Biến Toàn Cục Trong Lập Trình: Con Dao Hai Lưỡi Hay Công Cụ Mạnh Mẽ?

Trong thế giới lập trình năng động, việc quản lý dữ liệu hiệu quả là chìa khóa để xây dựng các ứng dụng mạnh mẽ và dễ bảo trì. Giữa vô vàn các khái niệm, biến toàn cục (global variables) nổi lên như một chủ đề gây nhiều tranh cãi: liệu chúng là một lối tắt vô giá hay một ví dụ nguy hiểm của mã cẩu thả? Bài viết này sẽ cùng bạn khám phá định nghĩa, những lợi ích tiềm năng và lý do tại sao bạn cần cực kỳ thận trọng khi sử dụng biến toàn cục để tối ưu hóa việc quản lý mã nguồn và nâng cao hiệu suất lập trình.

Biến Toàn Cục Là Gì?

Về cơ bản, một chương trình máy tính là một danh sách các chỉ thị mà máy tính sẽ thực hiện khi bạn chạy nó. Tuy nhiên, hầu hết các chương trình đều đủ phức tạp để vượt ra ngoài một danh sách tuần tự đơn giản. Các cấu trúc như khối lệnh (blocks), hàm (functions) và định nghĩa lớp (class definitions) có thể giúp bạn tổ chức mã của mình để dễ quản lý hơn.

Hàm là công cụ cơ bản nhất mà bạn có thể sử dụng để nhóm mã, cô lập hành vi của nó khỏi phần còn lại của chương trình. Bạn có thể gọi một hàm từ các phần khác của mã và tái sử dụng cùng một logic mà không cần phải lặp lại nó nhiều lần.

Dưới đây là một ví dụ về một hàm JavaScript sử dụng hai loại biến: một đối số hàm (function argument) và một biến cục bộ (local variable):

function factorial(x) {
    let i;
    for (i = x - 1; i > 0; i--)
        x *= i;
    return x;
}

factorial(4); // 24

Đối số hàm, x, sẽ tự động được gán giá trị truyền vào hàm khi nó được gọi. Trong ví dụ trên, nó nhận giá trị là 4.

Biến i được khai báo bằng từ khóa let. Điều này đảm bảo nó là một biến cục bộ. Ban đầu, giá trị của nó là undefined, trước khi vòng lặp for gán và sửa đổi giá trị của nó.

Mỗi biến này đều có phạm vi (scope) giới hạn trong hàm factorial; không có mã nào khác có thể đọc hoặc ghi giá trị của x hoặc i. Bạn có thể chạy đoạn JavaScript này trong console của trình duyệt và xác nhận rằng các biến x và i không hiển thị bên ngoài hàm.

JavaScript cũng hỗ trợ biến toàn cục, có phạm vi truy cập trên toàn bộ chương trình. Dưới đây là một phiên bản thay thế của hàm factorial yêu cầu bạn phải thiết lập một biến toàn cục trước khi gọi nó, thay vì truyền đối số:

function factorial() {
    let i;
    for (i = x - 1; i > 0; i--)
        x *= i;
    return x;
}

var x = 4;
factorial(); // 24

Đây là một kiểu hàm rất khác thường, không thực tế và chỉ được sử dụng ở đây để minh họa một cách sử dụng tiềm năng của biến toàn cục. Nó vẫn hoạt động, nhưng cồng kềnh và khó sử dụng hơn. Trên thực tế, cách tiếp cận này giống với mã hợp ngữ cũ, nơi không hề có khái niệm hàm.

Hầu hết các ngôn ngữ lập trình đều hỗ trợ biến toàn cục, nhưng chúng có xu hướng thực hiện theo những cách khác nhau. Ví dụ, PHP sử dụng từ khóa global để truy cập một biến được khai báo bên ngoài bất kỳ hàm nào:

<?php
$a = 0;
$b = 0;

function inc() {
    global $a;
    $a = 2;
    $b = 2;
}

inc();
echo "a is $a and b is $bn";
?>

Trong đoạn mã này, hàm inc sử dụng từ khóa global để truy cập biến $a được khai báo ở cấp cao nhất. Khi nó thiết lập $a, nó thay đổi biến cấp cao nhất đó, vì vậy đầu ra xác nhận $a có giá trị là 2. Tuy nhiên, $b không được khai báo global bên trong inc, vì vậy hàm chỉ thay đổi một biến cục bộ – trùng hợp có cùng tên. Biến cấp cao nhất ban đầu vẫn giữ giá trị là 0.

Những Lạm Dụng Phổ Biến Của Biến Toàn Cục

Vấn đề chính với biến toàn cục là chúng phá vỡ tính đóng gói (encapsulation), tạo ra tiềm năng gây lỗi rộng rãi. Hãy xem xét ví dụ này:

var days = [ "Sunday", "Monday", "Tuesday", "Wednesday",
             "Thursday", "Friday", "Saturday" ];

function day_name(number) {
    return days[number];
}

Hàm day_name() truy cập một mảng toàn cục để trả về tên của một ngày, được cung cấp bởi số của nó. Trong một chương trình nhỏ, điều này có lẽ không phải là vấn đề, nhưng khi độ dài và độ phức tạp của chương trình tăng lên, lỗi có thể phát sinh.

Để bắt đầu, vì biến days là toàn cục, bất kỳ phần nào khác của mã nguồn cũng có thể thay đổi nó. Đoạn mã sau có thể xuất hiện ở bất cứ đâu và thay đổi cơ bản hành vi của day_name:

days[5] = "I don't know when";

Trong các chương trình lớn hơn, việc xác định các phần của mã sử dụng hoặc thay đổi một biến toàn cục có thể khó khăn và tốn thời gian.

Vấn đề này thậm chí còn lớn hơn nếu mã của bạn là đa luồng (multi-threaded). Với nhiều bản sao mã đang chạy, việc đảm bảo tất cả chúng truy cập và sửa đổi các biến toàn cục mà không “dẫm chân” lên nhau trở nên khó khăn hơn nhiều.

Đoạn mã này cũng có tính gắn kết chặt chẽ (tightly coupled), khiến việc kiểm thử trở nên khó khăn hơn. Việc tạo ra một sự phụ thuộc giữa một hàm và một biến toàn cục có nghĩa là hai yếu tố này phải luôn tồn tại cùng nhau, và việc kiểm thử một hàm riêng biệt trở nên phức tạp hơn một chút.

Minh họa quy trình kiểm thử đơn vị trong phát triển phần mềm, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kiểm tra hàm riêng biệt khi sử dụng biến toàn cục.

Càng có nhiều biến toàn cục, khả năng xảy ra xung đột tên (name clashes) càng cao. Đối với JavaScript, đây là một vấn đề đặc biệt vì đối tượng toàn cục (global object). Trong trình duyệt web, tất cả các biến toàn cục được lưu trữ dưới dạng thuộc tính của đối tượng Window. Điều này có nghĩa là bạn rất dễ khai báo một biến toàn cục mà ghi đè lên một thuộc tính của Window mà mã của bạn – hoặc mã của người khác – giả định là có sẵn.

var alert = "no you don't";

...

window.alert("Press OK to continue");

Lời gọi window.alert() sẽ thất bại với một lỗi vì nó giờ đây là một chuỗi, không phải một hàm. Mặc dù bạn sẽ không cố ý viết đoạn mã này, nhưng rất dễ vô tình làm vậy. Càng sử dụng nhiều biến toàn cục, bạn càng có nhiều khả năng “dẫm chân” lên mã khác. Bạn có thể cố gắng tránh điều này bằng cách sử dụng các tên độc đáo hơn cho các biến toàn cục của mình, nhưng đây chỉ là một biện pháp tạm thời; không có gì đảm bảo mã của bạn sẽ an toàn.

Tất cả những vấn đề này có thể lan rộng hơn nếu bạn sử dụng các thư viện bên ngoài, tùy thuộc vào cách ngôn ngữ lập trình bảo vệ bạn. JavaScript cung cấp ít sự bảo vệ ở đây, vì vậy, nếu bạn không cẩn thận, biến toàn cục có thể làm hỏng mã thư viện bạn sử dụng – hoặc ngược lại.

Vậy Biến Toàn Cục Có Thực Sự Vô Dụng?

Tuy nhiên, biến toàn cục không phải là tất cả đều xấu – trên thực tế, đôi khi chúng là cần thiết, và việc tránh chúng bằng mọi giá có thể gây tốn kém! Dưới đây là một ví dụ rất hợp lý:

var debug = true;

function do_something() {
    let res = do_a_thing();
    if (debug) {
        console.debug("res was", res);
    }
    return res;
}

Cách tiếp cận này để gỡ lỗi (debugging) có thể hữu ích trong quá trình phát triển và kiểm thử, và hoàn toàn ổn đối với các chương trình nhỏ hơn. Mặc dù vậy, nó vẫn dễ bị tổn thương bởi các vấn đề, đặc biệt là việc bất kỳ phần nào của mã cũng có thể thay đổi giá trị của debug; nó có tính biến đổi (mutable). Để tránh điều đó, thực hành tốt nhất là khai báo một biến dưới dạng hằng số (constant) nếu bạn muốn ngăn giá trị của nó bị thay đổi:

const SECONDS_IN_MINUTE = 60;

Điều quan trọng cần lưu ý là một hằng số trong JavaScript không phải là biến toàn cục theo nghĩa chặt chẽ. Chẳng hạn, nó sẽ không được thêm làm thuộc tính của đối tượng window. Nhưng một hằng số bạn khai báo ở cấp cao nhất của một script sẽ hiển thị cho tất cả mã theo sau nó.

Logo JavaScript minh họa ngôn ngữ lập trình được đề cập trong ví dụ về biến toàn cục và hằng số.

Nếu bạn thực sự cần sử dụng biến toàn cục, bạn cũng có thể giảm khả năng xảy ra vấn đề bằng cách sử dụng một đối tượng toàn cục duy nhất. Ví dụ, thay vì:

var color = [0, 0, 255];
var debug = false;
var days = 7;
...

Bạn có thể lưu trữ các giá trị tương tự trong một đối tượng (map) toàn cục:

var all_my_globals = {
    color: [0, 0, 255],
    debug: false,
    days: 7,
    ...
};

Với cách tiếp cận này, bạn chỉ thêm một tên duy nhất vào không gian tên toàn cục (global namespace), vì vậy có ít cơ hội nó xung đột với các tên khác hơn, và việc tìm kiếm mã của bạn để tìm cách sử dụng biến này cũng dễ dàng hơn.

Cuối cùng, tài liệu hóa (documentation) là bạn của bạn. Nếu bạn bắt buộc phải sử dụng biến toàn cục, hãy đảm bảo chúng được giải thích trong một bình luận, đặc biệt nếu bạn đã xem xét một cách tiếp cận thay thế nhưng cuối cùng lại loại bỏ nó. Tên biến cũng đóng vai trò là tài liệu hóa, vì vậy hãy đảm bảo bạn sử dụng các tên rõ ràng, súc tích, cụ thể để giải thích mục đích của từng biến.

Kết Luận

Biến toàn cục, mặc dù mang lại sự tiện lợi trong việc truy cập dữ liệu, nhưng lại tiềm ẩn nhiều rủi ro nếu không được quản lý cẩn thận. Chúng có thể làm hỏng tính đóng gói, gây ra lỗi khó dò trong môi trường đa luồng, và dẫn đến xung đột tên nghiêm trọng, đặc biệt trong các dự án lớn hoặc khi tích hợp với thư viện bên ngoài. Tuy nhiên, chúng không hoàn toàn vô dụng; trong một số trường hợp cụ thể như gỡ lỗi hoặc lưu trữ các hằng số không thay đổi, biến toàn cục có thể là một giải pháp hợp lý.

Để tối ưu hóa mã nguồn và đảm bảo tính ổn định của ứng dụng, hãy ưu tiên sử dụng biến cục bộ. Khi biến toàn cục là không thể tránh khỏi, hãy áp dụng các thực hành tốt nhất như sử dụng hằng số, nhóm các biến toàn cục vào một đối tượng duy nhất, và đặc biệt là tài liệu hóa rõ ràng mục đích và cách sử dụng của chúng. Việc hiểu rõ và sử dụng biến toàn cục một cách có trách nhiệm sẽ giúp bạn viết ra những đoạn mã sạch hơn, dễ bảo trì hơn và ít lỗi hơn.

Hãy chia sẻ kinh nghiệm của bạn về việc sử dụng biến toàn cục trong dự án của mình bên dưới phần bình luận!