Biến Toàn Cục (Global Variables) Trong Lập Trình: Con Dao Hai Lưỡi Hay Công Cụ Quyền Năng?

Trong thế giới lập trình, khái niệm về biến (variable) là nền tảng cốt lõi, giúp chúng ta lưu trữ và thao tác dữ liệu. Tuy nhiên, không phải tất cả các biến đều được tạo ra như nhau. Một trong những loại biến gây tranh cãi nhất chính là biến toàn cục (global variable) – một công cụ có thể là phím tắt vô giá nhưng cũng tiềm ẩn nguy cơ dẫn đến mã nguồn lộn xộn và khó kiểm soát. Vậy biến toàn cục thực sự là gì, chúng có lợi ích gì và tại sao việc sử dụng chúng đòi hỏi sự thận trọng đặc biệt? Bài viết này sẽ đi sâu vào bản chất của biến toàn cục, phân tích những rủi ro và chỉ ra cách sử dụng chúng một cách hiệu quả và an toàn trong phát triển phần mềm.

Biến Toàn Cục Là Gì?

Một chương trình máy tính về cơ bản là một danh sách các chỉ thị để máy tính thực hiện. Đối với các chương trình phức tạp, việc tổ chức mã nguồn trở nên vô cùng quan trọng. Các cấu trúc như khối lệnh (blocks), hàm (functions) và định nghĩa lớp (class definitions) giúp bạn quản lý mã nguồn dễ dàng hơn.

Hàm là công cụ cơ bản nhất để nhóm các đoạn mã, tách biệt hành vi của chúng 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 lặp lại.

Hãy xem xét ví dụ về một hàm JavaScript sử dụng hai loại biến: đối số hàm (function argument) và biến cục bộ (local variable):

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

factorial(4); // 24

Trong ví dụ trên, đối số hàm x tự động được gán giá trị truyền vào khi hàm được gọi (ở đây là 4). Biến i được khai báo bằng từ khóa let, đảm bảo nó là một biến cục bộ. Giá trị của i ban đầu là undefined, sau đó được gán và thay đổi trong vòng lặp for.

Mỗi biến này đều có phạm vi (scope) giới hạn trong hàm factorial; không có mã nào khác bên ngoài hàm có thể đọc hoặc ghi giá trị của x hoặc i.

Ngược lại, JavaScript cũng hỗ trợ biến toàn cục, có phạm vi hoạt động trên toàn bộ chương trình. Dưới đây là một phiên bản thay thế của hàm factorial yêu cầu bạn phải đặt một biến toàn cục trước khi gọi hàm, 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

Cách tiếp cận này rất khác thường và thường không được khuyến khích trong thực tế, nó chỉ được dùng ở đây để minh họa một cách sử dụng tiềm năng của biến toàn cục. Nó hoạt động, nhưng lại cồng kềnh và khó sử dụng hơn.

Hầu hết các ngôn ngữ lập trình đều hỗ trợ biến toàn cục, nhưng với các cách thức 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"; // Output: a is 2 and b is 0
?>

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 gán giá trị cho $a, nó thay đổi biến $a toàn cục. Tuy nhiên, $b không được khai báo global bên trong inc, vì vậy hàm chỉ thay đổi một biến cục bộ (cũng có tên là $b). Biến $b toàn cục ban đầu giữ nguyên giá trị 0.

Khi Nào Biến Toàn Cục Trở Thành Vấn Đề? Những Rủi Ro Tiềm Ẩn

Vấn đề chính của biến toàn cục là chúng phá vỡ tính đóng gói (encapsulation), tạo ra tiềm năng rộng lớn cho các lỗi khó lường. Hãy xem xét ví dụ sau:

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 days để trả về tên của một ngày dựa trên số thứ tự. Trong một chương trình nhỏ, điều này có thể không gây ra vấn đề gì, nhưng khi độ dài và độ phức tạp của chương trình tăng lên, các lỗi có thể phát sinh.

Đầu tiên, 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 bất cứ đâu và làm thay đổi hành vi của day_name:

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

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

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

Mã này cũng bị 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 cả hai phải luôn tồn tại cùng nhau, và việc kiểm thử một hàm độc lập trở nên phức tạp hơn một chút.

Minh họa khái niệm kiểm thử đơn vị trong phát triển phần mềm

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 sự tồn tại của 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 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 alert giờ đây là một chuỗi, chứ không phải là một hàm. Mặc dù bạn sẽ không cố ý viết đoạn mã này, nhưng việc vô tình làm như vậy rất dễ xảy ra. Càng sử dụng nhiều biến toàn cục, bạn càng dễ “giẫm chân” lên mã khác. Bạn có thể cố gắng tránh điều này bằng cách sử dụng các tên khác thường hơn cho biến toàn cục, nhưng đây chỉ là một giải 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 của bạn bảo vệ bạn. JavaScript cung cấp ít sự bảo vệ ở đây, vì vậy, nếu bạn không cẩn thận, các biến toàn cục có thể làm hỏng mã thư viện bạn đang sử dụng – hoặc ngược lại.

Lợi Ích Của Biến Toàn Cục Và Cách Sử Dụng Thông Minh

Tuy nhiên, biến toàn cục không phải lúc nào cũng tệ – 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 khá 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 gỡ lỗi này 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 gặp vấn đề, đặc biệt là việc bất kỳ phần nào của mã cũng có thể thay đổi giá trị của debug; nó có thể thay đổi (mutable). Để tránh điều đó, tốt nhất nên khai báo một biến dưới dạng hằng số 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, nghiêm túc mà nói, không phải là biến toàn cục theo nghĩa truyền thống. 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 sau đó.

Logo JavaScript, biểu tượng của ngôn ngữ lập trình web phổ biến

Nếu bạn thực sự cần sử dụng biến toàn cục, bạn cũng có thể giảm khả năng phát sinh vấn đề bằng cách sử dụng một đối tượng toàn cục duy nhất. 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 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, vì vậy ít khả năng nó sẽ xung đột với các tên khác, và dễ dàng hơn để tìm kiếm mã của bạn để tìm các cách sử dụng biến này.

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

Biến toàn cục là một công cụ mạnh mẽ nhưng cần được sử dụng một cách hết sức thận trọng và có chủ đích. Việc hiểu rõ những rủi ro tiềm ẩn như phá vỡ tính đóng gói, xung đột tên và khó khăn trong kiểm thử sẽ giúp bạn tránh được những lỗi nghiêm trọng trong các dự án của mình. Khi sử dụng chúng, hãy luôn ưu tiên các hằng số, nhóm chúng vào một đối tượng toàn cục duy nhất và không bao giờ bỏ qua tầm quan trọng của việc tài liệu hóa chi tiết. Bằng cách áp dụng những thực hành tốt nhất này, bạn có thể khai thác sức mạnh của biến toàn cục mà vẫn duy trì được sự sạch sẽ và dễ bảo trì của mã nguồn. Hãy chia sẻ ý kiến của bạn về cách bạn quản lý biến toàn cục trong các dự án lập trình của mình ở phần bình luận dưới đây!