài toán cụ thể.

Ví dụ, chúng ta sẽ cài hai gói DataFrames và CSV giúp thao tác dữ liệu trong các tệp CSV. Cách làm như sau:

using Pkg
Pkg.add("DataFrames")
Pkg.add("CSV")

Lớp Pkg là trình quản lý gói toàn cục của Julia. Hàm add() của nó thêm các gói mới vào bản cài. Để nhập tất cả tên hàm từ thư viện, ta import chúng với từ khóa using ở đầu script.

using DataFrames
using CSV

Chúng ta sẽ dùng các hàm của chúng ở phần tiếp theo.

Bắt đầu với DataFrame 

DataFrame là một kiểu dữ liệu đặc biệt trong các ngôn ngữ khoa học dữ liệu như Julia, Python hoặc R được thiết kế để làm việc với bảng. Định dạng tệp phổ biến nhất để lưu bảng là CSV (comma-separated values). Thư viện DataFrame sẽ có công cụ để tải các tệp như vậy và thao tác thông tin bên trong.

Nhập tệp CSV

Chúng ta sẽ nhập bộ dữ liệu diamonds cho hướng dẫn này. Tệp diamonds.csv trông như sau:

Truy cập bộ dữ liệu diamonds tại đây

Dòng đầu tiên gọi là header và chứa tên cột. Hãy tải nó bằng các gói CSV và DataFrames.

# Load in the diamonds DataFrame
diamonds = DataFrame(CSV.File("data/diamonds.csv"))
typeof(diamonds)

DataFrame

Chúng ta truyền đường dẫn tệp CSV vào CSV.File(), rồi truyền tiếp vào hàm DataFrame(). Đầu ra của typeof() cho thấy thao tác đã thành công.

Thao tác dữ liệu đơn giản 

Điều đầu tiên bạn luôn làm khi có một DataFrame mới là in vài dòng để xem nó trông ra sao. Bạn có thể làm điều đó với hàm first().

# Print the first 7 rows of diamond
first(diamonds, 7)

7 × 10 DataFrame

7 dòng đầu tiên của bộ dữ liệu diamonds

Hàm first() trả về n dòng đầu của một DataFrame. Như ta thấy, có 6 cột số và 3 cột phân loại (văn bản). Chỉ mục cũng được tính là một cột trong Julia DataFrame. 

Cũng có hàm last() hoạt động tương tự first(). Bạn có thể đoán từ tên. Đúng vậy, nó lấy n dòng cuối.

Một hàm hữu ích khác là size(). Nó in ra số dòng và số cột của một DataFrame.

# Print the dimensions of diamonds
size(diamonds)

(10000, 10)

Bộ dữ liệu của chúng ta có 10 nghìn dòng và 10 cột (bao gồm chỉ mục). Mắt thường không thể xem hết 10 nghìn dòng, nên ta dùng thống kê mô tả để nắm cảm quan phân phối các cột trong dữ liệu. Để làm điều đó, ta dùng hàm describe()

# Summary statistics of diamonds using describe()
describe(diamonds)

10 × 7 DataFrame

Đầu ra của hàm describe()

Đầu ra là một bảng tóm tắt với 7 cột. Các cột min, max, mean và median chỉ áp dụng cho cột số. Trong cột eltype, bạn có thể thấy kiểu dữ liệu của từng cột trong diamonds. Con số bên cạnh String là độ dài chuỗi dài nhất trong cột đó.

Bạn cũng có thể dùng cú pháp sau để chọn các cột riêng lẻ từ DataFrame.

# Extracting the first 10 rows of the cut column
diamonds[:, :cut][begin:10]

10-element PooledArrays.PooledArray{String15,UInt32,1,Array{UInt32,1}}:

"Ideal"
"Ideal"
"Ideal"
"Premium"
"Fair"
"Premium"
"Very Good"
"Ideal"
"Ideal"
"Premium"

Dấu hai chấm đầu tiên trong ngoặc chọn tất cả các dòng. Sau đó, ta chỉ định tên cột sau dấu phẩy và dấu hai chấm khác (không dùng dấu ngoặc kép). Rồi ta dùng lập chỉ mục trên mảng trả về để chọn mười dòng đầu. Để làm đoạn mã trên đơn giản hơn nữa, ta có thể chọn mười dòng đầu trực tiếp trong ngoặc đầu tiên như sau:

# Extracting the first 10 rows of the cut column
diamonds[1:10, :carat]

10-element PooledArrays.PooledArray{String15,UInt32,1,Array{UInt32,1}}:

"Ideal"
"Ideal"
"Ideal"
"Premium"
"Fair"
"Premium"
"Very Good"
"Ideal"
"Ideal"
"Premium"

Để chọn nhiều cột, đặt tên cột (kèm dấu hai chấm) vào trong ngoặc vuông.

# Extracting the first 5 rows of the cut, carat, price columns
diamonds[1:5, [:carat, :cut, :price]]

5 × 3 DataFrame

5 dòng đầu và 3 cột của bộ dữ liệu diamonds

Hãy chạy hàm describe() chỉ trên các cột số

# Running describe on numeric columns only
describe(diamonds[:, [:carat, :depth, :table, :price, :x, :y]])

Chạy describe() chỉ trên các cột số

Để xem DataFrame được sắp xếp tăng dần theo một cột, dùng hàm sort():

# Sort diamonds and see the first 5 rows
sorted_diamonds = sort(diamonds, :price)
first(sorted_diamonds, 5)

Bảng tóm tắt đã sắp xếp

Để sắp xếp giảm dần, bọc hàm order() quanh tên cột.

# Sort diamonds in descending order and see the first 5 rows
sorted_diamonds = sort(diamonds, order(:price, rev=true))
first(sorted_diamonds, 5)

Bảng tóm tắt đã sắp xếp, giảm dần

Tuyệt vời! Giờ bạn có thể tải DataFrame và thực hiện thăm dò dữ liệu cơ bản.

Tìm hiểu thêm về Julia 

Dù Julia còn trẻ, đã có vô số tài nguyên để làm chủ ngôn ngữ này. Dưới đây là một vài tài liệu để nâng cao kỹ năng của bạn:

• Sự trỗi dậy của Julia — Có đáng để học vào năm 2022?
• Tiến từ MATLAB sang Julia
• Xem cheat sheet của chúng tôi, bao phủ mọi công cụ và công nghệ dữ liệu, bao gồm Julia
• Xem khóa Introduction to Julia của chúng tôi