Descripción: este es un muy buen manual de programacion orientada a objetos
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algoritmos programacion en c ingenieria primer semestre
Descripción: programación
Descripción: matlab
Descripción completa
100 010 011
'· \
Fu-ndame-ntos ge-nerales ~~ ·.programac10-n
Fu11dameTitos ge11era les ~~ prqgram ac1011 Luis Joyanes Aguilar Catedrático de Lenguajes y Sistemas Informáticos Universidad Pontificia de Salamanca
Revisión técnica: Carlos Villega5 Quezada Universidad Iberoamericana, C iudad de México
María Luisa Gómez Santamarina
.Carlos Alberto López Castellanos
Instituto Tecnológico de Toluca
Insriruro Tecnológico de Mexicali
Elda Reyes Varela Instiruro Tecnológico de Nuevo León
Ignacio Cabra! Perdomo
José Luis García Cerpas
Daniel Pérez Rojas
Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Puebla
Instituto Tecnológico Superior de Zapopan
Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Puebla
Yunnuén Ramírez Soto Instituto Tecnológico Superior de Zapopan
Luz del Carmen Ruiz Gaytán Instituta Tecnológico de León
Xanatl Donaji Casasola Cervera Instituto Tecnológico de Toluca
MÉXICO • BOGOTÁ • BUENOS AIRES • CARACAS • GUATEMALA • MADRID • NUEVA YORK SAN füAN • SANTIAGO • SAO PAULO • AUCKLAND • LONDRES • MILÁN• MONTREAL NUEVA DELHI • SAN FRAt"íCISCO • SINGAPUR • ST LOUIS • SIDNEY • TORONTO
Director general: Miguel Ángel Toledo Castellanos Editor sponsor: Pablo Roig Vázquez Coordinadora editorial: Marcela Imdda Rocha Martínez Editora de desarrollo: María Teresa Zapata Terrazas Supervisor de producción: Zeferino García García
Funaame-ntos geTierales de programaciÓTI Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor.
1.1 Breve revisió n de la hist oria d e las computado ras
3
1.1.1 Generacio nes de com putad oras . .
4
1.2 Compo nentes de una computadora .
6 6
1.2.1 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . Unidad central de proceso y memoria principal . Dispositivos de entrada y salida ... . . . . . Dispositivos de almacenamiento secundario. Dispositivos de comunicación. . . ... . . . 1.3 Software: conceptos básicos y clasificació n
1.3.1 Software de sistema . . . 1.3.2 Software de aplicacio nes 1.4
Sistema operativo . . . . . .
1.5 El leng uaje de la computado ra . . ·1.5.1 Unidades de medida de memoria . 1.5.2 Representación de la informació n en las computadoras (códigos de cara cteres) . ~.5.3 Categorías de lenguajes de programación. 1.5.4 Algoritmos y programas. 1.6 · Internet y la Web
. ... . .
8 8 9 9 10 11 13 14 14 15 16 17
El desarrollo de programas web .. Cloud computing (computación en la nube) Software como servicio (SaaS) . Internet de las cosas . . . . . .. La Web semántica y la Web 3.0
18 19 20 20 20 21 21
Programas y programación
24
1.6.1 La revolución Web 2.0 . 1 .6.2 Los social media (medios sociales) . 1.6.3 1.6.4 1.6.5 1.6.6 1.6.7
7 7
Int roducción
25
2. 1 Lenguajes de programació n (programas y prog ramación)
25 27
2.2 Traductores de lenguaje: el proceso de t raducción de un prog rama . 2.2.1 Intérpretes . . . . . . . . 2.2.2 Compi ladores .. . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 La compilación y sus fases . .. .... . ... . - 2.4 Evolución de los leng uajes de prog ramación.
2.5 Paradigmas de programación .. 2.5.1 Lenguajes imperativos (procediment ales) . 2.5.2 Lenguajes declarativos . .. . . . . . . . . . 2.5.3 Lenguajes orientados a objetos .. . . .. . 2.6 Breve historia de los lenguajes de progra mació n .
Herramientas de programación 2.8. 1 Editores de texto . . . . . . . . . . 2.8.2 Programa ejecutable . . . . . . . 2.8.3 Proceso de compilación/ejecución de un programa
2.9
2.10 2.11
Consola de línea de comandos.... . ... . Entorno de desarrollo integrado . . . . . . . Diferencias entre los lenguajes C+ + y Java. 2.11.1 Java Virtual Machi ne (JVM).
1ntroducción
3.1
Algoritmos
. 46
........ .
. 47
Fases en la resolución de problemas .
. 47
3.1.1 Análisis del problema . . . . . . .
. 48
3.1.2 Diseño del algoritmo . . . . . . .
. . . . . . . . .
3.1.3 Herramientas de programación . 3.1.4 Codificación de un programa ..
Documentación interna 3.1.5 Compilación y ejecuc.i ón de un programa 3.1.6 Verificación y depuración de un programa. 3.1.7 Documentación y mantenimiento. 3.2 3.3
Programación modular . . . . . . Programación estructurada ... . 3 .3.2 Modelado del mundo real . . .
Programación orientada a objetos 3.4.1 Propiedades fundamentales de la orientación a objetos . 3.4.2 Abstracción . . . . . . .. . . . . . . . 3.4.3 Encapsulación y ocultación de datos . 3 .4.4 Objetos. . . . . . . . . . 3.4.5 3.4.6 3.4.7 3.4.8
Escritura de algoritmos . . . . . . . . .. . Representación gráfica de los algoritmos .
. .
3.7.2 Diagramas de flujo . . . . . . . . . .
. .
3.7.3 Diagramas de Nassi-Schneiderman (N-S) .
.
3.7.1 Pseudocódigo . . .
. . . . . . . ... . .
49 50 52 53 53 54 55 55 56
. 57 . 58
3.3.1 Datos locales y datos globales . 3.4
33 33 35 36 36 37 38 38 38 39 39
64 65 66 66 68 69 70 72 73 74 81
- ~~~a
Capítulo 4 ~'~ .
4.1 4.2
~
Introducción a la programación
Concepto de programa .. .. Partes constitutivas de un prog rama .
. 86 . 87
. 88
Contenido
Instrucciones y t ipos de instrucciones 4.3 .1 Tipos de instrucciones ... . . . . . 4.3.2 Instrucciones de asignación . . . . . 4.3.3 Instrucciones de lectura de datos (ent rada) 4.3.4 Instrucciones de escritura de resultados (salida) . 4.3 .5 Instrucciones de bifu rcación . . . . . . . . . . 4.4 Elementos básicos de un programa. . . . .. . 4 .5 Datos, tipos de datos y operaciones pri mitivas. 4.3
88 89 89 90 91 91 91
y t ipo cadena.
93 94 95 96
4.6 Constantes y varia bles . . . . . . . . .
96
Constantes lógicas (boolean) . . . .
97 97 98
4.5.1 Datos numéricos . . .. . . . .. .
4.5.2 Datos lógicos (booleanos) . . . . . 4.5.3 Datos tipo carácter
4 .6.1 Declaración de constantes y variables
Expresiones . . . . . . . . .. . . . . .. . 4. 7 .1 Expresiones aritméticas . . . . . . . . Operadores de incremento y decremento 4.7.2 Regl as de prioridad . . . . . . . . 4.7.3 Expresio nes lógicas (booleanas) . Operadores de relación . . . . . . Operadores lógicos . . .. . . . . .:P ri oridad de los operadores lógicos. 4.8 Funciones internas . . . . . .
4.7
La operació n de asig nación . 4.9.1 .Asignación aritmética .. 4.9.2 Asignación lógica . . . . . '4.9.3 Asignación de cadenas de caracteres. 4.9.4 Asignación múlti ple . . 4 .9.5 Conversión d e tipo . . . . . . . . . 4.1Cf Entrada y sa lida de info rmación . . 4 .9
4.11
Escritura de algoritmos/prog ramas . Cabecera d el programa o algoritmo . Declaración de variables . . . . . . . Declaración de constantes numéricas . Declaración de constantes, variables carácter y cadenas Comentarios . . . . . . Visual Basic 6 / VB .NET C/C++yC# .. Java . . . . Pascal . . . . . . Modula-2 . . . . 4.1 1.6 Estilo de escritura de algoritmos/programas .
4.1 1.1 4. 11.2 4.1 1.3 4.11 .4 4. 11 .5
Control de flujo (1) : estructuras d e selección .
98 100 101 103
103 104 105 106 107 108 109 109 109
110 111 111 11 2 11 2
113 113 113 11 4 114
114 114
114 11 5
13 0
_introducción . . . . . . . . . . . . . . . . .
131
5.1 El flujo de cont rol d e un programa . 5.2 Estru ctura secuencial . . . . . . . . .
131 132
5.3 Estructuras selectivas . . . . . . .. .
134
5.4 Alternativa sim ple (si- e nto nces/ if-then).
134
5.4.1 Alternativa doble (si- ent onces-sino/if- then-else} .
135
V11
VIII
CONTENIDO
Alternativa múltiple (según_sea, caso de/case) Estructuras de decisión anidadas (en escalera) . 5.7 La sentencia ir_a (gota) . . . . . .. . . . . . . . . s.8 Sintaxis de las estructuras de selección en C, C+ +y Java . 5.5
141
5.6
148 152 154
164
Control de flujo (11): estructuras de repetición .
ntroducción ... . . . . .. .
165
1
6.1 6.2
6.3
Estructuras repetitivas . Estructura mientras ("while")
165
6.2.1 Ejecución de un bucle cero veces . 6.2.2 Bucles infinitos . . . . . . . . . . . 6.2.3 Terminación de bucles con datos de entrada
Comparación de bucles while, for y do-while: una aplicación en C+ + Diseño de bucles (lazos) . . . . . . . . . . . . .
185
6.10.1 Bucles para diseño de sumas y productos 6.10.2 Fin de un bucle . . . . . . . . . . Lista encabezada por el ta maño . . . . Preguntar antes de la iteraci ón . . . .
186 187 187
6.7
6.9 6.1 o
6.12
184 186
188 188
Lista terminada con un valor centinela Agotamiento de la entrada . . . . . .
6.11
183
1.88
Estructuras repetitivas anidadas . . . . .
188
6.11.1 Bucles (lazos) anidados: una aplicación en C+ +.
190 193
Sintaxis de las estructuras repetitivas en C, C++ y Java. Estructura de repetición (while): Java, C y C+ + . .
193 193 194
Estructura de repetición (do - while): Java, C y C+ + . . . Estructura de repetición (lazo o bucle): for . . . . . . . .
6.13 Sintaxis de saltos incondicionales: transferencias de control (C/C +
+, Java)
194
Continue . return .. . . . .
195 195
Funciones .
212
Introducción Introducción a los subalgoritmos o subprogramas . 7.2 Funciones. 7.1
7.2.1 Declaración de funciones
213 213 2 15
215
Contenido
Sentencia devolve r (re;:urn) 7.2.2 Invocación a las funciones .
Ámbito (alcance): variables locales y globales 7.5 Comunicación con subprogramas: paso de pará metros. 7 .4
7.5.1 Paso de parámetros. 7.5.2 Paso por va lor . . . . 7.5.3 Paso por referencia . 7.5.4 Comparaciones de los métodos de paso de parámetros . Modo por valor . . . . . . . Modo por referencia . . . . . . . . . . . . . Utilizando variables globales . . . . . . . . 7 .5.5 Síntesis de la transmisión de parámetros.
Funciones y procedim ientos como parámetros
7 .6
7.7 Los efectos laterales .. 7 .7 .1 En procedimientos . 7.7 .2 En funciones . .. ..
Recursión (recursividad) . Funciones.en C/C++, Java y C#.
7.8 7.9
.. Paso de parámetros . . . . . . . 7.10 . Ámb ito (alcance) y almacenamiento en C/C+ + y Java . Definición y declaración de variables . . .
Sobrecarga de funciones en C+ + y Java
1.11
-Sobrecarga en e++ . :'Sobrecarga en Java . 7 .12 ..
Funciones predefinidas :::lava ..
e++. Arreglos (arrays). Introd ucción 8.1 Introdu cción a las estructuras de datos . 8.2 Arrays (a rreglos)
314 APÉNDICE A Estructura de un programa en e, e++ y Java APÉNDICE B Representación de la información en las computadoras . APÉNDICE c Códigos ASCII
y UNICODE . ... ... . . .. .
APÉNDICE D Palabras reservadas de Java, C y C+ +
. .. .
314 339 344
APÉNDICE F Bibliografía . . . . . . . . .. .
349 351 353
APÉNDICE G Recursos de programación .
357
Índice .... . .... . . . . . . . .. . . .
363
APÉNDICE E Prioridad de operadores C/C++
y Java .. .
..----....
.,
... ·,·......'.' ~
Prólogo
A
~1
ctualmeme, numerosas personas utilizan procesadores de texto para escribir documentos, hojas de cálculo para realizar presupuestos, nóminas, aplicaciones esradísticas, navegadores (browsers) para navegar y explorar imemet, y programas de correo electrónico para enviar correos (e-mail). Los procesadores de texto, las hojas de cálculo, los gestores de correo electrónico son ejemplos de programas de software que corren o se ejecutan en la computadora. El software se desarrolla utilizando, fundamentalmente, lenguajes de programación tales como C, Java y C++, aunque en el campo profesional, de la web y de internet, se urilizan con gran profusión lenguajes como PHP, JavaScript, Python o Ruby on Rails. A finales del siglo XX, la popularidad de internet todavía no estaba muy extendida, sin embargo, hoy es muy popular por lo que estudiantes, profesionales y personas de diversos tipos, utilizan la red para consultar y buscar información, comunicarse entre ellas y como herramienta de trabajo. Los estudiantes utilizan las computadoras y navegan por la red para realizar sus trabajos académicos. Éstas y muchas otras actividades son posibles gracias a la disponibilidad de diferentes aplicaciones de software conocidas como programas de computad.ora. Fundamentos de programación es una asignatura clásica e imprescindil;>Je en la formación de cualquier estudiante de ingeniería de sistemas computacionales, ingeniería y licenciatura en inform ática o cualquier otra carrera de ingeniería o ciencias, que requiere el conocimiento de las técnicas de programación. Desde la ACM, IEEE, pasando por rodos los organismos nacionales resp.o nsables de la educación universitaria, educación técnica y de formación profesional contemplan en su currículo una asignatura cuatrimestral o semestral que incluye los contenidos generales para iniciarse en el área de programación de compuradoras. D ependiendo de la un iversidad, inst:ituto tecnológico o centro técnico o de formación profesional, los currículos contemplan siempre una asignatura de introducción a la programación . . "Esta asignatura se continúa en semestres sucesivos con otras asignaturas del área de programación tales como Fundamentos de Programación II, Estructuras de daros, Lenguajes de programación, Bases de datos, Algorirmia, Programación orientada a objetos, etcétera. Fundamentos generales de programación ha sido escrito pensando en los estudiantes universitarios y de formación profesional que se inician en el campo de la programación y, por ello, se ha recurrido al uso de herramientas clásicas de programación como el pseudocódigo (seudocódigo) y diagramas de flujo que se enseñan jumo a las técnicas básicas de diseño y construcción de algoritmos. Los lenguajes de programación más idóneos para la enseñanza de la programación son estructurados como C y orientados a objetos como C++ y Java. Estas reglas d.e sintaxis serán fundamentalmente las que utilizaremos como referencia en nuestra obra, aunque en muchos casos se harán referencias al lenguaje Pascal, el lenguaje clásico de aprendizaje de la programación y en ocasiones referencias a FORTRAN, COBOL o BasicN.isuaI Basic, lenguajes de programación históricos todavía utilizados en algunos ambientes especffi~os. En la página web del libro y en los apéndices encontrará el lector las guías de sintaxis fundamentales de los tres lenguajes de programación. H emos querido aprovechar nuestra experierrcia en obras similares tales como Fundamentos de programación, Metodología de la programación, Programación en C, Programación en C++, Programación en java, etc., para intentar escribir un libro que se adapte a los programas clásicos de la primera asignatura de programación de las carreras ya mencionadas en los diferentes planes de -estudio de la mayoría de países latinoamericanos y de España. En particular, hemos intentado adaptarnos a los programas oficiales recomendados para los Institutos Tecnológicos de Méx.ico, por la razón fundamental de existir normativas específicas y concretas en todo el plan de estudios y, en _part:icular, de la asignatura objetivo fundamental de este libro. A la vez hemos intentado construir un libro básico que pudiera servir como primera asignatura de programación tanto en México -en las universidades y en institutos tecnológicos y politécnicos- como en otros países
XII
PRÓLOGO
de Latinoamérica y Caribe, y, en particular, de España - carreras de Grado en informática y de Formación profesional- aprovechando nuestra experiencia profesional y el gran número de colegas que tenemos en todos estos países, muchos de ellos ya doctores a los que hemos tenido la suerte de dirigir su tesis doctoral.
Objetivos del libro El objetivo principal de este libro es enseñar cómo escribir programas en un lenguaje de programación --en nuestro caso el lenguaje algorítmico-- basándonos en competencias que deberá asumir el alumno que inicia los estudios de Programación de sistemas computacionales o Ingeniería informática. Antes de comenzar a enseñar las técnicas de programación, es muy útil que se entienda la terminología básica y los diferentes componentes de una computadora, así corno los conceptos fundamentales de los lenguajes de programación, de internet y de la web. El libro se ha diseñado pensando en la adquisición de competencias específicas enfocadas en el aprendizaje del diseño de algoritmos y construcción de programas. Enseñar, diseñar y desarrollar soluciones/problemas reales utilizando algoritmos computacionales para ser posteriormente implementados en un lenguaje de programación universal (tal como CIC++ o Java) . . El contenido del libro pretende seguir un programa clásico de la asignatura de Fundamentos de programación con un enfoque innovador que responda a las nuevas ·versiones de los lenguajes de programación más universales corno C!C++ y Java, así como preparación para los nuevos desarrollos de software que trae la Web 2.0 y 3.0, y la computación en la nube así como el software como servicio y las aplicaciones web.
A quién va dirigido el libro El libro está dirigido a alumnos de .p rimer semestre en carreras como Ingeniería de Sistemas Computacionales, Licenciatura o..Jngeniería en informática e ingeniería en tecnologías de la información y las ·.comunicaciones (México,.:Américá Latina·y Caribe) y a los nuevos grados en Ingeniería.informática · (en España, adaptada al·primer curso de programación en los planes del Espacio Europeo de Educación Superior, plan Bolonia). Este contenido pretende ser el soporte directo de asignaturas tales ·como: programación orientada a objetos, estructura de datos, tópicos avanzados d e programación y de modo indirecto al desarrollo de sistemas de software, sistemas operativos y programación de sistemas. El libro se ha escrito pensando en la posibilidad de continuar con temas avanzados de programación de otros libros publicados por diferentes autores o bien libros complementarios nuestros, tales como Fundamentos de Programación: Algoritmos, Estructuras de datos y objetos; Programación en java 6, Programación en C, Programación en C++, Programación en CIC++, java y UML; Estructuras de datos en C++ /java; Programación orientada a objetos, etcétera. Uno de los objetivos generales del libro es la enseñanza de las técnicas básicas de programación para estudiantes de las carreras citadas anteriormente y también de estudios para técnicos y de formación profesional en computación e informática. Corno objetivo específico, el libro se ha diseñado adaptando su contenido a los programas de la asignatura Fundamentos de Programación de los planes de estudio de Ingeniería en Sistemas Computacionales y de la Licenciatura en informática para las carreras de los institutos tecnológicos de México.
Enfoque didáctico del libro El libro se ha escrit0 aprovechando la experiencia del autor en otras obras de programación, que han sido utilizadas en numerosas universidades, institutos tecnológicos e institutos de formación profesional de Espafia y Latinoamérica (tanto en español como en portugués). Sin embargo, en
Prólogo
este caso particular, el libro ha sido orientado para cubrir las asignaturas de primer semesue o cuarrimesrre: Fundamentos de programación, Principios o Introducción a la programación, en carreras de Ingeniería y Ciencias, especialmente Sistemas, Informática, Tecnologías de la información, Telecomunicaciones, Electrónica, Ingeniería industrial. Por esta circunstancia, de tratar de adaptarse a los nuevos planes de estudio de institutos tecnológicos de México, universidades de España y Latinoamérica, se ha seguido el enfoque didác-
tico dirigido a competencias. En los actuales programas de las asignaturas citadas se consideran varios objetivos a cumplir, los cuales se consiguen con la adquisición de competencias genéricas (instrumentales, interpersonales y sistémicas) que tienen un carácter global de los estudios elegidos y transversal con otras carreras de ciencias e ingeniería, así como la adquisición de competencias específicas a desarrollar más centradas en las propias asignaturas. Dado el carácter de asignatura introductoria :i0 :.e requiereñ competencias previas y ba.S~ará estar en posesión de los dtulos de bachi!ltr y/o las pruebas selectivas de cada país o cada universidad e instituto tecnológico. En la introducción del libro se enwnerarán las competencias genéricas que consideramos se deben seguir; para ello nos hemos apoyado en los criterios oficiales de los planes de estudios de tecnológicos y universidades españolas y latinoamericanas. Posteriormente, en cada capítulo contemplaremos las competencias específicas concretas y las actividades de aprendizaje que recomendaremos en cada capítulo específico y que también trataremos de incluir en el mismo. .
Libros complementarios Aunque el cibjetivo principal es enseñar las técnicas generales de programación de computadoras y para ello no.~)1emos apoyado en herramientas de pseudocódigo y diagramas de flujo, así como reglas de sintaxis :Q.e la triada --espina dorsal- de lenguajes de programación: C, C++ y Java, hemos . quer~do se~ar un camino, en función del plan de estudios del alumno, que le permita trabajar de i~era.~~ultánea, o en el mejor de los casos, continuar con su formación en estos lenguajes de programación. De este modo, los siguientes libros pueden ser de utilidad práctica para los lectores que deseen continuar con el estudio práctico de la programación en alguno de los lenguajes citados, o bien,. el estudio en paralelo, a la vez que avanzan en fundamentos generales de programación de un libro práctico en un lenguaje de programación: ·
• Programación en C, 2a. ed. (Madrid: McGraw-Hill) • Programación en C++, 2a. ed. (Madrid: McGraw-Hill) • Programación en java 6 (México: McGraw-Hill) Pensando en aquellos alumnos que deseen conocer un lenguaje de programación más a fondo, o en aquellos maestros que deseen impartir sus clases con un estudio simultáneo y comparativo de los tres lenguajes de programación, publicamos en McGraw-Hill la obra Programación en C, C++, java y UML, la cual consideramos que puede servir corno herramienta práctica de esta obra y también contempla un estudio avanzado de programación y continuación del contenido de este libro.
Portal tecnológico Joyanes/McGraw-Hill El libro ofrece el Portal Tecnológico y de Conocimiento Joyanes/McGraw-Hill de la sede de McGraw-Hill en Madrid (España) (www.mhe.es/joyanes).
:')·
XIII
XIV
PRÓLOGO
Organización del libro Para conseguir los objerivos del libro, el contenido se ha estructurado en ocho capfrulos y una serie de apéndices. Capítulo l. Conceptos básicos de computación y programación En este capítulo introductorio, teniendo presente la previsible formación previa del lector, se hace una breve introducción a las computadoras con mención expresa a las nuevas tendencias tecnológicas que están presentes en la vida diaria del alumno, tales como internet, la web, la Web 2.0, tecnologías de cloud computíng o mencionar temas tan innovadores como Internet de las cosas, debido a que habrá de aprender programación teniendo presente estas tecnologías y otras innovadoras y sus estudios se realizarán viviendo día a día con ellas. También se hace una introducción al software y a su clasificación: software del sistema y software de aplicaciones, así como a los conceptos fundamentales de algoritmos, programación y lenguajes de programación. Se hará una primera introducción al algorítmico como piedra angular del aprendizaje central de la programación y la construcción de programas. Muchos de los términos del capfrulo le serán conocidos al lector, sobre todo para aquellos lectores "nativos digitales." que comienzan sus estudios universitarios º· profesionales; por esta razón se han recogido los términos más usuales en la vida diaria y, naturalmente, en su campo académico o profesional. Capítulo 2. Programas y lenguajes de programación Se describen en profundidad los conceptos de programa, prograrnac!óJ;. y lenguajes de programación, espina ·dorsal del aprendizaje del lector en su formación de ingeniero, licenciado, graduado o tecnólogo en sistemas o en informática. Se describen y explican los paradigmas de programación más utilizados en el desarrollo profesional del programador y del ingeniero: estructurado y orientado a objetos. Dado el carácter eminentemente práctico y compatible con una buena formación teórica que pretendemos darle al libro, iniciamos al alumno en las herramientas prácticas de programación y en el modo de de.sarrollo de programas dirigidos fundamentalmente al estudio de algoritmos como elemento fundamental del aprendizaje y en paralelo el conocimiento de los procesos de compilación y ejecución de programas, especialmente con lenguajes de programación C/C++ y Java, tal vez los más utilizados en el aprendizaje de programación de computadoras. Para ello se explican herramientas de programación como traductores, compiladores, intérpretes, editores, consolas de línea de comandos, entornos de desarrollo integrados y el modo de compilación y ejecución de programas en CIC++ y Java, así como la máquina virtual de Java (JVM). Capítulo 3. Algoritmos El algoritmo es un método para la resolución de problemas y herramienta fundamental en la programación de computadoras. En el capítulo se estudian las diferentes fases o etapas para la resolución de un problema, el diseño de algoritmos, aunado al primer estudio del diseño y construcción de dichos algoritmos. Se enseñan las herramientas clave en la escritura de algoritmos: diagramas de flujo y pseudocódigo, que acompañarán al lecror a lo largo de rodo el libro y que, luego, le será muy fácil traducirlos a un lenguaje de programación comprensible por la máquina como C!C++, Java o cualquier otro lenguaje como clásicos Pascal, COBOL, Basic y FORTRAN. Capítulo 4. Introducción a la programación Una vez que el alumno conozca los fundamentos de un programa y de programación, así corno las herramientas de programación, junto con el concepto de algoritmos y las herramientas clave
Prólogo
para su diseño, es necesario iniciarle de un modo práctico a la programación. Por ello, en este capítulo se describe la estructura de un programa y los elementos básicos que componen dicho programa: instrucciones o sentencias, datos, constantes, variables, expresiones, funciones internas y operaciones de enuada/salida. Capítulo S. Control de flujo I: Estructuras de selección El diseño de algoritmos y la escritura de programas en programación estructurada se basan fundamentalmente en estructuras de conuol, que son a su vez las sentencias o instrucciones que señalarán las acciones que deberá realizar la computadora para resolver problemas. Las estructuras básicas que considera el teorema de la programación estructurada son: secuenciales, selectivas y repetitivas. En el capítulo se estudian con detenimiento las estructuras secuenciales y, especialmente, las select ivas, tales como if, switch o if.else. (si_entonces, según_sea y si_entonces_sino). Capítulo 6. Control de flujo II: Estructuras de repetición Las restantes estructuras que el programador utiliza en el diseño de sus programas, y posteriormente en la traducción a un lenguaje de programación, son las estructuras repetitivas o iterativas. En el capítulo se describe y se explica el uso de estructuras repetitivas tales como desde, mientras, hacer-mientras, repetir (for, while, do-while, repeat} e incluye numerosós ejercicios y problemas para el aprendizaje práctico del alumno. Capítulo 7 '...funciones. Diseño e implementación En. la resolu~!ón de problemas, tanto en programación estructurada como en programación orientada_a objet~s, se suele recurrir al uso de la programación m odular, es decir, la descomposición de problemas grandes o pequeños en subproblemas m ás fáciles de resolver. ESros subproblemas se resuelven m~diante el diseño de fanciones, procedimientos, en general subprogramas, o métodos en leqgUajes or~ntados a objetos. En el capítulo se enseña a diseñar y construir funciones o métodos, piezas'd aveºg; el diseño de cualquier programa y conceptos importantes como parámetros, ámbito de·:-Yá:riaÉles, comunicación con subprogramas, funciones predefinidas y las propiedades de sobrecarga y recursividad. Capítulo 8 . Arreglos (arrays) Los programas manejan daros, los cuales, para ser operativos en la toma de decisiones, han de convertirse en información (daros estructurados). El aprendizaje de la programación requiere el conocimiento de las estructuras básicas utilizadas en cualquier programa: los arreglos (arrays). En este capírulo se enseña el concepto de arreglo o array, su taxonomía o clasificación y el proceso de manipulación de estas estructuras básicas de daros. Una vez conocido el concepto de arreglo, así como el p roceso de lectura y escritura de datos, se enseñan algoritmos básicos para la ordenación de los daros contenidos en los arreglos y la búsqueda de datos en dichos arreglos. Se estudian también otras estructuras de daros básicas tales como uniones y enumeraciones. En cursos sucesivos se estudiarán asignaturas tales como Estructuras de datos o Programación avanzada donde se· estudian otras estructuras de daros más complejas tales como los archivos (ficheros) y las bases de datos, que serán los métodos normales de tratamiento de datos en los programas profesionales. Apéndices A. B. C. D.
Estructura de un programa en C, C++ y Java Representación de la información en las computadoras Códigos ASCII y Unicode Palabras reservadas de Java, C y C++
:;';:';.
XV
XVI
PRÓLOGO
E. Prioridad de operadores C/ C++ y Java F. Bibliografía G. Recursos de programación Los apéndices han sido escritos pensando en aportar herramientas prácticas en el aprendizaje de programación y en su posterior desarrollo profesional. Por esta razón, se incluyen guías extensas sobre la estructura típica de un programa en lenguajes C, C++ y Java, junto a normas prácticas para el aprendizaje de la programación. Asimismo, se ofrece información sobre los códigos de numeración fundamemales utilizados en el mundo de las computadoras, bin'ario, octal y hexadecimal y, naturalmente, el sistema decimal, junto a los códigos ya más generales empleados por las computadoras, tales como ASCII y Unicode. Se proporcionan las palabras reservadas de los lenguajes de programación más populares, C, C++ y Java, la rabia de prioridad de operadores, normalmente utilizada por los diferentes lenguajes, junto a un breve glosario de términos de programación.
Apéndices en la web (Portal Tecnológico Joyanes ) Se incluirán todo tipo de recursos de programación: bibliografía, revistas, portales web, lecturas recomendadas, ejercicios y problemas rcG:.:::l:::;s, :::urscs, ~:.:toriales, guías de sintaxis y de referen.:::i:::_ de lenguajes de programación, etcétera.
Agradecimientos Corno siempre me sucede cu.a ndo termino de escribir un libro, me viene a la cabeza el agradecimiento que debo a todas aquellas personas que han contribuido a que yo pudiera terminar la obra, y una vez más, mi agradecimiento y reconocimientq deben ir dirigidos a los numerosos lectores de Latinoamérica, Caribe y España, y en menor medida pero no por ello menos importantes, a lectores de habla portuguesa e italiana a la que han sido traducidos algunas de las obras citadas anteriormente, y que han leído, estudiado o recomendado dichas obras. De igual manera, mí agradecimiento a los maestros y profesores que recomiendan o siguen mis obras de programación, gracias por confiar en ellas y mi eterno reconocimiento por las consideraciones, recomendaciones y . consejos prácticos que me proporcionan y que trato de seguir lo más fielmente que me sea posible. Por otra parte, he de reconocer también mi agradecimiento al equipo editorial de McGrawHill que, como siempre, en estos más de 25 de años que llevo publicando con ellos, no han dejado de apoyarme y sus sabios consejos siempre me guían y orientan en el complejo proceso editorial. En esta ocasión quiero destacar a Pablo Roig, mi querido editor y gran amigo, a Marcela Rocha, coordinadora editorial y a María Teresa Zapata, mi editora de desarrollo. Gracias, amigos. En Carchelejo, Sierra Mágina (Andalucía) y en México D.F. Abril de 2012
Fu11 clam e11 tos ge11era les ~~ programa c1011 ,J~· ·
• Tener una visión global de los conceptos básicos de computación y p rogramación a modo de cultura tecnológica básica necesaria para que el estudiante consiga los mejores resultados en sus estudios de programación. Al finalizar el capítulo el alumno deberá ser capaz de: Describir los conceptos generales de las computadoras • Explicar la generación y evolución de las computadoras • Conocer los componentes de hardware y software de una computad ora Describir e l concepto de hardware de una computadora
con1e:n1Do
• Explica r el concepto de software de una computadora • Conocer el concepto y uso de software de sistema y de software de aplicaciones Identificar y clasificar los diferentes sistemas operativos Exa mi nar los l ~nguajes de programación Explicar los conceptos básicos de internet, la web, Web 2.0, Web 3.0 y Web Semántica Especificar los nuevos modelos de computación: Cloud Computing (la nube) y software como servicio (SaaS) Conocer e l concepto de programa de computadora y de aplicacio nes web como programa representativo y de impacto en la actua lidad
de las computadoras 1.1.1 Generaciones de computadoras 1.2 Componentes de una computadora
1.5.4 Algoritmos y programas
de programación 1.6 Internet
1.2.1 Hardware
y la web
1.6.1 La revolución Web 2.0
1.3 Software: conceptos básicos
y clasificación
1.3 .1 Software de sistema 1.3.2 Software de aplicaciones
1 .6.2 Los Social Med;a (Medios sociales) 1 .6.3 El desarrollo de programas w eb 1 .6.4 Cloud Computing (computación
1.4 Sistema o perativo
en la nube)
1.5 El lenguaje de la computadora 1.5.1 Unidades de med ida de memoria 1.5.2 Represe ntación de la información
1.6.5 Software como servicio (SaaS) 1.6.6 Internet de las cosas 1.6.7 La Web Semántica y la Web 3.0
en las computadoras (códigos de caracteres)
comPe:Te:ncu::\s e:sPe:c11=1cAs A oe:sRRROLLAR Dominar los conceptos básicos de las computadoras (hardware y software), tecnologías web, y tecnologías innovadoras
como internet de las cosas, Web 2.0 y software como servicio, así como los primeros conceptos de algoritmos y programas.
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-
INTRODUCCIÓN
A
ctualmente numerosas personas utilizan procesadores de texto para escribir documentos, hojas de cálculo para realizar presupuestos, nóminas, aplicaciones estadísticas, navegadores (browsers) para navegar y explorar la red internet, y programas de correo electrónico para enviar correos electrónicos (e-mail) por interner. Los procesadores de texto, las hojas de cálculo, los administradores (gestores) de correo electrónico son ejemplos de programas software que se ejecutan en la computadora. El software se desarrolla utilizando, fundamentalmente, lenguajes de programación tales como C, Java, C++ o XML, aunque en el campo profesional, de la web y de internet, se utilizan con gran profusión lenguajes como PHP, JavaScript, Python o Ruby on Rails. Internet, que a finales del siglo XX todavía no estaba muy extendido, hoy en día es muy popular, y estudiantes, profesionales y personas de todo tipo y condición utilizan la red para consultar y buscar información, comunicarse entre ellas y como herramientas de trabajo. Asimismo, los estudiantes navegan por internet y utilizan las computadoras para realizar sus trabajos académicos. Todas estas actividades, y muchísimas otras, son posibles gracias a la disponibilidad de 1iferentes aplicaciones de software conocidas como programas de computadora. Los lenguajes de programación más idóneos para la enseñanza de la programación son estructurados como C y orientados a objeros como C++ y Java. Por esta razón serán los lenguajes de programación que utilizaremos como referencia en nuestra obra, aunque en algunos casos se harán breves referencias al lenguaje Pascal, el lenguaje clásico de aprendizaje de la programación y C#, un lenguaje cre~do por Microsoft para competir con Java creado por Sun Microsystems, hoy propiédad de Oracle. ..., Elobjetivo principal de este libro es enseñarle cómo escribir programas en un lenguaje de programación basándonos en competencias que deberá adquirir el alumno que se introduce en los estudios de programación de sistemas computacionales o ingeniería informática: Antes de comenzar a enseñarle las técnicas de programación, es muy útil que usted entienda la terminología básica y los diferentes componentes de una computadora, así como los conceptos fundamentales de los lenguajes de programación, de internet y de la web. - Puede .saltar la lectura de aquellos apartados con los que se sienta familiarizado, aunque al menos le sugerimos que revise o recuerde -en su casa- los apartados específicos de lenguajes de programación, software y sistemas de numeración. Es muy posible que muchos de los términos del capfrulo ya los conozca usted, sobre todo si es un "nativo digital" que comienza sus estudios universitarios o profesionales; por esta razón se han recogido los términos más usuales en la vida diaria y, naturalmente, en su campo académico o profesional.
1.1 Breve revisión de la historia de las computadoras Todas las hisrorias publicadas sobre el nacimiento de las computadoras comienzan remontándose a la antigüedad con la creación del;i1J~c() ·como priméra ·máqw!Ja: d~ 'cál~ulo~El ábaco, ~1"1YYi.'?.l
y,
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4
CAPÍTULO 1
CONCEPTOS BÁSICOS DE COMPUTACIÓN Y PROGRAMACIÓN
. Sin embargo, casi todos los historiadores coinciden en que fue a prin~ip~os _del~~m~%'Ii~H~:eJta . ~epanidade la ccimputació~ rñó&r_n~. El físico y matemático inglés, Chárl~;'BaoS'e ~~~~ri~yó dos máquinas calculadoras:·ra. P:úiquiña~4.ecdife.ref!(:~~'y!'l,~$~\'.l!tl:1~caha1Ítfcfa. La máquina diferencial podía realizar automáticamente operaciones complejas tales como elevar números al cuadrado. Babbage construyó un prototipo de la máquina diferencial, aunque nunca fue fabricado para
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de la comput:a~i_ó~--~üc'e,[na; 'auriq~e los ~r;b~jos· d~.1:1~~b;g~ fuer;~ publicados por su colega ~di 1
.
:>:f\iiglisr~~~r;9_Ag~sa~de Lovel~e, considerada comdJ~(prilri~~á-'.pfü'gr:iiriiidóHr'& compuraaaras' del_ ~~· A finales del siglo XlX, se utilizaron por primera vez con éxito las tarjetas perforadas que ayudaron .~ ~ealizar el censo d~ Estad_()s Unidos en '.1 ~9_Q:.Ji~rtii~u'{:Bolh:r~~~ipverltó ..una' rriá51ui~a
· La miqui~~ (i~'J.íollerith tuvo un gra~ éxito y apoyándose e;;_ . ella. ~r~ó· l~ e~pres;~~BUlarin~ . Machine:Companf, que m_ás tarde se convirtió en la reconocida;i)J3&1.4' . Se considera que;:lYfaikifue la primera computadora digital de la historia que aprovechó el . éxito de la máquina de tarjetas perforadas de Hollerith. IBM construyó Mark I en 1944 junto con la Universidad de Harvard y con la dirección de Howard Aiken. Las entradas y salidas de datos se realizaban mediante tarjetas y cintas perforadas. En 1939, John V Atanasoff, profesor de la Universidad de Iowa y el estudiante de doctorado Clifford E. Beny, consuuyeron un prototipo de la ABC, una computadora digital que milizaba tubos de vacío (válvulas) y el sistema de numeración digital de base 2, además de que disponía de unidad de memoria. La computadora no se comercializó y el proyecto fue abandonado, pero en 1973, un tribunal federal de Estados Unidos reconoció de modo oficial a Atanasoff los derechos sobre la invención de la computadora digital electrónica automática. Entre 1942 y 1946, John P. Eckert, John W Marchly y su equipo de la Universidad de Pensilvania, construyeron la ENIAC, considerada la primera computadora digital de la historia y que fue utilizada desde 1946 hasta 1955 (contenía 18 000 rubos de vacío y pesaba 30 toneladas). Las computadoras como se les conoce hoy día siguen el modelo Von Newmann. El matemático John von Newmann realizó un estudio teórico a finales de la década de 1940 en los que sentó las bases de la organización y reglas de funcionamiento de la computadora moderna. Su diseño incluía componentes tales como unidad lógica y aritmética, unidad de control, unidad de memoria y dispositivos de entrada/salida. Estos componentes se describen en el apartado siguiente. Desde el punto de vista comercial, las computadoras más conocidas y que aparecieron en las décadas de 1950 y 1960 son: Univac I, IBM 650, Honeywell 400 y las populares IBM 360. Las computadoras modernas de hoy en día son muy potentes, fiables y fáciles de utilizar. Se han convenido en herramientas indispensables de la vida diaria lo mismo para los niños en las escuelas que para los profesionales en las empresas. Ellas pueden aceptar instrucciones orales (de voz) e imitar el razonamiento humano mediante técnicas de inteligencia artificial. En la actualidad, las computadoras se utilizan para ayudar a los médicos en el diagnóstico de enfermedades, a los empresarios en la toma de decisiones y a los militares a posicionarse geográficamente en el terreno mediante satélites y sistemas GPS. Las computadoras portátiles crecen en números exponenciales y las netbooks (computadoras de 7 a 11 pulgadas de tamafio de pantalla) y los teléfonos inteligentes (smartphones) se están conviniendo en el elemento de cálculo y de acceso a internet, por antonomasia, junto con las tabletas (tablets) .
1.1.1 Generaciones de computadoras La evolución de las computadoras desde la década de 1950 se suele clasificar en cinco generaciones soportadas en las innovaciones tecnológicas. Las rres primeras generaciones suelen estar muy
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5
Breve revi sión de la historia de las computadoras
definidas en periodos, mientras que la cuana y quima generaciones rienen una frontera más difusa en esta década. La primera generación se idemifica con los tubos o válvulas de vacío y suele abarcar desde la época de la publicación del modelo de Von Newmann hasta la aparición del transistor (1945-1956). La computadora que inicia esa generación es la mencionada UNIVAC. En 1956, la invención del transistor trajo consigo computadoras más pequeñas, más rápidas, más fiables y más eficientes y el inicio de la segunda generación. En esta época (1956-1963) los transistores desplazaron a los tubos de vado, redujeron el espacio y la energía necesaria para su funcionamiento. Desde el punto de vista de dispositivos de almacenamiento de datos, se sustituyeron los primitivos tambores magnéticos por núcleos magnéticos y las tarjetas perforadas se cambiaron por la cima magnética y el disco como m edio de almacenamiento secundario. Esros dispositivos eran más rápidos y proporcionaban mayor capacidad de comprensión de daros en un menor espacio. Esra era se destacó también por la aparición de la industria de desarrollo del software con la introducción de los dos len guajes de programación de alto nivel: FORTRAN (1954, aplicaciones científicas) y COBOL (1959, aplicaciones de negocios). Estos dos lenguajes de programación de alto nivel fueron reemplazando en el desarrollo al lenguaje ensamblador que a su vez sustituyó al lenguaje máquina (basado en ceros y unos) que es el lenguaje con el que funcionan las compuradoras. A partir de 1964 se comienzan a desarrollar los circuitos integrados que contenían un gran número de transistores en un solo chip o pastilla. Un chip es más pequeño y más barato que un transistor y puede contener millares de circuitos. Los chips proporcionaron a las computadoras un,~ gran velocidad de procesamiento. La tercera generación se suele encuadrar entre 1964 y 197 1 y' durante el mismo periodo se consolidó el circuito integrado y apareció el microprocesador. - .::_En 197 0 se inventó el microprocesador, una unidad central de proceso (CPU, por sus siglas en)nglés) completa en un solo chip. En 1977, Stephen Wozniak y Steve Jobs diseñaron y construyer9n la primera computadora Apple en un garaje. '.~_" :La cuarta generación se inicia en la década de 1970 y llega hasta la actualidad. Durante estas tre-5 'ª cuatro décadas han aparecido muchas de las innovaciones tecnológicas de todo tipo. La quima generación fue un término acuñado por los japoneses para describir las computadoras potentes y muy inteligentes que desarrollarían a mediados de la década de 1990. Las ideas originales han sido superadas y hoy el término no está bien definido, aunque existen conceptos similares que pueden englobarlos: computación paralela, computación _cuántica, etcétera. En 1981, IBM presentó su computadora, a la que llamó PC (por Personal Computer) y que supuso el comienzo de la nueva revolución en la computación y aún sigue vigente. En la década de 1980 comienzan a aparecer clónicos de la IBM PC y eso hizo a la compmadora personal muy popular. En la década de 1990 continuó la proliferación de compuradoras personales y de fabricantes de las mismas, y empezó a difundirse el computador portátil o transportable. Las computadoras actuales son muy potentes, muy fiables y muy fáciles de utilizar. Su tamaño se ha reducido considerablemente y se han popularizado las compmadoras portátiles en diferentes escalas: computadoras de escrirorio (desktop), laptops y notebooks (este término ya está en desuso desde la aparición de las netbooks) , netbooks, smartbooks, y los ya introducidos teléfonos inteligentes (smartphones) , PDA (asistentes digitales), tableras digitales (tablets PC) como iPad, Samsung Galaxy Tab, y los cada día más populares lectores de libros electrónicos (eRcader). Los teléfonos celulares (móviles) y las redes de comunicaciones móviles y fijas, redes inalámbricas -sin cables-, están configurando un nuevo modelo de computación, computación móvil o computación celular, que está trayendo infinidad de aplicaciones de computación móvil. Los dispositivos p~rtátiles (hand-heLd) permiten conexiones a imernet, envíos de correos electrónicos (e-mail), conexión a redes sociales, navegar con sistemas GPS de posicionamiento global, visualizar mapas de ciudades, de carreteras, etcétera.
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CAPÍTULO 1
CONCEPTOS BÁSICOS DE COMPUTACIÓN Y PROGRAMACIÓN
Hoy en día la computación se está volviendo cada vez más ubicua de modo que se puede leer un correo electrónico, escuchar una canción, hacer una reservación para el avión o el tren, acceder a las cuentas de su banco o reproducir un video o ver una película, desde cualquier lugar, en cualquier dispositivo y en cualquier momento. Desde el punto de vista técnico aunque existen diferentes categorías de computadoras, por ahora todas ellas tienen la misma organización, comparten los mismos elementos y siguen el modelo de Von Newmann, aunque la computadora cuántica cada vez se encuentra en un estado más avanzado de desarrollo. Aunque todas ellas comparten los mismos elementos básicos, existen diferentes categorías de computadoras dependiendo del tamaño y potencia de las mismas. La clasificación más usual es: grandes computadoras (mainframe), macrocomputadoras (computadoras de tamaño medio), microcomputadoras y computadoras personales; aunque cada :vez se comienza a extender con mayor intensidad la clasificación de: supercomputadoras (para los grandes centros de cálculo de los centros de investigación y universitarios), servidores (microcomputadoras que gestionan o administran las computadoras personales departamentales), computadoras personales (escritorio, laptops, netbooks) y tabletas PC (tablets).
1.2 Componentes de una computadora Una computadora es un dispositivo electrónico que almacena y p rocesa datos, y que es capaz de ejecutar órdenes o comandos. Las computadoras procesan datos bajo el control de un conjunto de instrucciones.denominadas programas de computadoras.-.Las ·computadoras incluyen ·hardware y software. . El hardware es el aspecto físico de las computadoras y constan de varios componentes o dispositivos: monitor (pantalla), teclado, ratón (mouse), discos duros, memoria, discos CD y DVD, memoria externa (flash), .cámaras de vide.o, etcétera. .El software es el conjunto de instrucciones que controlan el hardware y realizan tareas específicas. La programación de computadoras consiste en · escribirinstrucciones que la computadora ha de ejecutar.Al igual que sucede en numerosas má·quinas existentes en la vida diaria, se· puede aprend er un lenguaje de programación que permitirá escribir los programas sin necesidad de conocer el hardware de la computadora, aunque será mejor y más eficiente que el programador (persona que escribe el programa) comprenda bien el efecto de las instrucciones que compone. Una computadora es un dispositivo electrónico capaz de ejecutar órdenes o instrucciones. Las instrucciones básicas que realiza una computadora son: entrada (lecmra o introducción de daros) , salida (visualizar o escribir resultados), :ymacenamienro (guardar datos) y realización de operaciones básicas (aritméticas y lógicas) y complejas. En el mercado actual, y sobre todo en el mercado de la formación, proliferan las computadoras personales de escritorio y las computadoras portátiles (laptops, notebooks y netbooks). Los grandes fabricames como H ewlen-Packard (HP), Dell, Acer, Asus, Oracle (gracias a la compra de Sun Microsystems), Toshiba, Samsung, Sony, LG, etcétera, ofrecen una exrensa gama de equipos y de costos asequibles que facilitan el aprendizaje tanto a las generaciones más jóvenes como a los profesionales.
1.2.1 Hardware Los componentes (unidades) más importantes del hardware de una computadora son: Unidad central de proceso o procesador (CPU, Central Processing Unir), memoria central o principal del equipo (memoria RAM); dispositivos o periféricos de entrada y salida (monitor, impresora, teclado, mouse (ratón), videocámara); dispositivos de almacenamiento secundario (discos, memorias flash, memorias SO) y dispositivos de comunicaciones. Los diferentes componentes se conectan a través de un subsistema denominado bus que transfiere datos entre componentes. En la figura 1.1 se muestran los componentes principales de una computadora.
1.2
Componentes de una computadora
UCP (Procesador)
Dispositivos de entrada·· ·
t . ·1
Unidad de control Memoria
¡;~~1~jr :;~;1:,, Figura 1.1 Componentes principales de una computadora.
Unidad central de proceso y memoria principal La unidad central de proceso, UCP (CPU, Central Processing Unit) es el "cerebro" de la computadora y la parte más importante y cara del hardware de la computadora. La CPU ejecuta las operaciones aritméticas (como suma, resta, multiplicación y división) y lógicas en la unidad aritmética y lógica (ALU, Arithmetic and Logic Unit) y enlaza con la memoria principal y los dispositivos de entrada y salida, así como los dispositivos de almacenamiento externo o secundario. Normalmente, una computadora personal (PC), una tableta (tablet) o un teléfono inteligente, tienen una sola CPU o procesador. Sin embargo, cada día comienza a ser más frecuente que al igual que sucede con las supercomputadoras (que tienen numerosos procesadores), las computadoras de escritorio, portátiles y teléfonos inteligentes o tabletas, incluyen múltiples procesadores o núcleos, lo que permite la realizacién de muchas operaciones simultáneamente. En la figura 1.2 se muestra la organización de la unidad central de proceso. Un procesador multinúdeo (multi-core) incluye múltiples procesadores en un único chip de circuito intt;grado. En la actualidad, tanto en las PC de escritorio, como laptops o teléfonos inteligentes, ya,~icomienza a ser usual la comercialización de computadoras con doble núcleo (duafcore) y de cuatro núcleos (quad-core); éste es el caso del Asus, que desde septiembre de 2011 lo ofrece una cadena de grandes almacenes española por un precio de aproximadamente 770 dólares, o el teléfono móvil inteligente LG, que incorpora un procesador de dos núcleos.
Dispositivos de entrada y salida Para realizar tareas útiles en las computadoras se requiere "romar" o "capturar" datos y programas, y visualizar los resultados de la manipulación de datos. Los dispositivos (periféricos) que envían
Datos de entrada
t
1
Datos
'f de salida
Figura 1.2 Organización de la unidad central de proceso.
':;ce ·,
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CAPÍTULO 1
CONCEPTOS BÁSICOS DE COMPUTACIÓN Y PROGRAMACIÓN
(alimentan) datos y programas a las computadoras se denominan dispositivos o periféricos de entrada. Se obtiene información (datos y programas) desde los dispositivos de entrada y ponen esta información a disposición de otras unidades de procesamiento. Los periféricos de entrada más usuales son el teclado y el mouse (ratón) y unidades de almacenamiento secundario o escáner para digitalizar información. La información se puede introducir también mediante micrófonos, cámaras de video que permiten "subir" fotografías y videos, o recibir información de redes de comunicaciones, especialmente la red de intemet, o dispositivos de escaneado de texto o imágenes. Los dispositivos (periféricos) que utiliza la computadora para visualizar y almacenar resultados se denominan dispositivos o periféricos de salida. La mayoría de la información que sale de la computadora se visualiza en pantallas (monitores), se imprimen en papel utilizando impresoras o se almacena en dispositivos de almacenamiento secundario. De igual forma, las computadoras pueden enviar su información a redes tales como internet. , En la actualidad son muy populares los periféricos multimedia que se utilizan en tareas multimedia y pueden ser de entrada o de salida: altavoces (suelen estar incorporados en los portátiles, pero también pueden conectarse externamente a través de puertos USB); micrófono (permiten capturar sonidos); webcam (cimara digital web incorporada o conectada externamente también mediante puertos USB); auriculares (permite escuchar sonidos) e incluso auriculares con micrófono incorporado.
Dispositivos de almacenamiento secundario Los programas y los datos se deben almacenar en la memoria principal antes de su procesamiento y como esta memoria es volátil y toda la información almacenada en ella, antes de su procesamiento, se pierde cuando se apaga la computadora. La información almacenada en ella se debe transferir a otros dispositivos de almacenamiento donde se pueda guardar de modo permanente y por largos periodos (con la excepción de que se inutilice o se rompa por alguna causa física o se cambie intencionadamente la información que almacena). Los datos y los programas se almacenan de modo permanente en dispositivos de almacenamiento .y se moverán a la memoria cuando la computadora los necesite. Un dispositivo que almacena la información de modo permanente y por largos periodos se denomina almacenamiento secundario o externo. Para poder realizar la transferencia de información desde la memoria principal al almacenamiento secundario o viceversa, esros dispositivos deben ser conectados directamente a la computadora o ellos mismos entre sí.Existen diferentes tipos de dispositivo5 o periféricos de almacenamiento: • Unidades de disco (discos duros y disquetes). • Unidades de discos compactos (CD, DVD, Blu-ray). • Unidades de cinta. • Unidades de memoria flash o USB (pendrives o lápices) y tarjetas de memoria (SD). • Unidades de memoria SD (tarjetas de cámaras fotográlicas, videocámaras). • Unidades de disco duro SSD (memorias de estado sólido). • Unidades de memoria ZIP. Todos los sopones de almacenamiento funcionan sobre unidades lectoras de CD, DVD o disquetes y discos duros.
Dispositivos de comunicación Las computadoras se conectan entre sí por medi¿ de redes informáricas y dispositivos de comunicación. La conexión física a una red se puede realizar mediante "conexión cableada" o conexión de
1.3
Software: conceptos basicos y clasificación
Í
una red sin cables, es decir "conexión inalámbri~a". De este modo aparecen las redes cableadas y las redes inalámbricas (wireless). Aunque en las empresas existen rodavía redes corporativas LAN e Intranet, hoy día lo más usual es que ranro las corporativas como las domésticas se conecten entre sí a través de la red internet. Los dispositivos de comunicación más utilizados son: módem y tarjeta de interfaz de red (NIC, network interface card). En el caso de las redes inalámbricas se requiere un router inalámbrico que permite configurar las redes como si fuesen cableadas. La conexión a internet de su PC requerirá la contratación de un proveedor de servicios de internet (ISP, Internet Service Provider) que facilitará la conexión desde el hogar o desde la empresa a interner. Las conexiones a internet se realizarán a través de tecnología ADSL (que utiliza la línea telefónica tradicional), cable de fibra óptica, por satélite o mediante tecnologías inalámbricas Wi-Fi o WiMax.
1.3 Software: conceptos básicos y clasificación Los programas, conocidos como software, son instrucciones a la computadora. Sin programas, una computadora es una máquina vacía. Las computadoras no entienden los lenguajes humanos, de modo que se necesita utilizar lenguajes de computadoras para comunicarse con ellas .. El software de una computadora es un conjunto de instrucciones de programa detalladas que controlan y coordinan los componentes hardware de una computadora y controlan las operaciones de un sistema informático. El auge de las computadoras el siglo pasado y en el actual siglo XXI, se d.ebe esertCialmeme al desarrollo de sucesivas generaciones de software potentes y cada vez más amistosas ("fáciles de uúlizar"). ···Las operaciones que debe realizar el hardware son especificadas por una lisra de instrucciones, llamadas programas, o software. Un programa de software es un conjunto de sentencias o instrucciones que se da a:h computadora. El proceso de escritura o codificación de un programa se denomina prógramadt)n y las personas que se especializap en esta actividad se denominan programadores. Existen dos~fipos importantes de software: software de sistema y software de aplicaciones. Cada tipo realiza uh~ 1fünción diferente. Los dos tipos de software están relacionados entre sí, de modo que los usuarios y los programadores pueden hacer así un uso eficiente de la computadora. El software de sist a es conjunto generalizado de programas que gestiona los recursos de la computadora, tal orno el pro rsador central, enlaces de, comunicaciones y dispositivos periféricos. Los programadores que escrill>en software del sistema se llaman programadores de sistemas. El software de aplicaciones es el conjÍmro de programas escritos por empresas o usuarios jndividuales o en equipo y que instruyen a la obmputadora para que ejecute una tarea específica, Los programadores que escriben software de áplicaciones se llaman programadores de aplicaciones. Los dos tipos de software están relacionados entre sí, de modo que los usuarios y los programadores pueden hacer así un uso eficiente de la computadora. En la figura 1.3 se muestra una vista organizacional de una computadora donde se ven los diferentes tipos de software a modo de capas de la computadora desde su interior (el hardware) hasta su exterior (usuario). Las diferentes capas funcionan gracias a las insuucciones específicas (instrucciones máquina) que forman parte del software de sistema y llegan al software de aplicaciones, desarrollado por los programadores de aplicaciones, que es utilizado por el usuario que no requiere ser un especialista.
1.3 .1 Software de sistema El software de .sisremá coordina las diferentes partes de un sistema de computadora y conecta e interactúa entre el software de aplicación y el hardware de la computadora. Otro tipo de software sistema que gestiona, controla las actividades de la computadora y realiza tareas de proceso comunes, se denomina utility o utilidades (en algunas partes de Latinoamérica se conoce corno.
de
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CAPITULO 1
CONCEJ>TOS BÁSICOS DE COMPUTACIÓN Y PROGRAMACIÓN
Usuario
Figura 1.3 Relación entre programas de aplicación y prog ramas de sistema.
utilerías) . El software de sistema que gestiona y controla las actividades de la computadora se denomina sistema operativo. Otro software de sistema son los programas uaductores o de traducción de lenguajes de computadora que convierten los lenguajes de programación, entendibles por los programadores, en lenguaje máquina que entienden las computadoras. El software de sistema es el conjunto de programas indispensables para que la máquina funcione; se denomina también programas de sistema. Estos programas son, básicamente, el sistema operativo, los editores de texto, los compiladores/intérpretes (lenguajes de programación) y los programas de utilidad. A lo largo de este capÍtulo y del siguiente, se describirán los conceptos fundamentales de los programas de sistemas más utilizados y sobre todo aquellos que afectarán al lector en el aprendizaje de la programación, tales como sistemas operativos, editores de texto y traductores de lenguajes (compiladores e intérpretes), así como los entornos integrados de desarrollo, herramienta más frecuentemenre empleada por los programadores para el desarrollo y ejecución de los programas en los diferentes lenguajes de programación.
1.3.2 51'ffiilla;de aplicaciones El sojtwa)e de aplicació tiene como función principal asistir y ayudar a un usuario de una computadora para ejecutar tar as específicas. Los programas de aplicación se pueden desarrollar con diferentes lenguajes y herfamientas de software. Por ejemplo, una aplicación de procesamiento de textos (word processiniJ como Word o Word Perfect que ayuda a crear documem:os, una h oja de cálculo como Lotus 1-2-3 o Excel que ayudan a automatizar tareas tediosas o repetitivas de cálculos matemáticos o estadísticos, a generar diagramas o gráficos, presentaciones visuales como PowerPoint, o a crear bases de datos como Access u Oracle que ayudan a crear archivos y registros de datos. Los usuarios, normalmem:e, compran el software de aplicaciones en discos CD o D VD (antiguamente en disquetes) o los descargan (bajan) de la red (internet) e instalan el software copiando los programas correspondientes de los discos en el disco duro de la computadora. Cuando compre estos programas asegúrese de que son compatibles con su computadora y con su sistema operativo. Existe una gran diversidad de programas de aplicación para todo ripo de actividades tanto de
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11
Sistema operaiivo
modo personal, como de negocios, navegación y manipulación en imernet, gráficos y presentaciones visuales, etcétera. Los lenguajes de programación sirven para escribir programas que permitan la comunicación usuario/máquina. Unos programas especiales llamados traductores (compiladores o intérpretes) convierten las instrucciones escritas en lenguajes de programación en instrucciones escritas en lenguajes máquina (O y 1, bits) que ésta pueda entender. Los programas de utilidad facilitan el uso de la computadora. Un buen ejemplo es un editor de textos que permite la escritura y edición de documentos. Este libro ha sido escrito en un editor de textos o procesador de palabras (word procesor). Los programas que realizan tareas concretas, nóminas, contabilidad, análisis estadístico, etcétera, es decir, los programas que podrá escribir en C, se denominan programas de aplicación. A lo largo del libro se verán pequeños programas de aplicación que muestran los principios de una buena programación de computadora. Se debe diferenciar entre el acto de crear un programa y la acción de la computadora cuando ejecuta las instrucciones del programa. La creación de un programa se hace inicialmente en pa- - · pel y a continuación se introduce en la computadora y se convierte en lenguaje entendible por la computadora. La ejecución de un programa requiere una aplicación de una entrada (daros) al programa y la obtención de una salida (resultados). La entrada puede tener una variedad de formas, tales como números o caracteres alfabéticos. La salida puede también tener formas, tales como datos numéricos o caracteres, señales para controlar equipos o robots, etcétera. .
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1.4· Sis.tema operativo Un sistema"i:Íperativo o SO (OS, Operaiing System) es tal vez la parte más importante del software de sistema y.es el software que controla y gestiona los recursos de la compu~adora. En la práctica el sistema operativo es la colección de programas de computadora que controla la interacción del usuario y eii'hardware de la computadora. El sistema operativo es el administrador principal de la computador:a, y por ello a veces se le compara con el direcror de una orquesta ya que este software . es el Tesporl'~ible de dirigir todas las operaciones de la computadora y gestionar todos sus recursos. El núcleo (kerne~ de un sistema operativo es el software que contiene los componentes fundamentales (core) de dicho sistema operativo. El sistema operativo asigna recursos, planifica el uso de recursos y tareas de la computadora, y monitorea las actividades del sistema informático. Estos recursos incluyen memoria, dispositivos de E/S (entrada/salida), y la UCP (unidad cenrral de proceso). El sistema operativo proporciona servicios tales como asignar memoria a un programa y manipulación del control de los dispositivos de E/S tales como el monitor, el teclado o las unidades de disco. La tabla 1.1 muestra algunos de los sistemas operativos más populares utilizados en enseñanza y en informática profesional. Cuando un usuario interactúa con una computadora, la interacción está controlada por el sistema operativo. Un usuario se comunica con un sistema operativo a través de una interfaz de usuario de ese sistema operativo. 1tos siste as operativos modernos utilizan una interfaz gráfica de usuario, IGU ( Graphical User {nterfoce, G ) que hace uso masivo de íconos, botones, barras y cuadros de diálogo para realizar tareas que wnrrola el teclado o el ratón (mouse), entre otros dispositivos. ) _ El sistema operativo, que sirve, esencial~énte, para facilitar la escritura y uso de sus propi_os programas, dirige las operaciones globales de la computadora, instruye a la computadora para ejecutar otros programas y controla el almacenamiento y recuperación de archivos (programas y datos) de cintas y discos. Gracias al sistema operativo es posible que el programador pueda introducir y grabar nuevos programas, así como instruir a la computadora para que los ejecute. Los sistemas operativos proporcionan servicios que permiten que cada aplicación se ejecute de modo seguro, eficieme y en concurrencia o en paralelo con otras aplicaciones.
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CAPiTULO 1
CONCEPTOS BÁSICOS DE COMPUTACIÓN Y PROGRAMACIÓN
Los sistemas operativos más populares hoy en día son Linux, el sistema operativo de código abieno, UNIX, Windows en sus versiones 7, XP, y Vista (futuro Windows 8); Linux y Mac OS para computadoras Apple. En los últimos años han proliferado los sistemas operativos para teléfonos celulares o móviles conocidos como teléfonos inteligentes (smartphones) que tienen la característica de ejecutarse y conectarse a internet, de modo inmediato tan pronto se precisen ("se encienden"), y se les denomina sistemas operativos web. Existen diferentes sistemas operativos asociados a los fabricantes de teléfonos inteligentes. Entre ellos destacan Symbian de Nokia, Blackberry de RlM, Web Os de Palm - adquirido por Hewlett-Packard y que en agosto de 2011 anunció que abandona su fabricación-, Mobile Mac OS para iPhone de Apple (iOS), y de modo destacado, Android de Google que se ejecuta sobre los numerosos teléfonos de diferentes fabricantes HTC, Samsung, Mororola, LG, etcétera y que a lo largo del año 20 11 com enzó a instalarse también en computadoras portátiles tipo netbooks de 1O" a 12", tales como HP, Acer, etcétera. Las versiones actuales de Android son 2.2 y 2.3 para implementar en teléfonos inteligentes y 2.0 y 3.1 para implementar en tabletas digitales, tales como Sarnsung Galaxy Tab y 4.0 para teléfonos y" tabletas. TABLA 1 .1 Sist emas operativos más utilizados en educación, consumo
y e n la empresa
lm:~1Jftll Windows 7 y Windows 8
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Últimas versiones del sistema operativo Windows de Microsoft, que viene a sustituir a Windows Vista de poco éxito. Ha tenido una gran repercusión e impacto tanto en computadoras grandes, como en personales, portátiles (laptops, notebooks, netbooks, etcétera).
Es el sistema operativo más utilizado e n la actualidad, tanto en el campo de la enseñanza, como en la industria y negocios. Su fabricante es Microsoft.
Sistema operativo de las computadoras Apple Macintosh. Su versión más po pular es Mac OS X. y OS/2 ·.
CP/M ·• íPhÓne os (IOS) · . _:._:.,
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Sist~r,;;~;· apei:at!~~·~·~¡.~~d()sj por Mi.cro~oft e l~}\!1 re~p-~ctiva_m~nte, ya poc; i.lt()iz~d~s pero q'u~'haft ·sfi:fo?1a¿h'Ja~e:dé los actuales sistemas opetativos . . ·. .
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Sistema operativo de 8 bits para las primeras microcomputadoras nacidas · en la década de 1970. · Sistema bper~ti~o·:.i:Miit~~Ó:po\·i~s t_eléf~no~ ·¡PhoAe ,de Apple~ E°~ ·1a:adu~i(dad, ·· ~ · -la últlma.-versión-es'lá= A:0;qtie:sirvepara-téléfonos 3G:· 3GS·Y,previsibleineríte, 4G) · ·.1. ;:.. . . . . ·-· -
Android
Sistema operativo abierto creado por Google y de gran aceptación en teléfonos inteligentes (smartphones) y tabletas (tablets).
Symbian
Sistema operativo para teléfonos· móviles apoyado fundame ntalmente por el fabricante de teléfonos celulares Nokia. Sistema operativo para agendas digitales, PDA; del fa bricante Palm, hoy propiedad de Hewlett-Packard. Sistema operativo para teléfonos móviles de los populares teléfonos inteligentes Blackberry, muy utilizados en el mundo de empresa y de negocios. Versión de Windows 7 y Windows 8 para teléfonos inteligentes y que Microsoft comercializó a finales de 201 O.
PaimOS Bla\:kberry OS Windows Phone 7 y Wíndows Phone 8
A finales de 201 O se presentó el sistema operativo Chrome de Google que se ejecutará sobre computadoras portátiles esencialmente y que si tiene éxito producirá una revolución en el modo de usar la computadora y navegar por imernet. También se esperan otros sistemas operativos para la tendencia tecnológica conocid~ como cloud computing (computación en la nube), tales como el citado Chrome y Azure de Microsoft. Palm lanzó en 2009 el sistema operativo OS Web que funciona en la nube (Cfoud; y con cierro éxito; en el primer semestre de 2010 fue comprada por Hewlett-Packard y se espera que sea comercializado por sus nuevos dueños. En el verano de 2011 comenzó a comercializarse la computadora portátil Chromebook que está soportada por el sistema operativo Chrome y cuyas aplicaciones y datos se almacenan en la nube. Los sistemas operativos pueden ser monousuarios (un solo usuario) y multiusuarios, o tiempo compartido (diferentes usuarios), atendiendo al número de usuarios y monocarga (una sola tarea) o multitarea (múltiples tareas) según las tareas (procesos) que puede realizar simultáneamente. Desde el punto de vista de usuario los sistemas operativos se dividen en dos grandes categorías: de escritorio y para servidores (computadoras que gestionan y controlan redes de computadoras), entre los que se destaca Windows, Apple Mac OS y Linux; y sistemas operativos para teléfonos inteligentes y tableras, entre los que se destaca Android, Apple iOS, Blackberry, Windows Phone 7, MeeGo y Sym.b ian de Nokia, Web OS de Hewlett-Packard y Bada de Samsung.
1. 5 El lenguaje de la computadora Los humanos nos entendemos con los lenguajes naturales como el español, el inglés o el portugués: pero -!¿;J; las computadoras cómo se entienden? ·Cuando pulsamos la letra B en el teclado se visualiza l;J~i:ra B en la pantalla del monitor. ¿Cuál es la información que se ha almacenado en la memoria c!Árral de la computadora? En resumen, ¿cuál es el lenguaje que entienden las computadoras y cóÍno se almacena cualquier otra información que se introduce en. el teclado o se lee de una rnemofl'a USB? Recor~j:nos que una computadora es un dispositivo electrónico que procesa información de modo autcfIBatico. Las señales eléctricas se mueven entre los diferentes componentes de una computadora. Exífün dos tipos de señales eléctricas: analógica y digital. Las señales analógicas se utilizan para representar cosas tales como sonido; las cimas de audio, por ejemplo, almacenan los datos en señales analógicas. Las computadoras funcionan con señales digitales. Las señales digitales representan la información como una secuencia de ceros y unos. Un Orepresenta una señal de bajo voltaje, y un 1 representa una señal de alto voltaje. Un tema viral en el proceso de fimcionamiento de una computadora es estudiar la forma de representación de la información en dicha computadora. Es necesario considerar cómo se puede codificar la información en patrones de bits que sean fácilmente almacenables y procesables por los elementos internos de la computadora. Las computadoras utilizan señales digitales. Las señales digitales se procesan en el interior de las computadoras y por esta razón, el lenguaje de una computadora, llamado lenguaje máquina, es una secuencia de dígitos Oy l. El dígito O o 1 se llama dígito binario o bit. Normalmente una secuencia de ceros (O) y unos (1) se conoce como código binario o número binario.
El sistema de numeración que se utiliza en la vida diaria se denomina sistema o código decimal o de base 10. En una computadora los caracteres se representan como secuencias de dígitos Oy 1, es decir, números binarios; el sistema de numeración que utiliza una computadora se llama sistema o código binario o de base 2. En el apéndice C se describe cómo convertir un núme-
ro decimal de base 10 a base 2 y viceversa. También se describe el código hexadecimal (16 dígitos) ,y código octal (8 dígitos), sistemas utilizados en la programación de computadoras sobre todo para definir direcciones de memoria; en el apéndice se explica también el método para convertir números de bases 2, 8, 1O y 16 a cualquiera de las otras bases de numeración. I· ····· ········ ····························· ····· ·· ········· ········ ··········· ···· ··· ······ ·· ·· ·· ··· ·················· ··· ···· ······ ·········· ···· ······ ··· ········· ···
1.5. 1 Unidades de medida de memoria La unidad básica de almacenamiento es el byte. Cada byte contiene una dirección única. La dirección se utiliza para localizar el byte de almacenamiento y recuperación de datos. A los bytes se puede acceder en cualquier orden, de modo aleatorio, y por esta razón la memoria principal se denomina RAM (random-access memory). Los múltiplos de la unidad de memoria básica son 1 kiLobyte (K o Kb) equivalente a 1 024 bytes, aunque desde el punto de vista práctico lKb se suele considerar equivalente a 1 000 bytes; 1 megabyte (M o Mb) equivale a 1 024 X 1 024 bytes o de modo práctico, 1 millón de bytes; 1 gigabyte (G o Gb) equivale a 1 024 X 1 024 X 1 024 bytes, equivalente a 1 000 millones de bytes; 1 petabyte, (Po Pb) equivale a 10 244 bytes, equivalente a 1 millón de millones de bytes. La tabla 1.2 muestra las unidades básicas de medida de almacenamiento en memoria. La mayoría de los equipos actuales tienen al menos 512 Mb de memoria RAM (en el caso de las netbooks), aunque ya es muy frecuente encontrar computadoras con 2, 4 y 8 Gb e incluso con memoria superior. La computadora requiere la mayor capacidad de m emoria para permitir que el equipo ejecute el mayor n úmero de programas del modo más rápido posible. En caso de necesidad de ampliación de memoria se puede incorporar memoria adicional instalando chips o tarjetas de memoria en las ranuras libres que suelen incluir las placas base del sistema. Si la computadora no tiene suficiente memoria, algunos programas se ejecutarán muy lentamente y otros programas no se ejecutarán de ningún modo.
1.5.2 Representación de la información
en las computadoras (.c ódigos de caracteres) Cuando se pulsa un carácter: una letra, un número o un símbolo especial (como&, %) en su redado, se almacena en la memoria principal de una computadora una secuencia de birs que es diferente
1.5
El lenguaje de la computadora
TABLA 1.3 Códigos de representación de la información
,.. ::·:..'..... ...... ....................: .. ....... :-. ...... ...... ..... ..... :·.. . . en cada caso. El código o esquema más milizado es el código ASCII (American Standard Code for Information Interchange). Este código (apéndice B) consta de 128 caracteres (27 = 128, Oa 127), de modo que la posición del primer carácter es O, la posición del segundo carácter es 1 y así sucesivamente. Así, por ejemplo, el carácter A, es el 66° carácter y de posición 65; el carácter B es el 67° carácter y de posición-66, etcétera. En el interior de las computadoras, cada carácter se representa por una secuencia de ocho bits, es decir un byte. La representación binaria del carácter A es 1000001 y del carácter 4 es 00110100. _. Otro conjunto de caracteres, ya hoy muy popular, es el código Unicode que consta de 65 536 ca~acteres, en lugar de los 128 caracteres del código ASCII básico. Java utiliza el código Unicode ei:i el que cada carácter se representa por 2 bytes, 16 bits, en lugar de 1 byte en el código ASCII. La gran ventaja de Unicode es que permite representar caracteres de numerosos idiomas internacionales como el chino, indio, ruso, etcétera. ..:
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.1,¡.-?.3 Categorías de lenguajes de programación ·t~·:inayoría de los lenguajes básicos de computadora, corno el lenguaje máquina, proporcionan las instrucciones a la computadora en bits. Aunque la mayoría de las computadoras utilizan los mismos tipos de operaciones, los diseñadores de los diferentes procesadores (CPU) normalmente eligen conjuntos distintos de códigos binarios para realizar dichas operaciones. Por consiguiente, el lenguaje máquina de una computadora no es necesariame-n te el mismo que el lenguaje máquina de otra computadora. La única coincidencia entre computadoras es que en cualquier computadora, todos los datos se almacenan y manipulan en código binario. Las primeras computadoras eran programadas en lenguaje máquina (código binario) . La programación escrita que utiliza lenguaje máquina es un proceso tedioso y difícil de realizar. Por ejemplo, para sumar dos números se puede requerir una instrucción tal como ésta: 1101101010101001
Para realizar cüalquier operación, como la anterior, el programador tiene que recordar los códigos en lenguaje máquina de las diferentes operaciones. También, para manipular daros, el programador tiene que recordar las posiciones de los datos en memoria. Esta necesidad de recordar los códigos específicos en binario hacen muy difícil la programación y muy propensa a errores. Por estas razones comenzaron a crearse lenguajes ensambladores, para hacer la tarea del programador más fácil. En lenguaje ensamblador, una instrucción tiene un formato más fácil de recordar, llamado nemotécnico o nemónico. Las instrucciones en lenguaje ensamblador son abreviaturas o segmentos de palabras clásicas en inglés. Por ejemplo, algunas instrucciones se recogen en la tabla 1.4.
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CAPÍTULO 1
CONCEPTOS BÁSICOS DE COMPUTACIÓN Y PROGRAMACIÓN
TABLA 1.4 Ejemplos de instrucciones en lenguaje ensamblador
Aunque es mucho más fácil escribir instrucciones en lenguaje ensamblador, una computadora no puede ejecutar insuucciones dírectamente en este lenguaje. Las insuucciones deben traducirse primero a lenguaje máquina. Un programa denominado ensamblador traduce el lenguaje ensamblador (assembly language) a instrucciones en lenguaje máquina. El lenguaje ensamblador hizo la programación más fácil, sin embargo, el programador, para conseguir potencia y eficiencia en los programas, tenía que seguir pensando en términos de instrucciones de máquina con la dificultad que eso lleva consigo. El siguiente paso para hacer la programación más fácil fue el diseño y construcción de lenguajes de alto nivel que estaban más próximos a los lenguajes hablados tales como el inglés, francés o español. Así aparecieron lenguajes como COBOL, Basic, FORTRAN, Pascal, C, C++, Java o C#, denominados lenguajes de alto nivel y cuyas instrucciones eran: print, read, open, write, for, while ... Al igual que sucede con los lenguajes ensambladores las computadoras no pueden ejecutar directamente instrucciones escritas en un lenguaje de alto nivel. Se necesita un programa traductor denominado compilador que traduzca las instrucciones en lenguaje de alto nivel a instrucciones en lenguaje máquina, bien directamente como en el caso de C++ o C, o bien un lenguaje intermedio llamado bytecode que luego se interpreta en un lenguaje máquina en el caso de · Java. En el capítulo 2 profundizaremos en estos conceptos.
1.5.4 Algoritmos y programas La p~ogramación es un proceso de resolución de problemas. Para resolver estos problemas se requieren técnicas diferentes que comprenden desde el análisis del problema, especificación de requisitos o requerimientos y las etapas de diseño denominadas algoritmos. Un algoritmo es el concepto fundamental de la ciencia de las computadoras (informática) . Desde un punto de vista práctico, nn algoritmo es un conjunto de pasos que definen cómo se realiza una tarea. Por ejemplo, h ay un algoritmo para construir un modelo de avión, de un tren, una lavadora o un aparato de televisión. Antes de que una máquina pueda ejecutar una tarea, se debe diseñar, un algoritmo que posteriormente se pueda convertir en un programa que entienda la computadora para lo cual se necesitará traducir el programa en lenguaje máquina mediante un traductor (compilador o intérprete). El estudio de algoritmos es uno de los temas centrales en estudios de ciencias e ingeniería y en particular en ingeniería de sistemas computacionales y en ingeniería informática. El conocimiento de las técnicas de diseño de algoritmos es fundamental para el programador y uno de los temas centrales de nuestra obra. Para desarrollar un programa que pueda resolver un problema, se debe comenzar analizando y examinando el problema con detenimiento con objeto de obtener diferentes opciones para encontrar la solución; a continuación se selecciona uria opción y se debe diseñar d algoritmo correspondiente escribiendo las instrucciones del programa en un lenguaje de alto nivel, etapa conocida como codificación del programa y a continuación introducir y ejecutar el programa en la computadora.
1.6
Int ernet y la Web
Las computadoras no entienden los algoritmos, por lo que es necesario indicarles exactamente las "acciones que deben hacer" en un lenguaje com.p rensible para la máquina. La descripción de las acciones o tareas que debe hacer la computadora se denomina "programa" y programación a la actividad de escribir y verificar tales programas. Por esta razón se necesitará convertir el algoritmo en un programa mediante un lenguaje de programación cuyas instrucciones sí entiende ya la computadora. El proceso de resolución de problemas (proceso de programación) con una computadora consta de las siguientes etapas: • Análisis del problema, con estudio de los requisitos y del dominio del problema. • Diseño del algoritmo que resuelva el problema. • Verificar el funcionamiento correcto del algoritmo. 0
Implementar el algoritmo en un lenguaje de programación como Java.
• Ejecmar el programa. • Depurar el programa para obtener y corregir errores. • Mantener el programa. • Actualizar el programa. ;·: c.;·"En.losccapítulos 2 y 3 profundizaremos en el proceso de programación que nos permita adquirir .J.as c&mpetencias necesarias para iniciar el aprendizaje de las técnicas de programación y :ob.tenedosf~onocirnientos necesarios para comenzar a diseñar y construir programas. ~ ~. . ;Como~~ya se ha comentado, los programas que construyen los programadores se dividen en dos .grande~. grupos: programas de sistemas, los más especializados, y programas de aplicacioñes, q~~ so~ los más utilizados en negocios, ingeniería y educación. Los programas de aplicación realizan una tarea específica. Ejemplos de este tipo de programas ·s on los procesadores de texto, hojas de cálculo, juegos, simulaciones. Tanto los programas de sistemas, en torno a sistemas operativos, como los programas de aplicaciones se escriben en lenguajes de programación.
1 .6
1nternet
y la Web
El origen de la actual red de internet se remonta a la creación de la red ARPANET en noviembre de 1969 que conectaba a diferentes computadoras de la época, con objetivos estrictamente militares y con la finalidad de transmisión de datos entre computadoras conectadas. Víctor Cerf y Bob Khan publicaron en 197 4 el protocolo TCP/IP (Protocolo de Con trol de Transmisión/protocolo de internet) y fue el detonante para la expansión en la década de 1980 de la ya conocida como red internet. Comienza a expandirse el correo electrónico, la mensajería instantánea, los sistemas de nombres de dominio (DNS). México es el primer país hispano que tuvo conexión a internet en 1989 y un año más tarde lo hicieron España, Argentina y Chile. En 1989 el investigador Tim Berners-Lee del CERN suizo presentó un software basado en protocolos que permirían visualizar la información con el uso de hipertexto. Suele considerarse a -1989 como el año de creación de la Web (World Wide Web) aunque fue unos años más tarde cuando se comenzó a expandir y se considera a 1991 como el año del lanzamiento del lenguaje HTML (HyperText Markup Language), que se convertiría en los años posteriores en el estándar de i:liseño web. En 1994 se creó el W3C (World Wide Web Consortion), organismo mundial que gestiona la Web actual, aunque son la ISOC (Internet Sociery), la Sociedad Internet, en 1992, InterNic la sociedad gestora de los nombres de dominio en la red y actualmente ICANN.
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CAPÍTULO 1
CONCEPTOS BÁSICOS DE COMPUTAC IÓN Y PROGRAMAC IÓN
La navegación por im:ernet y a uavés de la web ie realiza mediante navegadores (browsers). Los navegadores más populares son: Explorer de Microsoft, Firefox de Mozilla, Chrome de Google, Safari de Apple y Opera. La información en la web se presenta en páginas que se entrelazan unas con otras en la telaraña universal que constituye la World Wide Web. Las páginas web residen en un sitio web que se identifica por su dirección, la URL (Uniform Resource Locator). La World Wide Web (WWW) o simplemente la Web fue creada en 1989 por Tim Berners-Lee en d CERN (European Laboratory for Parrides Physics) aunque su difusión masiva comenzó en 1993 como medio de comunicación universal. La web es un sistema de estándares aceptados universalmente para almacenamiento, recuperación, formateado y visualización de información, utiliiando una arquitectura cliente/servidor. Se puede utilizar la web para enviar, visualizar, recuperar y buscar información o crear una página web. La web combina texto, hipermedia, sonidos y gráficos, utilizando im:erfaces gráficas de usuario para una visualización fácil. Para acceder a la web se necesita un programa denominado navegador web (browser). Un navegador es una interfaz gráfica de usuario que p ermite "navegar" a uavés de la web. Se utiliza el navegador para visualizar textos, gráficos y sonidos de un documento web y activar los enlaces (links) o conexiones a otros documentos. C uando se hace clic (con el ratón) en un enlace a otro documento se produce la transferencia de ese documento situado en otra computadora a su propia computadora. La World Wide Web está constituida por millones de documentos enlazados entre sí, denominados páginas web. Una página web, normalmente, está construida por texto, imágenes, audio y video, al estilo de la página de un libro. Una colección de páginas relacionadas, almacenadas en la misma computadora, se denomina sitio web (Website). Un sitio web está organizado alrededor de una página inicial (home page) que sirve como página de entrada y punto de enlace a otras páginas del sitio. En el párrafo siguiem:e se d escribe cómo se construye una página web. Cada página web tiene una dirección única, conocida como URL. Por ejemplo, la URL de la página inicial de este libro es: www.mhe.es/joyanes. La web se basa en un lenguaje estándar de hipertexto denominado HTML que da formatos a documentos e incorpora enlaces dinámicos a otros documentos almacenados en la misma computadora o en computadoras remotas. El navegador web está programado de acuerdo con el estándar citado. Los documentos HTML, cuando ya se han situado en internec,' se conocen como páginas web y el conjunto de páginas web pertenecientes a una misma entidad (empresa, departamento, usuario individual) se conoce como sitio web (Website). En los últimos años ha aparecido un nuevo lenguaje de marcación para formaros, heredero de HTML, y que se está convirtiendo en estándar universal: el lenguaje XML. Otros servicios que proporciona la web y ya muy populares para su uso en el mundo de la programación son: el correo electrónico y la mensajería instantánea. El correo electrónico (e-mail) utiliza protocolos específicos para el intercambio de mensajes: SMTP (Simple Mail Transfer Pro-wcol), POP (Post Office Prorocol) e lMAP (Internet Message Action Prorocol). La m ensajería instantánea o char que permite el diálogo en línea simultánea entre dos o más personas, y cuya organización y estructura han sido trasladadas a los teléfonos celulares, en los que también se puede realizar este tipo de comunicaciones con mensajes conocidos como "conos" SMS 1 (short message) o MMS (multimedia message) .
1.6. 1 La revolución Web 2.0 La revista norrearnericana Time declaró "Personaje del año 2006" a "You" (usted, el usuario) para referirse a la democracia digital de la web, a la nueva web partidpativa y colaboradora, donde el 1
Aplicaciones para reléfonos móviles inreligemes como Whats App ~stán sustituyendo el uso de los tradicionales mensajes SMS.
1.6
usuario anónimo, las personas ordinarias que navegaban por la web, eran los actores principales de esta nueva sociedad que se estaba creando en torno a lo que comenzó a denominarse la web Social y que se apoyaba en el nuevo concepm de Web 2.0. La Web 2.0 se caracteriza por una arquitectura de participación y que impulsa la interacción de los usuarios junto a la colaboración y participación de la comunidad. El desarrollo del software se apoya en la arquitectura de participación y colaboración. El software de código abierto (open source) está disponible para todos aquellos usuarios y programadores que desean utilizarlo y modificarlo sin restricciones. El usuario no sólo contribuye con contenido y con el desarrollo de software de código abierto sino que controla el uso de los medios y decide en qué fuentes de información debe confiar. Desde la publicación en 2005 del artículo "What is Web 2. O?" de Tim O ' Reilly, considerado el padre inteleccual del concepto de Web 2.0, mucho ha evolucionado la web, aunque la mayoría de las características que definían a la Web 2.0 no sólo se han consolidado sino que se han popularizado en límites inimagi nables. Las características tecnológicas de Ja Web 2.0 son innumerables aunque desde el punto de vista de desarrollo de software para web se apoyan en Ajax, un conjunto de tecnología en torno a componentes, como XHTML, Hoja de Estilo en Cascada (CSS), Java Script, el Modelo de Objetos de Documento (DOM), XML y el objeta XMLHttpRequesr y kit de herramientasAjax como Doj. La Web 2.0 ha generado un nuevo conjunto de aplicaciones ricas de interner (RIA, Rich Internet Applications). Aplicaciones tales como Google Maps o Gmail han facilitado el desarrollo .Y comprensión de estas aplicaciones. Se está produciendo un cambio significativo en el modo . d~-~~nsuucción de las aplicaciones. En lugar de centrarse en el sistema operativo como plataforma ·para construir y utilizar aplicaciones, el foco se centra en el navegador web como plataforma para )a· construcción y utilización de las aplicaciones: el concepto nuevo de "la web corno plataforma". t:a ·web ha desarrollado una plataforma rica que puede ejecutar aplicaciones independientes del disp?sitivo o sistema operativo que se esté utilizando. RIA depende esencialmente deAJAX (acró_riiino de Asynchronus Java Script y Xl\lfL). El soporte de AJAX ha mejorado la experiencia web ·~:2on~i~_tiendo las aplicaciones sencillas de HTML en aplicaciones ricas, potentes e interacávas. ·~.::.:. ~J.'.~
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Internet y la Web
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1.6.2 Los social media (medios sodales) Uno de los fenómenos más sobresalientes de la web es la emergencia y advenirriiento de los medios Social Media que se refieren a las plataformas en línea y lás herramienras que utilizan las personas para compartir experiencias y opiniones incluidas fotos, videos, música, etcétera. Los Socia/Media comprenden blogs, microblogs, wikis, agregadores de contenidos RSS, redes sociales, etcétera. El contenido generado por el usuario es uno de los resultados de mayor impacto de la Social Media y clave del éxito de empresas Web 2.0 populares y reputadas como Amazon y eBay. El contenido puede ir desde artículos, presentaciones, videos, forografías, enlaces a otros sitios web, eccétera. La inteligencia colectiva es otra característica clave de la Web 2.0 que combina el comportamiento, preferencia o ideas de un grupo para generar conocimiento en beneficio de los demás miembros del grupo o la comunidad. Los sistemas de reputación, como los utilizados p or eBay, para generar confianza entre compradores y"vendedores, que comparten la información con la _ comunidad. Los sitios de marcadores sociales, Digg, Del.icio.us, Meneame, StumbleUpon, que recomiendan y votan los siá os de favoritos de artículos como libros, videos o fotografías. Los blogs, wikis, podcast, etcétera, favorecen la colaboración y participación de los usuarios. Enciclopedias como Wik.ipedia, Wikilengua o Europeana ayudan en la creación del conocimiento universal. Las redes sociales, desde la popular Facebook, pasando por MySpace, Bebo, Tuenti, Twitter, las innovadoras Instagram y Pinterest, hasta las redes profesionales como Linkedln, Xing o Ning, que favorecen las relaciones de tedo tipo y un n uevo medio de comunicación de masas.
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CAPÍTULO 1
CONCEPTOS BÁSICOS DE COMPUTACIÓN Y PROGRAMAC IÓN
1 .6. 3 El desarrollo de programas vveb ~
Una de las normas de desarrollo del software Web 2.0 es que sea sencillo y de tamaño reducido. La web, como ya se ha comentado, se ha convertido en una plataforma de aplicaciones, desarrollo, entrega y ejecución. El escritorio web permite ej ecutar aplicaciones en un navegador web, en un entorno similar al de un escritorio. El uso de la web como plataform~ forma parte de un movimiento dirigido a aplicaciones independientes del sistema operativo. Por último cabe citar otra característica notable que ha traído la Web 2.0: la beta perpetua y el desarrollo ágil. El ciclo de creación y publicación de versiones del software tradicional se está transformando. El desarrollo tradicional de software exigía pruebas exhaustivas y versiones beta para crear una versión definitiva. Hoy la preocupación fundamental de la creación de software es el desarrollo de aplicaciones con versiones más frecuentes, es decir, el periodo de beca perpetua utilizando la web como plataforma. Las actualizaciones se realizan en los servidores web en los que se almacena la aplicación y la distribución de software en CD se reduce a la mínima expresión.
1.6.4 Cloud computing (computación en la nube) Desde mediados de 2008 una nueva arquitectura o paradigma de computación ha nacido y se est á implantando de modo acelerado: cloud computing (computación en la nube). ¿Qué es la computación en la nube? Este concepto, que en realidad no es nuevo, es una filosofía de trabajo en la computación y en la informática que proviene de ofrecer el hardware, el software, los programas, como servicios, al igual que sucede con cualquier otro servicio común, como la electricidad, el gas, el teléfono, etcétera. La compuración en la nube es un nuevo modelo que ofrece a usuarios, programadores y desarrolladores, la posibilidad de ejecutar los programas directamente, sin necesidad de instalación, ni mantenimiento. Este es el caso de las aplicaciones actuales de la web, y, en particular,. la Web 2.0, en la que el usuario descarga el p.rograma y a continuación lo ejecuta. Ejemplos úpicos son Google Maps, Google Street View, las redes sociales, los blogs, etcétera o los casos usuales del correo electrónico web como Gmail, Yahoo!, etcétera, en el que el usuario sólo debe ejecutar los programas que se encuentran en la nube (cloud}, los infinitos sistemas de computadores y centros de daros existentes en el mundo, en los que existen numerosos servicios (programas, sistemas operativos, redes de comunicaciones, todos ellos "virtuales") procedentes de numerosos proveedores que ofrecen estos servicios ya sea gratuitos o bien con pago de una tasa diaria, semanal, mensual, etcétera. Cada día hay m ás proveedores de servicios en la nube, aunque los más conocidos son: Google, Amazon, Microsoft, IBM, Salesforce, etcétera. Esta nueva arquitectura y filosofía de computación requiere nuevos conceptos para el desarrollo de programas, centrados fundamentalmente en servicios web, aplicaciones web que residirán en la nube de computadoras, y que los usuarios descargarán y ejecutarán de manera inmediata.
1.6.5 Software como servicio (SaaS) El software como servicio (SaaS, Software as a Service) es un tipo de software que se descarga de un servid or web y no necesita instalación en el equipo del cliente sino sólo su ejecución. Este tipo de modelo de software se apoya en la nube. En los servidores del distribuidor de software correspondiente se almacenan los diferentes programas y aplicaciones; el usuario selecciona aquel que desea ejecutar y sólo necesita ejecutarlo. El usuario paga una cuota mensual, anual o por cualquier ouo periodo, o bien la descarga y ejecución del usuario es gratis. Existen numerosas aplicaciones de software como servicio, entre ellos destacan Windows Office 365, el programa clásico de ofimática de Windows, pero que se puede descargar de la n ube y no requiere instalación, y Saleforce. coro, un programa de gestión y administración con los clientes (CRM), que está configurando u n nuevo tipo de desarrollo de aplicaciones de software y unos nuevos modelos de negocios y de aplicaciones comerciales.
1.6
1nternet y la Web
Cada día es más frecuente el uso de software como servicio, sobre todo en pequeñas y medianas empresas, y en usuarios finales. En la computación o informática móvil, este tipo de software es todavía más utilizado, ya que existen miles de aplicaciones de sofrware que no requiere más que la descarga y ejecución por parre del usuario; éste el caso de numerosos videojuegos, programas de gestión, programas didácticos, etcétera.
1.6.6 Internet de las cosas La tecnología Internet de las cosas (Internet ofthings) se ha ido asentando y popularizando en los últimos años gracias a la implantación de tecnologías tales como RFID (identificación por radiofrecuencia), Bluetooth, NFC (proximidad), sensores y tecnologías móviles o inalámbricas como WiFi y WiMa:x:. Todas estas tecnologías han hecho que cada día más existan millones de cosas que transmiten información en tiempo real y bajo demanda, entre sí y a otras cosas. Internet ele las cosas o Internet d e los objetos, como también comienza ya a conocerse, es una tendencia emergente e imparable y que se refiere al hecho de que miles de cosas u objetos de todo tipo: libros, zapatos, electrodomésticos, vehículos, trenes, sensores, se puede conectar entre sí y, a su vez, conectarse a internet para intercambiar información de todo tipo entre ellos mismos. Es decir, los objetos se interconectan entre sí. Como a los objetos se les puede asociar una dirección de imernet (necesaria para su. conexión a la Red) IP, se podrán formar grandes redes de objetos. Como el nuevo protocolo IPv6 va a permitir miles y miles de millones de direcciones IP significa que miles de millones de objetos podrán tener asociada una dirección IP y por consiguiente cop .c::ct_arse .cqll internet y con otros objetos en tiempo. real. ·.. . ·En est;pcia, el internet de las cosas se está refiriendo a la integración de sensores, chips RFID, chips NFC~ en dispositivos y objetos cotidianos que quedarán conectados a internet a través de las i:edes fijas o inalámbricas. Serán fácilmente integrables en hogares, entornos de trabajo y lugares ." públicos. Cualquier objeto podrá conectarse con otro objeto y a su vez ambos a internet. ; ··:. Esta nµeva tendencia tecnológica exigirá la programación de aplicaciones de todo t ipo que d~~~rát:i ~ssribir programadores para atender a esta nueva demanda social y tecnológica. La pro, g[
1.6.7 la Web semántica y la Web 3.0 La Web Semántica fue un nuevo intento del creador de la World Wide Web, Tim Berners-Lee, para señalar la futura evolución de intemet en la Web Semántica. Se trataba de encontrar un nuevo método de estructurar el contenido de internet, por .otra parte totalmente desestructurado. El reto era encontrar la posición exacta de la información que se necesitaba para responder a una pregunta concreta. Se trataba de que el contenido de las estrucruras de la web pueda ser comprendido por las máquinas. Se trataba, por ejemplo, de entender que una dirección física es una dirección física y no un número de teléfono o cualquier otro dato. Es decir, añadir la capacidad de marcar o etiquetar información en internet utilizando semántica (significado) que facilita a las computadoras analizar el contenido con más precisión. La Web Semántica introducirá un nuevo _nivel de sofüticación a los motores de búsqueda, de modo tal que respondan exactarrumre· :ala: pregunta que se les plantea y no con una serie, a veces interminable, de ,enlaces donde ap.areCt,:n términos o palabras incluidas en la pregunta. El artículo desencadenante de la ola de popularidad de la Web Semántica se publicó en mayo de 2001 en la revista Scimtific Amerícan. 2 En este artículo se plantea que la Web Semántica es una 2
Tim Bemers-Lee, Jim Hendler Ora Lasilla. "The Semamic Web" en Scientific American, mayo, 2001.
. ,.;! -~~.::!_ .::;~ - : .
21
22
CAPÍTULO 1
CONCEPTOS BÁSICOS DE COMPUTACIÓN Y PROGRAMACIÓN
ex(ensión de la web actual dorada de significado, esw es, un espacio donde la información tendría un significado bien definido de manera que pudiera ser interpretado tamo por agentes humanos como por agentes computarizados (de computadora). El advenimiento de la \Xleb 2.0 como web social, participativa y colaborativa ha rraído un nuevo resurgimiento de la W eb Semántica y su llegada al gran público. En nuestra opinión consideran10s que en esta nueva década del siglo XXl está emergiendo el concepto de Web 3.0 como una nueva generación de la web, fruto de la convergencia de la Web Semántica y la Web 2.0. Un sitio web representativo de la nueva web es el buscador semántico Wolfram Alpha . .;--~~~~\.,~ -:~~~:;·~~~)::~~-·-~{:~:~;~~\~;;~-~.-:- :,: .. .- ..:: -~:){~::,\~~:-:~t:-~:' ·~{:t!~i~:.-
· Una computadora -e5 Uí)~· rnáqu iná'. ~ara
pro¿e~a/{nformác
. ~~;~ay·· obte~er·_:res~lta'dpt· -~n,. función .de._·unos_•.~afcis·· de
la memoria priricipal se pi~rden . La mémoria secundaria pro~ , ,· tr9.<;tuciaos po r un rnmpila_d()r,~,int~rprete;ant~p.:!.~!fiu.~. s~ · porcicina urr medio para -~lmacenar inform.ació.n
··· · · ··- · · ·· · · · ··
··· · ·· ·.
l. Revise rndos los con ceprns básicos reunidos en el resumen e idemifíquelos, asoc ifodolos a dispositivos hardware y
software que usred uriliza a diario en su vida ordinaria y en sus estudios.
,
Actividades de aprend izaje
2. Busque información de la evolución histórica de las tecnologías, así como de capacidades y i:iempos de accesos y unidades de almacenamiento de memorias RAM, pendrives, DVD, ercétera. 3. Investigue e identifique los diferentes componemes de su computadora personal y de la compmadora que utiliza en sus prácticas en los laboratorios. 4 . Identifique las diferentes unidades de medida de almacenamiento y compárelas con las características de las computadoras personales y de prácticas que utiliza a diario, así como con computadoras que conozca en diferentes lugares físicos. 5. Identifique los diferentes dispositivos de almacenamienro de daws en una computadora.
-. ~ """':
23
6. Investigue la clasificación del software. 7. Identifique sistemas operativos tanto de computadoras de escritorio, como de tableras (tablets) y teléfonos inteligentes (smartphones).
8. Investigue y averigüe cuáles considera que son los mejores sistemas operativos de escrirorio para el aprendizaje de programación.
9. Reconozca los conceptos básicos de algoritmo, programa, programación.
10. Identifique los conceptos fundamentales de la Web 2.0, Cloud Computing y software como servicio.
OBJE:TIVOS DIDACTICOS , .· ···· ··· ····· ··· ···· · ··· · ··· ····· ··· · ··· ·· ··· · ·· ···· · ···· ·· ······ · ·· ··· ···· ··· · ···· · ····· ·· • Tener una visión general de los conceptos básicos de metodologías y lenguajes de programas y programación. Al finalizar el capítulo el alumno deberá ser capaz de: Ap rende; el .:or.ce¡:;to de lenguaje de programación Conocer los conceptos de programa y programación • Aprender los conceptos fundamentales de · los lenguajes de p rogramación de alto nivel Descubrir y diferenciar qué es un compilador y qué es un intérprete Conocer y famil iarizarse con las metodologías de programación
Aprender las técnicas de traducción de programas en C/C + + y Java Saber el concepto y funcionamiento de un compilador y de un intérprete Aprender a editar, compilar y ejecutar un programa Conocer y aprender ei concepto de consola de línea de comandos • Saber y aprender el concepto de entorno d e desarrollo integrado Familiarizarse con las estructuras d e control bási cas de la programación estructurada Familiarizarse con las propiedades f undamentales de la programación orientada a objetos
2.2 Traductores de lenguaje: el proceso de traducción de un programa 2.2.1 Intérpretes 2.2.2 Compiladores 2.3 La compilación y sus fases 2.4 Evolución de los lenguajes d e programación 2.5 Paradigmas de programació n 2.5.1 Lenguajes imperativos (procedi mentales) 2.5.2 Lenguajes declarativos 2.5.3 Lenguajes orientados a objetos 2.6 Breve histo ria de los lenguajes de programación
2.7 Met odología d e la· programación 2.7.1 Programación estructurada 2. 7:2 Programación orientada a o bjetos . 2.8 Herramientas de programación 2.8.1 Editores de t exto 2.8.2 Programa ejecutable 2.8.3 Proceso de compilación/ejecución de un programa 2.9 Conso la de línea de comandos 2.1 o Ent orno de desarrollo integrado 2.11 Diferencias entre los lenguajes C + + . y JAVA 2.11.1 Java Virtual Machine (JVM)
comPe:re:nc1As e:sPE:Cil='ICAS A oe:sARROLLAR
1
l
Conocer, comprender y dominar los conceptos básicos de programación. Aprender las características principales de un lenguaje de programación y de los diferentes paradigmas de programación. Entender los principios de la programación estructurada y modular, así como
los fundamentos teóricos de la programación orientada a objetos. Editar, comp ilar y ejecutar programas. Conocer las diferencias clave entre la compi lación con editor y compilador independientes y la compilación con entorno de desarrollo integrado.
INTRODUCCIÓN
P
rogramación es un proceso de resolución de problemas. Las técnicas más comunes incluyen análisis del problema, definición de los requerimientos del problema y diseño, que, en la práctica es la realización de un algoritmo, que es un método para resolver dicho problema. Un algoritmo es un proceso paso a paso para la resolución de un problema en el cual se obtiene una solución en un tiempo determinado (finito). Los algoritmos se convierten posteriormente en código fuente escrito en un lenguaje de programación de alto nivel. Las computadoras procesan datos con el control de un conjunto de instrucciones denominadas programa de computadora. Los programas señalan a la computadora las tareas o acciones a realizar en función de un conjunto de instrucciones (acciones) especificadas por el constructor del programa llamado programador. En este capfrulo usted aprenderá las características de los lenguajes de programación así como la clasificación en lenguajes de programación de alto nivel y bajo nivel. Asimismo conocerá cómo se traduce un programa escrito en código fuente de un lenguaje de programación en lenguaje máquina enrendible por la computadora, mediante programas denominados compiladores e intérpretes. También comprenderá los conceptos básicos de programa y programación, así corno los paradigmas de programación y las metodologías fundamentales de programación que permitirán mejorar la productividad del programador. Por último usted aprenderá las herramientas de programación que permitirán la ejecución de programas ~ales como editores, compiladores, intérpretes y entornos de desarrollo integrado. En el pp_írnlo'.~s·e incluyen procesos completos de compilación de un programa en los lenguajes de progrdmacl6n C++ y Java, y al final del capítulo se mostrarán ejercicios completos de procesos de compilación de lenguajes de alto nivel escritos en C , C++ y Java. .:·········· ···· ·;·············· ······· ··· ···· ································-· ···· ··-·············· ·· ·········· ··· · ·· ··· ··· ············:. ~ Un programa de computadora o programa es una secuencia de sentencias diseñadas para eje- ~ ~ .cutar unaxarea. Programación es un proceso ~
de planeacjón y creación de un progrania. Desde
~
.u!: P~u.~~11:94~e vista práctico., un programa se escribe primero con un algorjrmo en pseudocódigo
~
¡ o en otra.herramienta de programación y luego.se traduce a un lenguaje de programación tal : como C, C++ o Java.
2.1 Lenguajes de programación (programas y programación) Para que un procesador realice un proceso se le debe suministrar en primer lugar un algoritmo adecuado. El procesador debe ser capaz de interpretar el algoritmo, lo que significa: • comprender las instrucciones de cada paso, • realizar las operaciones correspondientes. Cuando el procesador es una computadora, el algoritmo se debe expresar en un formato que se denomina programa, ya que el pseudocódigo o el diagrama de flujo no son comprensibles para la computadora, aunque pueda entenderlos cualquier programador. Un programa se escribe en un Íenguaje de programación y las operaciones que conducen a expresar un algoritmo en forma de programa se llaman programación. Así pues, los lenguajes utilizados para escribir programas de computadoras son los lenguajes de programación, y los programadores son los escritores y diseñadores de programas. El proceso de traducir un algoritmo en pseudocódigo a un lenguaje de programación se denomina codificación, y el algoritmo escrito en un lenguaje de programación se denomina código fuente.
26
CAPITULO 2
PROGRAMAS Y PROGRAMACIÓN
Resultado
Figura 2 .1 Proceso de transformación de un algoritmo en pseudocódigo en un programa ejecutable.
En la realidad la computadora no emiende directamente los lenguajes de programación sino qué se requiere un programa que traduzca el código fuente a ouo lenguaje que sí entiende la m áquina directamente, pero es muy complejo para las personas; este lenguaje se conoce como lenguaje máquina., y el código correspondiente, código m áquina. Los programas que traducen el código fuente escrito en un ienguaje de programación, tal como C++, a código máquina se den ominan traductores." El proceso de conversión de un algoritmo escrito en pseudocódigo a un programa ejecutable comprensible por la máquina se muestra en la figura 2.1. Hoy en día, la mayoría de los programadores emplea lenguajes de programación como C++, C, C#, Java, Visual Basic, XML, H TML, Perl, PHP, JavaScript, aunque .todavía se utilizan, sob re ·todo de m anera profesional, los clásicos COBO L y FORTRAN y, ya m uy escasamente, Pascal o el mfrico BASIC. Estos lenguajes se denominan lenguajes de alto nivel y permiten a los profesion ales resolver problemas convirtiendo sus algoritmos en programas escritos en alguno de estos lenguajes de programación. Los lenguajes de programación se utilizan para escribir programas. Los programas de las computadoras modernas constan de secuencias de instrucciones que se codifican como secuencias de dígitos numéricos que podrían entender dich as computadoras. El sistema de codificación se conoce como lenguaje máquina, que es el lenguaje nativo de una computadora. Desgraciadamente, la escritura de programas en lenguaje m áquina es una tarea tediosa y difícil, ya que sus insuucciones son secuencias de Oy 1 (patrones de bit, tales como 11110000, 01110011...), que para las personas son muy difíciles de recordar y manipular. En consecuencia, requieren lenguajes de programación "amigables con el program ador" que permitan escribir los programas para poder "charlar" con facilidad con las computadoras. Sin em bargo, éstas sólo entienden las insuucciones en lenguaje máquina, por lo que es preciso traducir los programas resultantes a lenguajes d e máquina para que puedan ser ejecutados por ellas. Cada lenguaje de programación tiene un conj unto o "j uego" de instrucciones (acciones u operaciones que debe realizar la máquina) que la computadora podrá entender directamente en su código máquina o bien se traducirán a dicho código máquina. Las instrucciones básicas y comunes en casi rodas los lenguajes de programación son:
• Instrucciones de entrada/salida. Instrucciones de transferencia de información enrre dispositivos periféricos y la memoria central, tales como "leer de ... " o bien "escribir en ... ". • Instrucciones de cálculo. Instrucciones para que la computadora pueda realizar operaciones aritméticas. • Instrucciones de control. Instrucciones que modifican la secuencia de la ejecución del programa. Además de estas instrucciones, y dependiendo del procesador y del lenguaje de programación, existen orras que conformarán el conjunto de instrucciones y, jun ro con las reglas de sinraxis,
2.2
Traductore s de lenguaje: el proceso de traducc ión de un programa
permirirán escribir los programas de las computadoras. Los principales tipos de lenguajes de programación son: • Lenguaje máquina. • Lenguajes de bajo nivel (ensambladom). • Lenguajes de alto nivel.
2.2 Traductores de lenguaje: el proceso de traducción de un programa El proceso de traducción de un programa fuente, escrito en un lenguaje de airo nivel a un lenguaje máquina comprensible por la computadora, se realiza mediante programas llamados "traductores". Los traductores de lenguaje son programas que traducen a su vez los programas fu~nte escriros en lenguajes de alto nivel a código máquina. Los traductores se dividen en compiladores e intérpretes.
2.2.1 Intérpretes Un intérprete es un traductor que roma un programa fuente, lo traduce y, a continuación, lo ejecuta. Los programas intérpretes clásicos como BASIC prácticamente ya no se utilizan, mas que en cl.rcunstanóí'as especiales. Sin embargo, está muy e~tendida la versión interpretada del lenguaje Smal!talk, uh lenguaje orientado a objetos puro. El sistema de traducción consiste en traducir la primera sentencia del programa a lenguaje máquina, se detiene la traducción, se ejecuta la semen·cia; a continuación, se traduce la siguiente sentencia, se detiene la traducción, ·se ejecuta la sentencia y así sucesivamente hasta terminar el programa (figura 2.2) . .~J.
·2.2.2 Compiladores . :;]r.~,
Un compil~dor es un programa que traduce los programas fuente escritos en lenguaje de alto nivel a lenguaje máquina. La traducción del programa completo se realiza en una sola operación denominada compilación del programa; es decir, se traducen todas las instrucciones del programa en · un solo bloque. El programa compilado y depurado (eliminados los errores del código fuente) se denomina programa ejecutable porque ya se puede ejecut~r directamente y cuantas veces se desee; sólo deberá volver a compilarse de nuevo en el caso de que se modifique alguna instrucción del programa. De este modo el programa ejecutable no necesita del compilador para su ejecución. Los lenguajes compiladores rípicos más utilizados son: C, C++, Java, C#, Pascal, FORTRAN y COBOL (figura 2.3).
Figura 2.2 Intérprete.
Figura 2.3 La compilación de programas.
27
28
CAPÍTULO 2
PROGRAMAS Y PROGRAMACIÓN
2.3 La compilación y sus fases La compilaci6n es el proceso de traducción de programas fuente a programas objeto. El programa objeto obtenido de la compilación ha sido traducido normalmente a código máquina. Para conseguir el programa máqµin a real se debe utilizar un programa llamado montador o enlazador (/inker). El proceso de montaje conduce a un programa en lenguaje máquina directamente ejecutable (figura 2.4). El proceso de ejecución de un programa escrito en un lenguaje de programación y mediante un compilador suele tener los siguientes pasos: l . Se escribe el programa fuente con un editor (programa que permite a una computadora actuar de modo similar a una m áquina de escribir electrónica) y se guarda en un dispositivo de almacenamiento (por ejemplo, un disco). 2. Se introduce el programa fuente en la memoria. 3. Se compila el programa con el compilador. 4. Se verifican y corrigen errores de compilación (listado de errores). 5. Se obtiene el programa objeto. 6. El enlazador (/inker) obtiene el programa ejecutable. 7. Se·ejecura el programa y, si no existen errores, se tendrá la salida del programa. El proceso de ejecución se muestra en las figuras 2.5 y 2 .6.
2.4 Evolución de los lenguajes de programación En la década de 1940, cuando nacieron las primeras computadoras digitales, el lenguaje que se utilizaba para programar era el lenguaje máquina que traducía directamente el código máquina (código binario) comprensible para las computadoras. Las instrucciones en lenguaje m áquina dependían de cada comp utadora y debido a la dificultad de su escritura, los investigadores de la época simplificaron el proceso de programación desarrollando sistemas de notación en los cuales las
I· •
Compilador ·(traductor)
~
1 i
Programa objeto
~ Enlazador (iinker)
Programa ejecutable (en lenguaje máquina) Figura 2.4 Fases d e la compi lación.
2.4
Evolución de los lenguajes de programación
Modificación Programa fuente
de programa
Compilador
. Existen errores en la compilación {
No
f _ : Programa
i
Programa
: : ~!l~(~fa,r:d
Datos de programa
ejecutable
-,J
e~rrt~i~i,~f~t~1:~ylir~1~¡~;~,~
Resultados Figura 2.5 Ejecución de un programa.
Figura 2.6 Fases de ejecució n de un programa.
instrucciones se representaban en formatos nemónicos (nemotécnico) en vez de en formatos numéricos que 'eran más difíciles de recordar. Por ejemplo, mientras la instrucción: ' Mover el contenido del reg istro 4 al registro 8
A·,·~~
O
O
O~
stf,cidía e~piesar en lenguaje m áquina como: 4048 o bien 001 0 0000 0010 1000
en código n emotécnico podí~ aparecer como: MOV R4 R8
Para convenir los programas escritos en código nemotécnico a lenguaje máquina, se crearon programas ensambladores (assemblers). Es decir, los ensambladores son programas que traducen otros programas escritos en código n emotécnico en instrucciones numéricas en lenguaje máquina que son compatibles y legibles por la máqu.ina. Estos programas de traducción se llaman ensambladores porque su tarea es ensamblar las instrucciones reales de la máquina con los nemotécnicos e identificadores que representan las instrucciones escritas en ensamblador. A estos lenguajes se les denominó de segunda generación, pues el nombre de primera generación se reservó para los lenguajes de máquina. _ En las décadas de 1950 y 1960 comenzaron a inventarse lenguajes de programación de tercera generación que diferían de las generaciones anteriores en que sus instrucciones o primitivas eran de alto nivel (comprensibles por el programador, como si fueran lenguajes narnrales) e independientes de la máquina. Estos lenguajes se llamaron lenguajes de alto nivel. Los ejemplos más conocidos son FORTRAN (FORmula TRANslator) que fue creado para aplicaciones científicas y de ingeniería, y COBOL (COmmon Business-Oriemed Language), que fue desarrollado por la marina de Estados Unidos, para aplicaciones de gestión o administración. Con el paso de
Modificación de programa
29
-. 30
CAPÍTULO 2
PROGRAMAS Y PROGRAMACIÓN
los años aparecieron nuevos lenguajes tales como Pascal, BASIC, C, C++, Ada, Java, C#, HTML, XML y JavaScript. Los lenguajes de programación de alro nivel se componen de un conjunto de instrucciones o ·primitivas más fáciles de escribir y de recordar su función que los lenguajes máquina y el ensamblador. Sin embargo, los programas escritos en un lenguaje de al ro nivel, como C o Java, necesitan ser traducidos a código máquina; para ello se requiere un programa denominado traductor. Estos programas de traducción se denominaron, técnicamente, compiladores. De este modo existen compiladores de C, FORTRAN, Pascal, Java, etcétera. También sw-gió una alternativa a los traductores compiladores como medio de implementación de lenguajes de tercera generación que se denominaron intérpretes. 1 Estos programas eran similares a los traductores exceprn que ellos ejecutaban las instrucciones a medida que se traducían, en lugar de guardar la versión completa traducida para su uso posterior. Es decir, en vez de producir una copia de un programa en lenguaje máquina que se ejecuta más tarde (éste es el caso de la mayoría de los lenguajes como C, C++, Pascal y Java), un intérprete ejecuta realmente un programa desde su formara de alto nivel, instrucción a instrucción. Cada tipo de traductor tiene sus ventajas e inconvenientes, aunque hoy día prácticamente los traductores utilizados son casi todos compiladores por su mayor eficiencia y rendimiemo. Sin embargo, en el aprendizaje de programación se suele comenzar también con el uso de los lenguajes algorítmicos, similares a los lenguajes naturales, mediante instrucciones escritas en pseudocódigo (o seudocódigo), que son palabras o abreviaturas de palabras escritas en inglés, español, portugués, etcétera. Después se realiza la conversión al lenguaje de al ro nivel que se vaya a utilizar realmente en la computadora; tal como C, C++ o Java. Esta récnica facilita la escritura de algoritmos como paso previo a la programación.
2.5 Paradigmas de programación La evolución de los lenguajes de programación ha ido paralela a la idea de paradigma de programación: enfoques alternativos a los procesos de programación. En realidad un paradigma de programación representa fundamentalmente enfoques diferentes para la construcción de soluciones a problemas y por consiguiente afectan al proceso completo de desarrollo de software. Los paradigmas de programación clásicos son: procedimental (o imperativo), funcional, declarativo y orientado a objetos. En la figura 2. 7 ·se muestra la evolución de los paradigmas de programación y los lenguajes asociados a cada paradigma [Brookshear 05]. 2
2 .5.1 Lenguajes imperativos (procedimentales) El paradigma imperativo o procedimental representa el enfoque o método tradicional de programación. Un lenguaje imperativo es un conjunto de insuucciones que se ejecutan una por una, de principio a fin, de modo secuencial, except0 cuando intervienen instrucciones de salto de secuencia o control. Este paradigma define el proceso de programación como el desarrollo de una secuencia de órdenes (comandos) que manipulan los daros para producir los resulrados deseados. Por consiguiente, el paradigma imperativo señala un enfoque del proceso de programación mediante la realización de un algoritmo que resuelve de modo manual el problema y a continuación 1
BASIC fue uno de los intérpretes más populares en las décadas de 1970 y 1980. ' ]. Glenn Brookshear, Computer Science: An overview, Sa. ed., Bosron: Pearson/Addison \Vesley, 2005, p. 230. Obra clásica y excelente para la introducción a la informárica y a las ciencias de b compuración en rodos sus campos fundamenrales. Esra obra se recomienda a quienes deseen profundizar en los diferentes remas uarados en esre capítulo y lo ayudará considerablemenre como libro de consulta en su aprendiz,1je en programació n.
2.5
Paradigmas de programación
expresa ese algoritmo como una secuencia de órdenes. En un lenguaje procedimemal cada instrucción es una orden o varias órdenes para que la computadora realice alguna rarea específica.
2.5.2 Lenguajes declarativos En contraste con el paradigma imperativo, el paradigma declarativo solicita al programador que describa el problema en lugar de encontrarle una solución algorírmica; es decir, un lenguaje declarativo utiliza el principio del razonamiento lógico para responder a las preguntas o cuestiones consultadas. Se basa en la lógica formal y en el cálculo de predicados de primer orden. El razonamiento lógico se basa en la deducción. El lenguaje declarativo por excelencia es Prolog.
2.5.3 Lenguajes orientados a objetos El paradigma orientado a objetos se asocia con el proceso de programación llamado programación orientada a objetos (POO) que consiste en un enfoque rotalmente distinto al proceso procedimental. El enfoque orientado a objeros guarda analogía con la vida real. El desarrollo de software 00 se basa en el diseño y construcción de objetos que se componen a su vez de daros y operaciones que manipulan esos datas. El programador define en prim er lugar los objetos del problema y a continuación los daros y operaciones que acruarán sobre esos daros. Las ventajas de la programación orientada a objetas se derivan esencialmente de la estrucmra m odular existente en la vida real y el modo de respuesta de estos m ódulos u objetas a mensajes o eventos que se prodµ~en en cup.lquier instante. ·. Los orígen es de la POO se remontan a los tipos abstraeros de darns como parte constitutiva de una estructura de datos. C++, lenguaje orientado a objetos, por excelencia, es una extensión del lenguaje C y contiene las ues propiedades más importantes: encapsulamiento, herencia y polimorfismo. Smalltalk es otro lenguaje orientado a objetos muy potente y de gran impacto en el desarrollo del software orientado a objetos que se h a realizado en las últimas décadas. ·:,:x-:·:· Hoy eri::,,;ilia Java y C# son herederos directos d e C++ y C, y constituyen los lenguajes orientad.os 'a objeros más utilizados en la industria del software del siglo XXI. Visual Basic y VB.Net son
USP
LM
SCHEME
Funcional
e++ SMALLTALK
Leng uajes
má quina
FORTRAN
BASIC
COBOL Al GOL
e
APL
1960
JAVA
C# Orientada a objetos
ADA
Imperativa
PASCAL
PROLOG
GPSS
1950
VISUAL BASIC
1970
Declarativa
1980
1990
2000
Fig ura 2 .7 Paradigmas de programación (evolución d e lengu ajes). Fuente: Brookshear, 2005.
31
32
CAPÍTULO 2
PROGRAMAS Y PROGRAMACIÓN
otros lenguajes orientados a objetos, no tan potentes corno los anteriores pero extremadamente sencillos y fáciles de aprender.
2.6 Breve historia de los lenguajes de programación La historia de la computación ha estado asociada indisolublemente a la aparición y a la historia de lenguajes de programación de computadoras. La Biblia de los Lenguajes ha sido una constante en el desarrollo de la industria del software y en los avances científicos y tecnológicos. Desde que en 1642 Blaise Pascal inventó La pascalina, máquina que ayudaba a contar mediante unos dispositivos de ruedas, se han sucedido numerosos inventos que han ido evolucionando, a medida que se programaban mediante códigos de máquina, lenguajes ensambladores, hasta llegar a los lenguajes de programación de alto nivel en lo que ya no se dependía del hardware de la máquina sino de la capacidad de abstracción del programador y de la sintaxis, semántica y potencia del lenguaje. En la década de 1950, IBM diseñó el primer lenguaje de programación comercial de alto nivel y concebido para resolver problemas científicos y de ingeniería (FORTRAN, 1954). Todavía hoy, muchos científicos e ingenieros siguen utilizando FORTRAN en sus versiones más recientes FORTRAN 77 y FORTRAN 90. En 1959, la doctora y almirante, Grace Hopper, lideró el equipo que creó COBOL, el lenguaje por excelencia del mundo de la gestión y de los negocios hasta hace muy poco tiempo; aunque todavía el mercado (especialmente la banca) sigue demandando programadores de COBOL, ya que numerosas aplicaciones comerciales siguen ejecutándose en este lenguaje. Una enumeración rápida de lenguajes de programación que han sido o son populares y los años en que aparecieron es la siguiente:
FORTRAN (1954)
BASIC (1964)
Pascal (1970)
:'A:L.GOL·~J:_<·)~~?t t~09q-~(J.Q;6~): ...'·:: c ~úi'71 ) USP (1958)
Programación de la web. Si después, o en paralelo con su proceso de aprendizaje en fundamentos y metodología de la programación, desea practicar no sólo con un lenguaje tradicional como Pascal, C, C++, Java o C#, sino introducirse en lenguajes de programación para la web, enumeramos a continuación los más empleados en este campo. Los programadores pueden utilizar una amplia variedad de lenguajes de programación, incluyendo C y C++ para escribir aplicaciones web. Sin embargo, algunas herramientas de programación son, particularmente, útiles para desarrollar aplicaciones web: • HTML técnicamente es un lenguaje de descripción de páginas más que un lenguaje de programación. Es el elemento clave para la programación en la web. • JavaScript es un lenguaje script o lenguaje de guión (scripting) que facilita a los diseñadores de páginas web añadir guiones a páginas web y modos para enlazar esas páginas. • VBScript es la respuesta de Microsoft a JavaScript basada en VisualBasic. • Java es el lenguaje de programación, por excelencia, de la web. • ActiveX es el lenguaje de Microsoft para simular algunas de las características de Java. • C# es el verdadero competidor de Java y creado por M icrosofr. • Peri es el lenguaje scnpt o lenguaje de guión (scripting) idóneo para escritura de rexro.
2.7
Metodología de lo programación
• XML es el lenguaje de marcación que resuelve rndas las limitaciones de HTML y ha sido el creador de una nueva forma de programar la web. Es el otro gran lenguaje de la web.
• AJAX es el fururo de la web. Es una mezcla de JavaScripr y XML. Es la espina dorsal de la nueva generación Web 2.0.
2.7 Metodología de la programación Existen dos enfoques muy populares para el diseño y construcción de programas: el enfoque estructurado y el enfoque oriemado a objetos. Estos dos enfoques conducen a dos tipos o metodologías de programación: programación estructurada y programación orientada a objetos. 3
2.7 .1 Prograrnadón estructurada La programación estructurada utiliza las técnicas tradicionales del campo de programación y que data de las décadas de 1960 y 1970, especialmente desde la creación del lenguaje Pascal por Niklaus Wirth. La programación estructurada es un enfoque específico que, normalmente, produce programas bien escritos y muy legibles, aunque no necesariameme un programa bien escri.ro y fácil de leer ha de ser estructurado. La programación estrucrurada trata de escribir un programa de acuerdo con unas reglas y un conjunto de técnicas. Las reglas de programación estructurada o diseño estructurado se basan en la modularización; < es'decir, en la división de un problema en subproblemas más pequeños (módulos), que a su vez se pueden dividir en otros subproblemas. Cada subproblema (módulo) se analiza y se obtiene una solución para ese subproblema. En otras palabras, la programación estructurada implica un dise'-ño :descendente. · Una vez que se han resuelto los diferentes subproblemas o módulos se combinan todos ellos ,.·'Para re.~olver el problema global. El proceso de implementar un diseño estructurado se denomina . programación estructurada. El diseño estructurado también se conoce como diseno descendente ·'(top-doi,;n), diseño ascendenre (bottom-up) o refinamiento sucesivo y programación modular. La descomposición de un problema en subproblemas también conocidos como módulos, funciones o subprogramas (métodos en programación orientada a objetos) se conoce también como programación modular, ya estudiada anteriormente, y uno de los mérodos tradicionales para la re~olu ción de los diferentes subproblemas e integración en un único programa global es la programación estructurada. C, Pascal y FORTRAN, y lenguajes similares, se conocen como lenguajes procedimentales (por procedimientos). Es decir, cada sentencia o instrucción señala al compilador para que realice alguna tarea: obtener una entrada, producir una salida, sumar tres números, dividir entre cinco, etcétera. En resumen, un programa en un lenguaje procedimental es un conjunto de instrucciones o sentencias. En el caso de pequeños programas, estos principios de organización (denominados paradigmas) se demuestran eficientes. El programador sólo tiene que crear esta lista de instrucciones en un lenguaje de programación, compilar en la computadora y ésta, a su vez, ejecuta estas instrucciones. Cuando los programas se vuelven más grandes, cosa que lógicamente sucede a medida que aumenta la complejidad del problema a resolver, la lista de instrucciones aumenta considerablemente, de modo tal que el programador tiene muchas dificultades para controlar ese gran número de instrucciones. Los programadores pueden controlar, de modo normal, unos centenares de líneas 3
En la obra Programaáón en C++. Un enfoquepráctico, de los profesores Luis Jayanes y Lucas Sánche-L, Madrid: McGrawHill, 2006, puede enconcrar un capírulo completo (capítulo 1) donde se analiza y comparan con detalle ambos tipos de métodos de programación.
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PROGRAMAS Y PROGRAMACIÓN
de instrucciones. Para resolver este problema los programas se descompusieron en unidades más pequeñas que adoptaron el nombre de funciones (métodos, procedimientos, subprogramas o subrutinas según la terminología de lenguajes de programación). De este modo en un programa orientado a procedimientos se divide en funciones, de forma que cada función tiene un propósito bien definido y resuelve una tarea concreta, y se diseña una interfaz claramente definida (el prototipo o cabecera de la función) para su comunicación con otras funciones. Con el paso de los años, la idea de dividir el programa en funciones fue evolucionando y se llegó al agrupamiento de las funciones en otras unidades más grandes llamadas módulos (normalmente, en el caso de C, denominadas archivos o ficheros); sin embargo, el principio seguía siendo el mismo: agrupar componentes que ejecutan listas de instrucciones (sentencias). Esta característica hace que a medida que los programas se vuelven más grandes y complejos, el paradigma estructurado comienza a dar señales de debilidad y resulta muy difícil terminar los programas de un modo eficiente. Existen varias razones de la debilidad de los programas estructurados para resolver problemas complejos. Tal vez las dos razones más evidentes son éstas: primero, las funciones tienen acceso ilimitado a los datos globales; segundo, las funciones inconexas y datos, fundamentos del paradigma procedimental proporcionan un modelo deficiente del mundo real. Las técnicas de programación estructurada incluyen construcciones o est~ucruras (instrucciones) básicas de control:
• Bucles o lazos (también-denominada repetición o iteración) Las estructuras básicas de control especifican el orden en que se ejecutan las distintas instrucciones de un algoritmo o programa. Una construcción (estructura, instrucción o sentencia en la jerga de lenguajes de programación) es un bloque de instrucciones de un lenguaje y una de las operaciones fundamentales del lenguaje. Normalmente la ejecución de las sentencias o instrucciones de ·un programa o subprograma, se realiza una después de otra en orden secuencial. Este procedimiento se llama ejecución secuencial. Existen, no obstante, diferentes sentencias que especifican cómo saltar el orden secuencial, es decir, que la sentencia a ejecutar sea distinta de la siguiente en la secuencia. Esta acción se denomina transferencia de control o control del flujo del programa. Los primeros lenguajes de programación tenían entre las sentencias de control del flujo una denominada gota (ir_ a) "que permitía especificar una transferencia de control a un amplio rango de destinos de un programa y poco a poco se fue abandonando por los muchos problemas que conllevaba un control eficiente (en su tiempo a este tipo de programación se denominó "código espagueti" a aquellos programas en los que se usaba esta sentencia). En la década de 1970 nació la ya citada tendencia de programación denominada programación estructurada que preconizaba la no utilización de la sentencia goto en los programas y su sustitución por otras sentencias de transferencia de control debido al gran daño que suponía a la eficiencia de los programas. Bohm y Jacopini demostraron que los programas se podían escribir sin sentencias gota. 4 Sin embargo, fue en la década de 1970 con la aparición de lenguajes de programación tales como Pascal y C, en el que la tendencia se hizo una realidad y prácticamente se desechó el uso de la sentencia gota. Bohm y Jacopini demostraron también que todos los programas pueden ser escriros sólo con tres estructuras de control: secuencial, de selección y de repetición. En terminología de lenguaje las estructuras de control se denominan estructuras de control. 4
Bohm C. y Jacopini , D. "Flow Diagrams, Turing Machines, and Languages wi¡h OnJy Two Formarion Rules". Comnnmirntions ojthe ACJvl, vol. 9, núm . 5, mayo 1966, pp. 366-371.
2.7
Metodología de la programaci ón
La estructura secuencial ejecuta las semencias en el orden en que están escritas o se señala expresamente. La estructura de selección se implementa en uno de los tres formaros siguientes: Sentencia i f (si) : selección única Sentencia if - else (si-entonces): selección doble Sentencia switch (según_sea): selección múlt:iple . La estructura de repetición se implemenra en tres formatos diferentes Sentencia while (mientras) Sentencia do-while (hacer - mientras) Sentencia for (desde/para)
La programación estructurada promueve el uso de las tres sentencias de control: Secuencia Selección (sentencias if, if-else, switch) Repetición (sentencias while, dowhile, for)
2.7.2 Programación orientada a objetos La Programación Orientada a Objetos (P00) 5 es el paradigma de programación dominante en la actualid~d y ha sustituido las técnicas de programación estructurada comentadas antes. Java es totalmente .orientado a objetos y es importante que usted esté familiarizado con la POO para ·.· hacer a Jav~' más productivo y eficiente. C++ riene carácter híbrido ya que posee las características ·.de orientadón a objetos y también las características estructuradas. . La programación orientada a objetos se compone de objetos. Un objeto es un elemento autosuficiente de u,~ programa de computadora que representa un grupo de características relacionadas
En inglés OOP, Object Oriented Programming.
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CAPiTULO 2
PROGRAMAS Y PROGRAMACIÓN
programación estructurada y métodos en programación orientada a objetos). De acuerdo con este planteamiento, ames de diseñar y utilizar objetos se necesitará aprender cómo representar los datos en la memoria de la compuradora, manipular los datos y el modo de implementar las operaciones. La creación de operaciones requiere la escritura de los correspondientes algoritmos y su implementación en Java. En el enfoque orientado a objetos las múltiples operaciones necesarias de un programa utilizan métodos para implementar los algoritmos. Estos algoritmos utilizarán instrucciones o sentencias de control, de selección, repetitivas o iterativas. El paso siguiente para uabajar con objetas requiere encapsular en una única unidad los datos y operaciones que manipulan esos datos. En Java (y en otros lenguajes orientados a objetos como C++ y C#) el mecanismo que permite combinar datos y operaciones sobre esos datos en una unidad se denomina .clase. Una clase es una plantilla o modelo que permite crear objetos a partir de la misma. El DOO funciona bien combinado con el diseño estructurado. En cualquier caso ambos enfoques requieren el dominio de los componentes básicos de un lenguaje de programación. Por esta razón explicaremos, en detalle, en los siguientes capítulos los componentes básicos de Java que utilizaremos para el diseño orientado a objetos y el diseño estructurado cuando sea necesario. De cualquier forma, en el diseño orientado a objetos nos centraremos en la selección e implementación de clases (objetos abstractos o plantillas generadoras de objetos) y rio en el diseño de algoritmos. Siempre que sea posible se deseará reutilizar las clases existentes, o utilizarlas como componentes de nuevas clases, o modificarlas para crear nuevas clases. Este enfoque permite a los programadores (diseñadores de software) milizar clases como componentes autónomos para diseñar y construir nuevos sistemas de software al estilo de los diseñadores de hardware que utilizan circuitos electrónicos y circuitos integrados para diseñar y construir nuevas computadoras.
2.8 Herramientas de programación La programación en C, C++, Java o cualquier otro lenguaje de programación requiere herramientas para la creación de un programa. Las herramientas más usuales son editor, compilador y depurador de errores y puesta a punto del programa, aunque existen otras herramientas, sobre todo en el caso de desarrollo profesional. Estas herramientas pueden ser independientes y utilizadas de esta forma o bien estar incluidas en entornos de desarrollo integradas y utilizadas como un todo. En el aprendizaje profesional se recomienda conocer ambas categorías de herramientas y a medida que las vaya dominando seleccionar cuáles considera las más idóneas para su trayectoria profesional.
2.8.1 Editores de text o Un editor de textos es un programa de aplicación que permite escribir programas. Los editores que sirven para la escritura de programas en lenguajes de alto nivel son diferentes de los procesadores de texto tradicionales como Word de Microsoft, Google Docs o Zoho. Un editor de software ya sea independiente o integrado es un entorno de desarrollo que normalmente debe proporcionar las características adecuadas para la adaptación de las normas de escritura de la sintaxis del lenguaje de programación correspondiente y también algunas propiedades relacionadas con la sintaxis de este lenguaje; que reconozca sangrados de línea y que reconozca y complete automáticamente palabras clave (reservadas) del lenguaje después de que los programadores hayan tecleado los primeros caracteres de la palabra. Un editor de rexro clásico es NorePad q'ue permite crear (escribir) un programa en Java o C++ siguiendo las reglas o sintaxis del lenguaje; otro editor típico es Edit (Edir.com) del sistema operativo MS-DOS. El editor debe escribir el programa fuente siguiendo las reglas de sintaxis del
2.8
Herramientas de programación
37
lenguaje de programación y luego guardarlo en una unidad de almacenamiemo corno archivo de (exto. Así, por ejemplo , en el caso de Java un programa que se desea llamar Mi Pr i merPrograma (el nombre de una clase en Java) se debe guardar después de escribir en un archivo de (exro denominado MiPr i merPrograma. java (nombre de la clase; una característica específica de Java). Antiguamente se utilizaban editores como Emacs, JEdit o TextPad.
2.8.2 Progra ma ejecut ab le El programa o archivo ejecutable es el archivo binario (código máquina) cuyo contenido es interpretado por la computadora como un programa. El ejecutable contiene instrucciones en código máquina de un procesador específico, en los casos de lenguajes como C o C++, ya que se requiere un compilador diferente para cada tipo de CPU, o bien bytecode en Java, que es el código máquina que se produce cuando se compila un programa fuente Java y que es el leng~aje máquina de la máquina vinual (JVM), que es independiente de cualquier tipo de CPU. En el ejemplo anterio r y en el caso de Java el código traducido por el compilador viene en bytecode y se almacena en el compilador con el nombre MiPrimerPr ogr ama. class. El intérprete Java traduce cada instrucción en bytecode en un tipo específico de lenguaje máquina de la CPU y a continuación ejecuta la instrucción (desde un punto de vista práctico el compilador una vez que ha obtenido el código máquina bytecode, utiliza un cargador que es un programa que recibe a su vez las funciones o clases correspondientes de una biblioteca Java y la salida alimenta al intérprete que va ejecutando las sucesivas instrucciones). En el caso de Java se re;surere un tipo diferente de intérprete para cada procesador o CPU específica. Sin embargo, los intérpretes son programas más sencillos que los compiladores, pero corno el intérprete Java traduce las instrucciones en bytecodes una detrás de otras, el programa Java se ejecuta más lentamente. Los programas ejecutables pueden ser portables (se pueden ejecutar en diferentes plataformas) o no portables (están destinados a una plataforma concreta). Programa Fuente
Error, S í - - - - - '
Error, No
Resultado del programa Figura 2.8 Proceso de ejecución de un programa en Java.
·:: ;-';· "
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CAPÍTULO 2
PROGRAMAS Y PROGRAMACIÓN
2.8.3 Proceso de compilación/ejecución de un programa
1
.
Las computadoras sólo entienden el lenguaje máquina. Por consiguiente, para ejecutar un programa con éxito, el código fuente (el programa escrito en un lenguaje de programación C/C++, Java o C#) o programa fuente, se debe traducir al lenguaje máquina o de la máquina, mediante un compilador o en su caso un intérprete. El proceso de un programa escrito en un lenguaje de programación de alto nivel consta de cinco etapas: editar, compilar, enlazar, cargar y ejecutar, aunque según el tipo d e lenguaje de programación C/C++ o Java alguna de las etapas puede descomponerse en otras etapas. Existen dos métodos para procesar programas completos (compilación y ejecución). Uno son los programas de consola, normalmente conocidos como consola de línea de comandos, que son herramientas en las que los programadores deben teclear los comandos (las órdenes) en una consola o ventana Shell y ejecutar paso a paso las diferentes etapas de compilación. El segundo m étodo es el más utilizado ya que suele ser más cómodo de usar: son los EDI (Imegrated Developmenr Environmenr), enromo de desarrollo integrado, que permiten la edición, compilación y ejecución de un programa de modo directo. Aunque los EDI son más fáciles de aprender puede resultar más tedioso su uso para el caso de programas pequeños, por lo que le aconsejamos que aprenda a manejar ambos métodos y aunque lo más fácil sea casi siempre el EDI, habrá ocasiones en que puede resultarle mejor el uso de la consola de línea de comandos para aprendizaje o incluso para desarrollos muy profesionales.
2.9 Consola de línea de comandos La compilación con la consola de línea de comandos es el procedimiento más antiguo y clásico de la compilación/ejecución de un programa fuente. Con este método se edita el programa fuente eón un editor de archivos de texro corno, por ejemplo, el bloc de notas del sistema operativo Windows (Notepad.exe) o el Edit (Edit.com) del sistema operativo MS-DOS; una vez editado el programa fuente con el ediror se compila el programa con el compilador. El editor y el compilador se ejecutan directamente desde la línea de comandos del sistemá operativo en la ventana de co. mandos del sistema operativo. En la fase de aprendizaje de programación se suele recomendar, en la etapa inicial, el uso de la edición, compilación y ejecución desde la ventana o consola de la línea de comandos, de modo que una vez adquirida la destreza y aprendido el mecanismo completo del proceso de ejecución, entonces se puede pasar a trabajar con un entorno de desarrollo integrado profesional. En los últimos años han aparecidos entornos de desarrollo profesionales excelentes y en muchos casos gratuitos, como es el caso de Eclipse y de NetBeans, con la gran ventaja de que en muchas ocasiones sirven para diferentes lenguajes de programación.
2.1O Entorno de desarrollo integrado El enromo de desarrollo integrado (EDI) contiene herramientas que soportan el proceso de desarrollo de software. Se compone de un editor para escribir y editar programas, un compilador, un depurador para detectar errores lógicos (errores q ue originan una ejecución no correcta del programa) y un constructor de interfaz gráfico de usuario (GUI) . Además suelen incluir herramientas para compilar e interpretar, en su caso, los programas fuente. Los EDI pueden estar orientados a uno o varios lenguajes de programación aunque generalmente están orientados a uno solo. Existen entornos de desarrollo para casi todos los lenguajes de programación, cales como C, C++, Python, Java, C#, Delphi, Visual Basic, Pascal, Objective-C (el lenguaje de desarrollo de aplicaciones de Apple para teléfonos inteligentes iPhone), etcétera.
.Algunos entornos de desarrollo integrados populares son: 1) En C++: Microsoft Visual Srudio 20 10, Dev-C++, NetBeans, Eclipse; 2) En Java: Eclipse, NetBeans, JBuilder, J Creator, JGrasp, BlueJ y Java Developmem Kit (JDK) . Cualquiera de estos entornos de desarrollo le será a usted de gran utilidad, por lo que le aconsejamos que descargue e instale el entorno elegido o aquel recomendado por su profesor o maestro en clase.
2 .11 Diferencias entre los lenguajes C+ + y Java El intérprete Java traduce y ejecuta los bytecodes, instrucción a instrucción. Los lenguajes compilados, como C y C++, n ecesitan un compilador diferente para cada tipo de procesador o CPU, núemras que un compilador Java traduce un programa fuente en bytecodes, el lenguaje máquina de una máquina virtual (JVM), que es independiente de cualquier tipo de CPU. El intérprete de Java traduce;. cada instrucción en bytecodes en un tipo específico de lenguaje máquina de la CPU, y,-a contin:u:¡ción, se ejecura la instrucción. Los intérpretes traducen las instrucciones de bytecode una.a'_.¡1.ma ;y,~eso produce que un programa Java se ejecute más lentamente que los compiladores puros como el caso de C++. Otra diferencia entre C++ y Java es que si bien los dos lenguajes están orientados a objetos, C++ como evolución de Ces un lenguaje híbrido que puede trabajar bien con los dos paradigmas: estructurado y orientado a objetos. .
2.11.1 Java Virtual Machine (JVM) Para conseguir que los programas Java sean independientes de la máquina, es decir, que se puedan ejecutar en m uchos tipos de plataformas de computadoras, los diseñadores de Java crearon ia máquina virtual Java (Java Virtual Machine, JVM) . Una máquina virrual Java es una computadora hipotética (virtual) que trabaja con JVM, que es su lenguaje máquina. En lenguajes compiladores como C y C++, el compilador traduce el código fuente directamente en lenguaje máquina de la CPU de su computadora. Para estos lenguajes se necesita un compilador por cada tipo de CPU. En consecuencia, los programas escritos en estos lenguajes no son fáciles de portar de un tipo de máquina a otra ya que cada código fuente debe ser recompilado para cada ripo de CPU. • Los programas Java son muy portables ya que son independientes de la plataforma y por consiguiente se pueden ejecutar en un navegador web tal como Firefox, Explorer, Chrome, Opera o Safari. En el caso de .los programas escritos en lenguaje Java para que puedan ser ejecutados en una computadora han de ser traducidos en primer lugar a un lenguaje intermedio denominado bytecode, y a continuación se traducen (interpretan) a un lenguaje máquina específico. El programa
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que traduce las instrucciones escritas en Java a bytecode es un compilador. Com o ya se ha comentado ameriormenre los lenguajes máquinas son diferentes para cada C PU y se n ecesitaría un · compilador diferente para cada caso. Java se creó pensando en la independencia de las plataformas o de la computadora, es decir que el programa se p ueda utilizar con independencia de .la máquina y pudiera ejecutarse sobre múltiples tipos de plataformas y computadoras. El bytecode es el lenguaje máquina JVM de la computadora virtual JVM. Esta máquina virtual es específica para cada computadora o procesador.
En dichos -lenglJajes·'se.- riecesit.?:;un,:~~ippila,d c)f!=lif~r€'nte ~. . para cada tipo :9e P. ~~ce~a.9ór _q':~p\J~,~:O.r"c§ñstWi~.1'.1.~('.!ó_s· ··programas de estos lenguajes no son portabfes fac1!m.ente de < ün tipo de máq ~i na ·(c;ómput~~ora): a.:o\ra., :.~rc.é)di.gbJfuente. Los programas trad~ctores d~ lenguajes son~ debe.ser recompilado para cada ~ipo de procesadór. LO:S°programas Java son independientes de !a ;,,áquina yfácilmente • Compiladores. portables, e inclu so pueden ejecutarse desde un navegador • Intérpretes. web, debido a que los diseñadores de Java introdujeron la máquina virtual Java (JVM) y el bytecode como lenguaje nae es ún lenguaje de programación que contiene excetivo o máquina de la computadora. Es más fácil traducir un lentes características como lenguaje para ap rendizaje de bytecode en un tipo específico de procesador. programación y lenguaje profesional de propósito general; · .·. ra.
ción, paradigmas de programación utilizando herramienras reóricas y prácticas.
2. Conozca el enromo de un lenguaje de programación: enromo de desarrollo inregrado y consola de línea de comandos para la compilación y ejecución de programas.
Taller de actividades de programación
3. Busque y analice información necesaria para instalar y configurar el compilador del lenguaje de programación a utilizar (lenguajes C, C++ y Java) .
5 . Practique con la consola de línea de comandos y emornos de desarrollo inregrado de C, C++ y Java.
4. Practique con editores, compiladores e inrérpretes.
Ejecución de un programa en C/C+ + y JAVA Las computadoras sólo entienden el lenguaje máquina. Por consiguiente, para ejecutar un programa con éxiw, el código fuente (el programa escrito en un lenguaje de programación C/C++, Java o C#) o programa fuenre, se debe traducir al lenguaje máquina. El proceso de ejecución de un programa escrito en un lenguaje de programación de alto.nivel consta de cinco etapas: edición, compilación, enlace, carga y ejecución, aunque según el tipo de lenguaje de programación C/C++ o Java alguna de las etapas puede descomponerse en otras etapas . .
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EjecucíG~~de un programa en un lenguaje compi lador: C/C+ + El proces~f8~ ejecución de un programa en C++ se muestra en la figura 2.9 y el detalle de las diferentes et;pas se detalla a continuación. . ·~~i[.
Etapa 1 -~~reación de un programa ~. 0~ . . Un progr~a, corno ya se ha comentado, es un conjunto de instrucciones que se dan a la computadora partsu ejecución. El programa se escribe siguiendo las reglas de sintaxis del lenguaje de programación (C, C++) y se denomina programa fuente o código fuente. La etapa l de la ejecución de un programa es la edición (creación) de un archivo con un programa editor, también conocido como editor. Se escribe (teclea) el programa fuente utilizando un editor, se corrigen los errores de sintaxis o de escritura que se detectan y se guarda el programa en un dispositivo de almacenamiento secundario como un disco CD, DVD o memoria flash, o en la propia unidad de disco duro. Se graba el archivo fuente con un nombre y una extensión predefinida por el compilador.
Figura 2.9 Proceso de ejecución de un programa en C+ + .
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CAPÍTULO 2
PROGRAMAS Y PROGRAMACIÓN
Así, por ejemplo, en caso d e un archivo d e nombre demo los nombres de los archivos fuente pueden tomar los siguientes n om bres en C y C++: demo .c demo . cpp demo.cxx d emo . cc
Los editares de texto para escritura de programas dependen del sistem a operativo utilizado en la computadora. Así, en sistemas Linux se suelen utilizar vi y emacs, y en el caso de Windows, se suele utilizar Not epad. Sin embargo, hoy día, la mayoría de los edirores utilizados en la creación de programas están integrados en entornos de programación denominados Entornos de desarrollo integrados, EDI (Integrated Development Environment, IDE) y que ofrecen la mayoría de los grandes proveedores de software. Los EDI proporcionan herramientas que soportan el proceso complero de desarrollo de software que incluyen editores para escribir y desarrollar programas, compiladores, cargadores, d epuradores para la localización de errores lógicos. Microsoft, Oracle (antes Sun Microsysrems), Hewlerr-Packard, Intel, ofrecen distintos entornos de desarrollo integrados.
Etapa 2. Compilación del programa Los lenguajes de programación de alto nivel pueden ser compiladores o intérpretes. C++ es un lenguaje compilador o compilado, y Java es un len guaje intérprete o interpretado. En el caso de los lenguajes compilados como CIC++ para conseguir un programa ejecutable que pueda ser entendible por la computadora se requiere traducir el código fuente comprensible por los humanos a un programa que entiende la máquina. La traducción se hace con un programa llamado compilador .
: El código escrito en lenguaje de alto njvel se denomina código fuente o texto dd programa. El : ~ código que ejecuta la computadora se denom ina código ejecutable y también código m áquina ~
En el caso de C++, los archivos en código fuente tienen normalmente el sufijo o extensión . cpp y los archivos en código objeto tienen el sufijo (extensión) . obj (en sistema operativo Win-
dows) o bien . o (en sistema operativo Unix) .
Etapa 3. Enlace (linking) El compilador produce un archivo denominado código objeto, pero los programas en C/C++ contienen además referencias a funciones y daros contenidos en bibliotecas de programas estándar o definidas al usuario que constimyen otras panes o código objeto de la biblioteca estándar del lenguaje, por ejemplo C/C++. Una biblioteca es, simplemente, un conjunta de programas normalmente escritos por orros programadores o bien por el fabricante del compilador o de otros programadores externos. Las diferentes partes (o unidades de traducción) producen códigos objetos durante la compilación y deben ser enlazados juntos para fo rmar un programa ejecutable. El programa que enlaza jumas rodas las partes se llama enlazador (linker) el cual enlaza los códigos objeto del programa fuente con los códigos objeto de la biblioteca estándar (por ejemplo de C!C++) y se crea un archivo ejecutable. Normalmente, antes de que el programa ejecutable pueda ser ejecutado, se necesita situarlo primero en la memoria principal. Esta operación se realiza m ediante un dispositivo denominado · cargador (Loader) que roma el archivo ejecutable del disco y lo almacena en la memoria. El enlazador y cargado r suelen estar integrados en una misma unidad.
Taller de actividades d e programación
Etapa 4 . Ejecución Antes de obtener un archivo ejecutable se necesita depurar los errores encontrados por el compilador, denominados errores en riempo de compilación y los errores encontrados por el enlazador se denominan errores en tiempo de enlace. Los errores de compilación suelen ser más fáciles de detectar y fijar que los errores en tiempo de enlace. Una vez detectados los errores de compilación y enlace, se ejecuta el programa. En esta fase se pueden producir errores denominados errores en tiempo de ejecución o errores lógicos. En la figura 2.1 O se muestra el proceso de ejecución de un programa con indicación de errores de sintaxis (com pilación y enlace) y errores lógicos o de ejecución.
Ejecuci ón de un programa en len guaje interpretado: Java Los p rogramas escrirns en un lenguaje interpretado requieren un proceso de traducción similar a los compilados pero las etapas son diferentes. El proceso de ejecueión de un programa en C ++ se muestra en la figura 2. 11 y el detalle de las diferentes etapas se presenta a continuación.
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Figura 2.1 O Proceso de ejecución de un programa en C+ + con t ratamiento de errores.
Figura 2. 11 Proceso de ejecución de un programa Java (con proceso de bytecode).
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PROGRAMAS Y PROGRAMACIÓN
Verificación de que los bytecodes son válidos
Máquina virtual Java, JVM Figura 2.12 Proceso de ejecución de un programa Java.
Etapa 1. Creación del pro grama fuente Se utiliza un editor de texto, tal como N otepad o bie·n con entornos de desarrollo integrados tales como Eclipse (www . e clipse . org), NetBeans {www. netbeans. org), JCreator (www. jcreator . corn) o BlueJ (www. bl u ej . o rg). Se crea el programa fuente Java, siguiendo las reglas de sintaxis del lenguaje. El programa .fuente o archivo de texto se almacena en un dispositivo secundario de almacenamiento, tal como una unidad de disco externo o disco duro. El archivo de texto termina con la extensión . java (por ejemplo miNombre . java) .
Etapa 2. Compilación de un programa El compilador de Java utiliza el comando (orden) j avac para compilar un programa Java. En el caso del programa denominado miNornbre. java, se debe teclear Java c miNornb re.j ava
El compilador verifica el programa fuente para detectar errores de sintaxis y cuando no existan estos errores, el compilador traduce el código fuente en bytecode. El bytecode se guarda en el archivo con la extensión . c lass que es almacenado por el compilador. La diferencia del archivo en bytecode con el lenguaje máquina que se obtiei-le con los lenguajes compilados, es que el lenguaje máquina es dependi ente del hardware específico de la computadora mientras que los bytecode son independientes de la plataforma, es decir, no depende de la plataforma hardware específica. Eso significa que los bytecodes de Java son porrables de una plataforma a otras.
Etapa 3. Ca rg a de un programa en memoria El cargador recibe los bytecodes de la compilación y también los bJ1tescodes de la biblioteca de clases utilizadas en el programa y los enlaza o conecta enrre sí almacenándolos en la memoria principal.
Taller de actividades de programación
Etapa 4 . Ejecución del programa En esta etapa un programa llamado intérprete traduce cada instrucción de bytecode en su lenguaje máquina de computadora y a continuación se ejecuta. A medida que las clases (las entidades básicas de programación orientada a objetos) se cargan en la memoria principal, un programa llamado verificador de bytecode investiga que los bytecodes de ias clases son válidos y no violan las resuicciones de seguridad de Java.
instalación de entornos de desarroll o integrado Elija uno o dos entornos de desarrollo integrados de carácter gratuito, preferentemente el entorno recomendado por su maestro o p rofesor y si no es así le recomendamos que instale cualquier otro de los comentados en este capítulo o que usted haya descubierto navegando por internet o consultando algún orro libro de programación: Dev-C++ o Microsoft Visual C++, específicos para C++
BlueJ, NetBeans o Eclipse, específicos para Java Una vez insralado en su computadora, lea el manual de usuario y una vez que conozca los procedimientos de ejecución de un programa, realice prácticas con algún programa de demostración que en contrará en el manual de ayuda y a continuación ejecute el proceso completo edición, compilación y depuración. Le p roponemos dos programas de demostración . .,:;_
e++ Srrousrrup, d creador del lenguaje C++, propone un p rimer p rograma clásico Hola Mundo en su último libr<}_(Programming, Principies and Practice Using C++, Addison.Wesley, 2009) .:· #inclu'de "std_lib_facili t ies . h" . int máln( ) // el programa arranca ejecutando la función ma in cout<< "Hola mundo ¡ \n "; return O;
/ / visual iza e n pantalla Hola mundo
Cuando termicye la ejecución verá en pantalla la frase Hola mundo
Java public class MiPrimerProgramajava (
public static void min(String[ ] args) (
System . out .println("Mi primer programa Java " )
Cuand o ejecute y depure el programa visualizará en la pantalla Mi primer programa Java
.'•
'· >.-1
·::..
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013JE:TIVOS OIOACTICOS 1- ·--···--· -·· · ··--·--·· · · ----·-- -·---··· ·--· -·-· -· ·-·· ··· · ··- ··-······ ·· -··· --·· · · ·· · -······ • Tener una visión global de los conceptos básicos de algoritmos y de los diferentes métodos de programación así como el manejo de las herramientas gráficas y pseudocódigo para escribir algoritmos. Al finalizar el capítulo el alumno d eberá ser . capaz de: Conocer las características principales de un algoritmo, así como entender y manejar las herramientas gráficas y el pseudocódigo necesarios para su escritura ." • Aprender las técnicas básicas para la resolución de un problema con algoritmos.
Entender los paradigmas de programación estructurada y programación orientada a objetos. Entender la programación modular y las ventajas de descomponer un problema en subproblemas o módulos. • Ap render a manejar alguna herramienta de dibujo de d iagra'nias de flujo y diagramas NS. • Aprender a escribir algorit mos para resolver problemas senci llos mediante texto escrito o pseudocódigo y de igual forma diagramas de flujo.
con1e:n100 , ___ -- --- ..... . --- .... ----- ·--·- · ... -···· ·· -........ . -- · -· .. .... ···-······---·- ........ ... .. ......... .·----- -- --- -3.1 Fases en la resolución de problemas 3.1 .1 Análisis del problema 3 .1.2 Diseño del algoritmo 3.1.3 Herramientas de programación 3.1.4 Codificación de un programa 3 .1.5 Compilación
y ejecución
de un programa y depuración de un programa 3.1.7 Documentación y mantenimiento 3.2 Programación modular 3.3 Programación estructurada 3.3.1 Datos locales y datos g lobales 3.3.2 Modelado del mundo real 3.4 Programa::ión orient ada a objetos 3.4. 1 Propiedades fundamentales de la orientación a objetos 3.1.6 Verificación
y especialización: herencia 3.4.7 Reusabilidad 3.4.8 Polimorfismo 3.5 Concepto y características de algoritmos 3.5.1 Cara cterísticas de los algoritmos 3.5.2 Diseño del algoritmo 3 .6 Escritura de algoritmos 3 .7 Representación gráfica de los algoritmos 3.7.1 Pseudocódigo 3.7.2 Diagramas de flujo 3 .7.3 Diagramas de Nassi-Schneiderman (N-S) 3.4.6 Generalización
comPe:Te:ncu::1s E:SPE:Cl!=ICAS A DE:SARROLLAR Analizar problemas y representar su solución mediante algorit mos.
INTRODUCCIÓN ste capítulo le introduce a la metodología que hay que seguir para la resolución de problemas con computadoras. La resolución de un problema con una computadora se hace escribiendo un programa, que exige al menos los siguientes pasos:
E
1. Definición o análisis del problema. 2. Diseño del algoritmo. 3. Transformación del algoritmo en un programa. 4. Ejecución y validación del programa. Uno de los objetivos fundamentales de este libro es el aprendizaje y diseño de los algoritmos. Este capítulo lo introduce en el concepto de algoritmo y de programa, así corno las herramientas que permiten "dialogar" al usuario con la máquina: los lenguajes de programación.
3 .1 Fases en la resolución de problemas El proceso de resolución de un problema con una computadora conduce a la escritura de un programa y a su ejecución en la misma. Aunq ue el proceso de diseñar programas es, esencialmente, up procesq_,.,creativo, se puede considerar una serie de fases o pasos comunes, que por lo general deben seguir todos los programadores. · · Las fases de resolución de un problema con computadora son:
• AnálisiS del problema. • Diseño del algoritmo. • Codific.ación.
~-~-:CompiÍación y ejecución. • Verificación. • Depuración. • Mantenimiento. • Documentación. Las características más sobresalientes de la resolución de problemas son:
• Análisis. El problema se analiza teniendo presente la especificación de los requisitos dados por el diente de la empresa o poi: la persona que encarga el programa. • Diseño. Una vez analizado el problema, se diseña una solución que conducirá a un algoritmo que resuelva el problema. • Codificación (implementación). La solución se escribe en la sintaxis del len guaje de alto nivel (por ejemplo, Pascal) y se obtiene un programa fuente que se compila a continuación. • E]ecución, verificación y depuración. El programa se ejecuta, se comprueba rigurosamente y se eliminan todos los errores (denominados bugs, en inglés) que puedan aparecer. • Mantenimiento. El programa se actualiza y modifica, cada vez que sea necesario, de modo que se cumplan todas las necesidades de cambio de sus usuarios. • Documentación. Escritura de las diferentes fases del ciclo de vida del software, esencialm ente el análisis, diseño y codificación, unidos a manuales de usuario y de referencia, así como normas para el mantenimiento.
48
CAPITULO 3
ALGORITMOS
Las dos primeras fases conducen a un diseño detallado escrito en forma de algoritmo. Durante la tercera fase (codificación) se implementa 1 el algoritmo en un código escriro en un lenguaj e de programación, reflejando las ideas desarrolladas en las fases de análisis y diseño. Las fases de compilación y ejecución traducen y ejecutan el programa. En las fases de verificación y depuración el programador busca errores de las etapas anteriores y los elimina. Comprobará que mientras más tiempo se gaste en la fase de análisis y diseño, menos se gastará en la depuración del programa. Por último, se debe realizar la documentación del programa. Antes de conocer las rareas a realizar en cada fase, se considera el concepro y significado de la palabra algoritmo. La palabra algoritmo se deriva de la traducción al latín de la palabra Alkhówarízmi, 2 nombre de un matemático y astrónomo árabe que escribió un tratado sobre manipulación de números y ecuaciones en el siglo IX. Un algoritmo es un método para resolver un problema mediante una serie de pasos precisos, definidos y finitos. Características de un algoritmo preciso (indica el orden de realización en cada paso), • definido (si se sigue dos veces, obtiene el m ismo resultado cada vez), • finito (tiene fin; un número determinado de pasos). : .. .. ... . . .. ...... .. . . : .... .... .......·..... . .. . ... : ... ...... . ..... .. .... . ... ... . . . .
Un algoriuno debe producir un resultado en un tiempo finito. Los métodos que utilizan algoritmos se denominan métodos algorítmicos, en oposición a los métodos que implican algún juicio o interpretación que se denominan métodos heurísticos. Los métodos algorírmicos se pueden implementar en computadoras; sin embargo, los procesos heurísticos no han sido convenidos fácilmente en las computadoras. En los últimos añoslas técnicas de inteligencia artificial han hecho posible la implementación del proceso heurístico en computadoras. Ejemplos de algoritmos son: instrucciones para montar en una bicicleta, hacer una receta de cocina, obtener el máximo común divisor de dos números, etcétera. Los. algoritmos se pueden expresar por fórmulas, diagramas de flujo o N-S y pseudocódigos. Esta última representación es la más utilizada para su uso con lenguajes estructurados como C y Pascal.
3 .1.1 Análi sis del problema La primera fase de la resolución de un problema con computadora es el análisis delproblema. Esta fase requiere una clara definición, donde se contemple exactamente lo que debe hacer el programa y el resultado o solución deseada. Dado que se busca una solución por computadora, se precisan especificaciones detalladas de entrada y salida. La figura 3.1 muestra los requisitos que se deben definir en el análisis. Resolución de un problema
., Análisis del problema
Diseno del algoritmo
Resolución ; del problema ~ con computadora ~ (
Figu ra 3.1 Análisis del problema.
1
En la 2Ja. dición del DRAE (Diccionario de la Real Academia Española) se ha acep¡ado el término ímplementm~ (Informática): "Poner en funcionamiento, aplicar métodos, medidas, ercérera, para llevar algo a cabo." Escribió un ¡rarado maremáüco famoso sobre manipulación de núme ros y ecuaciones ¡irulado Kitnb rrl-jrtbr w'rrlm11gabr1/rr. La palabra álgebra se derivó, por su semejanza sonora, d e af-jnbr.
3. 1
Fases en la resolución de problemas
Para poder identificar y definir bien un problema es conveniente responder a las siguientes preguntas: • ¿Qué entradas se requieren? (tipo y cantidad de daros con los cuales se trabaja). • ¿Cuál es la salida deseada? (tipo y cantidad de daros de Jos resul tados). • ¿Qué método produce la salida deseada? • Requisiros o requerimientos adicionales y restricciones
ala solución.
Se desea obtener una tabla con las depreciaciones acumuladas y los valores reales de cada año, de un automóvil comprado por 20 .000 euros en 2005, durante los seis años siguientes suponiendo un valor de recuperación o rescate de 2 000 dólares. Realice el análisis del problema, conociendo la fórmula de la depreciación anual cons.rante D para cada año de vida útjl. D = costo - valor de recuperación ·
vid
. .··
.
. . .........·
•,
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... ._,,._ -~ _
3 .1 .2 Diseño del algoritmo En la etapa d.e análisis del proceso de programación se determina qué hace el programa. En la etapa de diseño se determina cómo hace el programa la tarea solicitada. Los métodos más eficaces para el proceso de diseño se basan en el conocido divide y vencerás. Es decir, la resolución de un problema complejo se realiza dividiendo el problema en subproblemas y a continuación dividiendo
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50
CAPÍTULO 3
ALGORITMOS
estos subproblemas en otros de nivel más bajo, hasta que pueda ser implementada una solución en la computadora. Este método se conoce técnicamente como diseño descendente (top-down) o modular. El proceso de romper el problema en cada etapa y expresar cada paso en forma más detallada se denomina refinamiento sucesivo. Cada subprograma es resuelto mediante un módulo (subprograma) que tiene un solo punto de entrada y un solo punto de salida. Cualquier programa bien diseñado consta de un programa principal (el módulo de nivel más alto) que llama a subprogramas (módulos de nivel más bajo) que a su vez pueden llamar a otros subprogramas. Los programas estructurados de esta forma se dice que tienen un diseño modular y el método de romper el programa en módulos más pequeños se llama programación modul.ar. Los módulos pueden ser planeados, codificados, comprobados y depurados independientemente (incluso por diferentes programadores) y a continuación combinarlos entre sí. El proceso implica la ejecución de los siguiemes pasos hasta que el programa se termina: 1. Programar un módulo. 2. Comprobar el módulo. 3. Si es necesario, depurar el módulo . .4. Combinar el módulo con los módulos anteriores. El proceso que convierte los resultados del análisis del problema en un diseño modular con refinamientos sucesivos que permitan una posterior traducción a un lenguaje se denomina diseño del algoritmo. El diseño del algoritmo e~ independiente del lenguaje de programación en el que se vaya a codificar posteriormente.
3 .1.3 Herramientas de programación Las dos herramientas más utilizadas comúnmente para diseñar algoritmos son: diagramas.de flujo y pseudocódigos. Un diagrama de flujo (jlowchart) es una representación gráfica de un algoritmo. Los símbolos utilizados han sido normalizados por el Instituto Estadounidense de Normalización (ANSI), y los más frecuentemente empleados se muesaan en la figura 3.2, jumo con una plantilla utilizada para el dibujo de los diagramas de fluj o (figura 3.3). En la figura 3.4 se representa el diagrama de flujo que resuelve el problema 3.1. · El pseudocódigo es una herramienta de programación en la que las instrucciones se escriben en palabras similares al inglés o español, que facilitan tanto la escritura como la lectura de programas. En esencia, el pseudocódigo se puede definir como un Lenguaje de especificaciones de algoritmos.
11 Subprograma r 1
Entrada/ salida
Proceso Conectores Sí Figura 3 .2 Símbolos más utilizados en los diagramas de f lujo.
3.1
Fases en la resolución de problemas
Figura 3.3 Plantilla para dibujo de diagramas de flujo.
Aunque no existen reglas para escritura del pseudocódigo en español, se ha recogido una notación estándar que se utilizará en el libro y que ya es muy empleada en los libros de programación en español. 3 Las palabras reservadas básicas se represemarán en !erras negritas minúsculas. Estas palabras son traducción libre de palabras reservadas de lenguajes como C, Pascal, etcétera. Inicio
Leer Costo, Vid a útil, ValorResca_te
Leer Año
_,;....
Valor actual f- Costo Depreciación f- (Costo-ValorRescate)/VidaÚtil Acumulada f- O
· -~~.: ·
No
Acumulada f- Acumulada
+
Depreciación
+
Depreciación
'
Valor actuai f- Valor actual
Año f-Año
+
Fin
1
Fi gura 3.4 Diagrama de flujo (ejemplo 3.1 ).
> Para mayor ampliación sobre el pseudocódigo, puede consultar, entre otras, algunas de estas obras: Fundamentos de programación, Luis Joyanes, 2a. ed., 1997; Metodología de la programación, Luis Joyanes, 1986; Problemas de metodokgía de la programación, Luis Jayanes, 1991 (todas ellas publicadas en McGraw-Hill, Madrid), así como Introducción a !.a programación, de Clavel y Biondi, Barcelona: Masson, 1987, o bien Introducción a !.a programación y a las estructuras de datos, de Braunstein y Groia, Buenos Aires: Eudeba, 1986. Para una formación práctica puede consultar: Fundamentos de programación: Libro de problemas de Luis Joyanes, Luis Rodríguei. y Matilde Fernández, en McGraw-Hill
(Madrid, 1998).
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52
CAPÍTULO 3
ALGORITMOS
El pseudocó digo que resuelve el problem a 3.1 es: Prevision e s de depreciación Introducir costo vida útil valor final de rescate (recuperación) imprimir cabeceras Establecer el valor inicial del afio Calcu l ar depreciación mientras valor afio =< vida útil hacer calcular depreciación acumulada calcular valor actual impr imir una línea en la tabla increme n tar el valor del afio fin de mi e ntras
Se utiliza una variable Contador como un contador que genere los sucesivos números enteros, y Suma para almacenar las sumas parciales 1, 1+2, 1+2+3 . .. l . Es t ablecer Contador a 1
2 . Establecer Suma a O 3 . mi entr as Contador <= 100 hacer Sumar Contador a Suma Incrementar Contador en 1
3.1.4 La codifzcación es la escrirura en un lenguaje de programación de la representación del algoritmo desarrollada en las erapas precedentes. Dado que ei d iseno de un algoritmo es independiente del lenguaje de programación utilizado para su implementación, el código puede ser escrito con igual facilidad en un lenguaje o en otro _
3.1
Fases en la resoluc ión de problemas
53
Para realizar la conversión del algoritmo en programa se deben sustituir las palabras reservadas en espanol por sus homónimos en inglés, y las operaciones/instrucciones indicadas en lenguaje natural por el lenguaje de programación correspondiente.
!_·,-. ' .
. __.·
{Este programa obtiene una t abla de d epreciaciones acumuladas y valores r eales de cada año de un determina do p r oduc~o) algoritmo pr i mero Real; Costo, Depreci acion, Val or Recuperacion Valo r_Actual , Acumulado Va l or Anual; entero: Año, Vida Ut il; inicio escribi r( ' introduzca costo, valor recuperación y vida útil') leer (Cos t o , Valor Recupe ra c ion , Vida Util ) escrib ir ( ' Int r oduzca año actua l' ) lee r (Año) Valor Actual - Costo; Dep r eciacion ·- (Costo- Valor_ Recupe r acion)/Vida Util Acumu l ado - O esc ribir ( ' Año Depr eciación Dep . Acumulada') mientras (Año .< Vida Util) Acumulado - Acumu la do + Deprec iacion Valor Actual - Va l or Actual - Dep reciacion escribir { ' Año, Depreciac i on, Ac umulado ' ) Año - Año + l; fin mientras fin
Documentación interna Como se verá más adelante, la documentación de un programa se clasifica en interna y externa. La documentación interna es la que se incluye dentro del código del programa fuente mediante comentarios que ayudan a la comprensión del código. Todas las iíneas d e programas que comiencen con un símbolo / / son comentarios o también encerradas entre símbolos / * ... * / . El programa no los necesita y la computadora los ignora. Estas líneas de comentarios sólo sirven para hacer los programas más fáciles de comprender. El objetivo del programador debe ser escribir códigos sencillos y limpios. Debido a que las máquinas actuales soportan grandes memorias (1 Gb a 8 Gb de memoria central mínima en computadoras personales) no es necesario recurrir a técnicas de ahorro de memoria, por lo que es recomendable que se incluya el mayor número de comentarios posibles, pero eso sí, que sean significativos.
3.1.5 Compilación y ejecución de un prograrna Una vez que el algoritmo se ha convertido en un programa fuente, es preciso introducirlo en memoria mediante el teclado y almacenarlo posteriormente en un disco. Esta operación se realiza con tm programa editor. Posteriormente el programa fuente se convierte en un archivo de programa que se guarda (graba) en disco. El programa fuente debe ser traducido a len guaje m áquina, este proceso se realiza con el compilador y el sistema operativo que se encarga prácticamente de la compilación. Si tras la compilación se presentan errores (errores de compilación) en el programa fuente, es preciso volver a editar el programa, corregir los errores y compilar de nuevo. Este proceso se repite
:·~·
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CAPÍTULO 3
ALGORITMOS
hasta que no se producen errores, obteniéndose d programa objeto que todavía no es ejecutable directamente. Suponiendo que no existen errores en el programa fuente, se debe instruir al sistema operativo para que realice la fase de montaje o enlace (link), carga, del programa objeto con las bibliotecas del programa del compilador. El proceso de montaje produce un programa ejecutable. La figura 3.5 describe el proceso completo de compilación/ejecución de un programa. Una vez que el programa ejecutable se ha creado, ya se puede ejecutar (correr o rodar) desde el sistema operativo con sólo teclear su nombre (en el caso de DOS) . Suponiendo que no existen errores durante la ejecución (llamados errores en tiempo de ejecución), se obtendrá la salida de resultados del programa. Las instrucciones u órdenes para compilar y ejecutar un programa en C, C++,. .. o cualquier otro lenguaje dependerá de su entorno de programación y del sistema operativo en que se ejecute Windows, Linux, Unix, etcétera, o bien, Android, iOS, Blackberry, etcétera.
3 .1 .6 Verificación y depuración de un programa La verificación o compilación de un programa es el proceso de ejecución del programa con una amplia variedad de datos de entrada, llamados datos de test o prueba, que determinarán si el prograrna tiene o no errores ("bugs"). Para realizar Ja verificación se debe desa;:rollar una amplia gama
Memoria externa
CPU EIDCIDE
Programa Editor
Teclado
J a) Memoria externa CPU
cór;npiladb~
Programa editor Progra ma objeto
b) Memoria externa CPU
Enlace del programa
e)
Figura 3.5 Fases de la compilación/ejecución de un programa: a) edición; b) compi lación; e) montaje o enlace.
3.2
Programación modular
de datos de test: valores normales de entrada, valores extremos de entrada que comprueben los límites del programa y valores de entrada que comprueben aspecrns especiales del programa . La depuración es el proceso de encontrar los errores del programa y corregir o eliminar dichos errores. Cuando se ejecuta un programa, se pueden producir tres tipos de errores: l . Errores de compilación. Se producen normalmente por un uso incorrecto de las reglas del lenguaje de programación y suelen ser errores de sintaxis. Si existe un error de sintaxis, la computadora no puede comprender la instrucción, no se obtendrá el programa objeta y el compilador imprimirá una lista de todos los errores encontrados durante la compilaci ón. 2. Errores de ejecución. Estas errores se producen por instrucciones que la computadora puede comprender pero no ejecutar. Ejemplos típicos son : división por cero y raíces cuadradas de números negativos. En estos casos se detiene la ejecución del programa y se imprime un mensaje de error. 3. Errores lógi.cos. Se producen en la lógica del programa y la fueme del error suele ser el diseno del algoritmo. Estas errores son los más difíciles de detectar, ya que el programa puede funcionar y n_o producir errores de compilación ni de ejecución, y sólo puede advertirse el error por la obt('.nción de resultados incorrectas. En este caso se debe volver a la fase de diseno del algoritmo, modificar el algoritmo, cambiar el programa fuente y compilar y ejecutar una vez más.
3.1.7 Documentación y mantenimiento La documentación de un problema consta de las descripcion es de los pasos a dar en el proceso de resolución de dicho problema. La importancia de la documentación debe ser destacada por su decisiva influencia en el producro final. Programas deficientemente documentados son difíciles de leer, más difíciles de depurar y casi imposibles de mantener y modificar. La documentación de un programa puede ser interna y externa. La documentación interna es la contenida en líneas de comentarios. La documentación externa incluye análisis, diagramas de flujo y/o pseudocódigos, manuales de usuario con instrucciones para ejecutar el programa y para interpretar los resultados. La documentación es viral cuando se desea corregir posibles errores futuros o bien cambiar el programa. Tales cambios se denominan mantenimiento del programa. Después de cada cambio la documentación debe ser actualizada para facilitar cambios posteriores. Es práctica frecuente numerar las sucesivas versiones de los programas 1.0, 1.1, 2.0, 2 .1, etcétera. (Si los cambios introducidos son importantes, se varía el primer dígiro [LO, 2.0, .•.]; en caso de pequenos cambios sólo se varía el segundo dígito [2.0, 2.1. . .].)
3.2 Programación modular La programación modular es uno de los métodos de diseño más flexible y potente para mejorar la productividad de un programa. En programación m odular el programa se divide en módulos (partes independientes), cada uno de los cuales ejecuta una única actividad o tarea y se codifican independientemente de otros módulos. Cada uno de estos módulos se analiza, codifica y pone a punto por separado. Cada programa contiene un módulo denominado programa principal que controla todo 1o que sucede; se transfiere el control a submódulos (posteriormente se denominarán subprogramas), de modo que ellos puedan ejecutar sus funciones; sin embargo, cada submódulo devuelve el comrol al módulo prin_cipal cuando se haya complerado su tarea. Si la tarea asignada a cada submódulo es demasiado compleja, éste deberá romperse en ouos módulos más pequenos. El proceso sucesivo de subdivisión de módulos cominúa hasta que cada módulo tenga solamente una tarea específica que ejecutar. Esta tarea puede ser entrada, salida, manipulación de datos, control de otros módulos o alguna
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56
CAPÍTULO 3
A LGORITMOS
combinación de éstos. Un módulo puede transferir tempo ralmente (bifurcar) el control a otro módulo; sin embargo, cada módulo debe a la larga devolver el control al módulo del cual se recibe originalmente el control. Los módulos son independientes en el sentido en que ningún módulo puede tener acceso directo a cualquier otro módulo excepto el módulo al que llama y sus propios submódulos. Sin embargo, los resultados producidos por un módulo pued en ser utilizados por cualquier otro módulo cuando se transfiera a ellos el control. Dado que los módulos son independientes, diferentes programadores pueden trabajar simultáneamente en distintas parres del mismo programa. Esto reducirá el tiempo del diseño del algoritmo y posterior codificación del programa. Además, un módulo se puede modificar radicalmente sin afectar a otros módulos, incluso sin alterar su función principal. La descomposición de un programa en módulos independientes más simples se conoce también como el método de divide y vencerás (divide and conquer). Cada módulo se diseña con independencia de los demás, y siguiendo un método ascendente o descendeme se llegará hasta la descomposición final del problema en módulos en forma jerárquica.
3 .3 Programación estructurada C, Pascal, FORTRAN, y lenguajes similares, se conocen como lenguajes procedimentales (por procedimientos). Es decir, cada sentencia o instrucción señala al compilador para que realice alguna tarea: obtener una entrada, .producir una salida, sumar tres.números, dividir entre cinco, etcétera. En resumen, un programa en un lenguaje procedimental es un conjunto de instrucciones o sentencias. En el caso de pequeños programas, estos principios de organización (denominados paradigmas) son eficientes. El programador sólo tiene que crear esta lista de instrucciones en un lenguaje de programación, compilar en la computadora y ésta, a su vez, ejecuta estas instrucciones. Cuando los programas se vuelven más grandes, cosa que lógicamente sucede cuando aumenta la complejidad del problema a resolver, la lista de instrucciones se incrementa en forma considerable, de modo tal que el programador tiene muchas dificultades para controlar ese gran número . de instrucciones. Los programadores pueden concrolar, de modo normal, unas centenares de líneas de instrucciones. Para resolver este problema los programas se descompusieron en unidades más pequeflas que adoptaron el nombre de funciones (procedimientos, subprogramas o subrutinas en otros lenguajes de programación). De este modo en un programa orientado a procedimientos se divide en funciones, de modo que cada función tiene un propósito bien definido y resuelve una tarea concreta, y se diseña una interfaz claramente definida (el p rotot ipo o cabecera de la función) para su comunicación con otras funciones . .----i ~ Raíz j
t
t
t Módulo 11 j i Módulo 12 ¡ .,
~
r,
i¡:
i Módulo 31
f Módulo 21 ~
t
Módulo 4
Módulo 3
Módulo 2
Módulo 1
t
1
t
~~
~
E
~ Módulo 22
i
'
.
:: Módulo 221 !
1
.
t Módulo 41
t
~ Módulo
222:.
Fig u ra 3.6 Programación modular.
~ '
't
¡
¡' Módulo 42 a
3.3
Programación esiructurada
Con el paso de los años, la idea de romper el programa en funciones fue evolucionando y se llegó al agrupamienro de las funciones en otras unidades más grandes llamadas modulas (normalmenre, en el caso de C, denominadas archivos o .ficheros); sin embargo, el principio seguía siendo el mismo: agrupar componentes que ejecutan listas de instrucciones (sentencias). Esta característ ica hace que a medida que los programas se hacen más grandes y complejos, el paradigma estructurado comienza a dar señales de debilidad y resulta muy difícil terminar los programas de un modo eficiente. Existen varias razones de la debilidad de los programas estructurados para resolver problemas complejos. Tal vez las dos razones más evidentes son éstas: primero, las funciones tienen acceso ilimitado a los daros globales; segundo, las funciones inconexas y daros, fundamentos del paradigma procedimental proporcionan un modelo deficiente del mundo real.
3.3.1 Datos locales y datos globales En un programa procedimental, por ejemplo escrito en C, existen dos tipos de daros: locales y globales. Datos locales que están ocultos en el interior de la función y son utilizados, de manera exclusiva, por la función. Estos daros locales están estrechamente relacionados con sus funciones y están protegidos de modificaciones por otras funciones. Otro tipo de datos son los datos globales a los cuales se puede acceder desde cualquier función ...del programa. Es decir, dos o más funciones puedeii acéeder a los mismos daros siempre que estos datos sean globales. En la figura 3.7 se m uesua la disposición de variables locales y globales en un programa procedimental. Un programa grande (figura 3.8) se compone de n)lfilerosas funciones y datos globales y ello conlleva: una nfí:lltitud de conexiones entre funciones y datos que dificulta su comprensión y lectura. Todas ~Stas conexiones múltiples originan diferentes problemas. En primer lugar, hacen difícil concepcua:i:'. la esuuctura del programa. En segundo lugar, el programa es dificil de modificar ya que carnbiÓs en daros globales pueden necesitar la reescritura de rodas las funciones que acceden a los misitiÓs. También puede suceder que estas modificaciones de los datos globales pueden no ser acepta'a~~ por todas o algunas de las funciones . . .:·r ·...
.·::.~-.
('
Variables globales
Accesibles, por cualquier función
~
/
Accesible sólo por función A
Accesible sólo por función B
Figura 3 .7 Datos locales y globales.
Figura 3.8 Un programa proced imental.
57
- - ··--- ~ -·
58
CAPÍTULO 3
- - - - -- - - -
ALGORITMOS
3.3 .2 Modelado del mundo real Un segundo problema irnporrame de la programación estructurada reside en el hecho de que la disposición separada de datos y funciones no se corresponden con los modelos de las cosas del mundo real. En el mundo físico se trata con objetos físicos tales corno personas, auros o aviones. Estos objetos no son como los datas ni como las funciones. Los objetos complejos o no del mundo real tienen atributos y comportamiento. Los atributos o características de los objetos son, por ejemplo: en las personas, su edad, profesión, domicilio, etcétera; en un auto, la potencia, el número de matrícula, el precio, número de puertas, etcétera; en una casa, la superficie, el precio, el año de construcción, la dirección, etcétera. En realidad, los atributos del mundo real tienen su equivalente en los daros de un programa; tienen un valor específico, tal como 200 m etros cuadrados, 20 000 dólares, cinco puertas, etcétera. El comportamiento es una acción que ejecuran los objetos del mundo real como respuesta a un determinado estímulo. Si usted pisa los frenos en un auto, el coche (carro) se detiene; si acelera, el auto aumenta su velocidad, etcétera. El cornportamienro, en esencia, es como una función: se llama a una función para hacer algo (visualizar la nómina de los empleados de una empresa). Por estas .razones, ni los datas ni las funciones, por sí mismas, modelan los objetos d el mundo real de un modo eficienre.
..·· ············ ·· ··· ······ ·· ··· ······· ··· ····· ···· ··· ·· ········ · ·· ······· ········ ········ ······· ····· ·· ····· ··· ··· ···· ···· ······ ······ ·· ··.. : La programación estructurada mejora la claridad, fiabilidad y facilidad de mantCnimiento de : ~ los programas; sin embargo, para programas grandes o a gran escala, presentan retos de difícil ~ ~ ~~~-
3.4 Programación orientada a objetos La programación orientada a objetos (POO), tal vez el paradigma de programación más utilizado en el mundo del desarrollo de software y de la ingeniería de software del siglo XXI, trae un nuevo enfoque a los retos que se plantean en la programación estructurada cuando los problemas a resolver son complejos. Al contrario que la programaci6n procedimental que enfatiza en los algoritmos, la POO enfatiza en los datos. En lugar de intentar ajustar un problema al enfoque procedimental de un lenguaje, POO intenta ajustar el lenguaje al problema. La idea es diseñar formatas de datos que se correspondan con las características esenciales de un problema. La idea fundamental de los lenguajes orientados a objetos es combinar en una única unidad o módulo, tamo los datas como las funciones que operan sobre esos datas. Tal unidad se llama un objeto. Las funciones de un objeto se llaman fanciones miembro en C++ o métodos (éste es el caso de Smallralk, uno de los primeros lenguajes orientados a objeros y Java), y son el único medio para acceder a sus datos. Los datos de un objeta se conocen también como atributos o variables de instancia. Si se desea leer datas de un objeto, se llama a una función miembro del objeto. Se accede a los datas y se devuelve un valor. No se puede acceder a los datos directamente. Los datos están ocultos, de modo que están protegidos de alteraciones accidentales. Los daros y las funciones se dice que están encapsulados en una única entidad. El encapsulamiento de datos y La ocultación de los datos son términos clave en la descripción de lenguajes orientados a objetos. Si se desea modificar los datas de un objeta, se conoce exactamente cuáles son las funciones que interactúan con miembros del objeto. Ninguna otra función puede acceder a los datas. Esto simplifica la escritura, depuración y mantenimiento del programa. Un programa C++ se compone normalmente de un número de objetos que se comunican unos con otros mediante la llamada a otras funciones miembro. La organización de un programa en C++ se muestra en la figura 3.9. La llamada a una función miembro de un objero se denomina enviar un mensaje a ouo obj eto.
Figu ra 3.9 Organización típica de un programa orientado a objetos .
.En el paradigma orientado a objetos, el·programa se organiza como un conjunto finito de objetos que contiene datos y operaciones (funciones.miembro o métodos) que llaman a esos daros y que se-comunican entre sí mediante mensajes.
3 .4.1 · Pit o piedades fundamentales de la orientación a objetos Existen .div~rsas características ligadas a la orientación a objetos. Todas las propiedades que se sue·)eh consia~hr no son exclusivas de este paradigma, ya que pueden existir en otros paradigmas, pero eiÚÚThnjumo definen claramente los lenguajes orientados a objetos. Estas propiedades son: • Abstracción (tipos abstractos d e datos y clases). • Encapsulado (encapsulación o encapsulamiento) de datos. • Ocultación de datos. • Herencia. • Polimorfismo.
3.4. 2 Abstracción La abstracción es la propiedad de los objetos que consiste en tener en cuenta sólo los aspectos más imponantes desde un punto de vista determinado y no tener en cuenta los restantes aspectos. El término abstracción que se suele utilizar en programación se refiere al hecho de diferenciar entre las propiedades externas de una entidad y los detalles de la composición interna de dicha entidad. Es la abstracción la que permite ignorar los detalles internos de un dispositivo complejo tal como -una computadora, un automóvil, una lavadora o un horno de microondas, etcétera, y usarlo como una única unidad comprensible. Mediante la abstracción se diseñan y fabrican esros sistemas complejos en primer lugar y, posteriormente, los componentes más pequeños de los cuales están compuestos. Cada componente representa un n ivel de abstracción en el cual el uso del componente se aísla de los detalles de la composición interna del componente. La abstracción posee diversos grados denominados niveles de abstracción.
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60
CAPÍTULO 3
ALGORITMOS
En consecuencia, la abstracción posee diversos grados de complejidad que se denominan niveles de abstracción que ayudan a estructurar la complejidad intrínseca que poseen los sistemas d el mundo real. En el modelado orientado a objeros de un sistema esto significa centrarse en qué es y qué hace un objeto y no en cómo debe implementarse. Durante el proceso de abstracción es cuando se decide qué características y comportamiento debe tener el modelo. Aplicando la abstracción se es capaz de construir, analizar y gestionar sistemas de compmadoras complejos y grandes que no se podrían disenar si se tratara de modelar a un nivel detallado. En cada nivel de abstracción se visualiza el sistema en términos de componentes, denominados herramientas abstractas, cuya composición interna se ignora. Esto nos permite con centrarnos en cómo cada componente interactúa con otros componentes y centrarnos en la parte del sistema que es más relevante para la rarea a realizar en lugar de perderse en detalles menos significativos. En estructuras o registros, las propiedades individuales. de los objetos se pueden almacenar en los miembros. Para los objetos, no sólo es de interés cómo están organizados, sino también qué se puede hacer con ellos; es decir, las operaciones que forman la interfaz de un objeto son también im portantes. El primer concepto en el mundo de la orientación a objetos nació con los tipos abstractos de datos (TAD). Un tipo absuacto de datos describe no sólo los atriburos de un objeto, sino también su comportamiento (las operaciones). Esto puede incluir también una descripción de !os estados que puede alcanzar un objeto. Un medio·de reducir la complejidad es la abstracción. Las características y los procesos se re- · ducen a las propiedades esenciales, son resumidas o combinadas entre sí. De este modo, las características com plejas se hacen más manejables.
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~bs~~c\~n coche :se utllizará s;e~pre"q~~ l~ ~area, la ~ateg¿ri~ o el ;~~~tifQt&,~~-se~ signili~ · : cativ'os. Así, un. carro (coche) se utilizara para tiinsporta.c:.personaS oir·de A:2~pul~o a I~i:apan. ·. :
3 .4.3 Encapsu!ación y ocu!tadón de datos El encapsulado o encapsulación de datos es el proceso de agrupar daros y operaciones relacionadas bajo la misma unidad de programación. En el caso de los objeros que poseen las mismas características y comportamiento se agrupan en clases, que no son más que unidades o módulos d e programación que encapsulan daros y operaciones. La ocultación de datos permite separar el aspecto de un componente, definido por su interfaz con el exterior, de sus detalles internos de implementación. Los términos ocultación de la información (injormation hiding) y encapsulación de daros (data encapsulation) se suelen milizar como sinónimos, pero no siempre es así, y muy al contrario, son términos similares pero distintos. Normalmente, los daros internos están protegidos del exterior y no se puede acceder a ellos más que desde su propio interior y por lo ramo, no están oculcos. El acceso al objeto está restringido sólo a través de una interfaz bien definida. El diseño de un programa orientado a objetos contiene, al menos, los siguientes pasos: l. Identificar los objetos del sistema. 2. Agrupar en clases a todos los objeros que tengan características v componamienro com unes.
3.4
Programación orientada a objetos
3. Identificar los datos y operaciones de cada una de las clases. 4. Identificar las relaciones que pueden existir entre las clases. Un objeto es un elemento individual con su propia identidad; por ejemplo, un libro o un automóvil. Una clase puede describir las propiedades genéricas de un ejecutivo de una empresa (nombre, título, salario y cargo) mientras que un objeto representará a un ejecutivo específico (Luis Mackoy, director general). En general, una clase define qué daros se utilizan para representar un objeto y las operaciones que se pueden ejecutar sobre esos daros. Cada clase tiene sus propias características y comportamienro; en general, una clase define los daros que se utilizan y las operaciones que se pueden ejecutar sobre esos datos. Una clase describe un objeto. En el sentido estricrn de programación, una clase es un tipo de datos. Diferentes variables se pueden crear de este tipo; en programación orientada a objeros, éstas se llaman instancias. Las instancias son, por consiguiente, la realización de los objeros descritos en una clase. Estas instancias constan de datos o atributos descritos en la clase y se pueden manipular con las operaciones definidas dentro de ellas . . Los términos objeto e instancia se utilizan frecuentemente como sinónimos (especialmente en· C++ y Java). Si una variable de tipo Carro se declara, se crea un objeto Carro (una instancia de la clase Carro) . Las operaciones definidas en los objetos se llaman métodos. Cada operación llamada por un objeto se inrerpreta como un mensaje al objeto, que utiliza un mérodo específico para procesar la operación. de programas orientados a objeros se realiza en p rimer lugar el diseño de las En el qt.Seño ,..... .. clases que refpr'ésentan con precisión aquellas cosas que trata el programa. Por ejemplo, un program a de dibu}Óqmede definir clases que representan rectángulos, líneas, pinceles, colores, etcétera. Las definic\?n,es de clases incluyen una descripción de operaciones permisibles para cada clase, tales como B~s'plazamiento de un círculo o rotación de una línea. A continuación se prosigue el diseño de uítR.rograma utilizando objetos de las clases. El dise~;,q.~~e clases fiables y útiles puede ser una tarea difícil. Afortunadamente, los lenguajes POO facilit'itii:Ja tarea ya que incorporan clases existentes en su propia programación. Los fabricantes de software proporcionan numerosas bibliotecas de clases, incluyendo bibliotecas de clases diseñadas para simplificar la creación de programas para entornos tales como Windows, Linux, Macimosh o Unix. Uno de los beneficios reales de C++ es que permite la reutilización y adaptación de códigos existenres y ya bien probados y depurados. ~
~
3 .4.4 Objetos El objeto es el centro de la programación orientada a objetos. Un objeto es algo que se visualiza, se utiliza y juega u n rol o papel. Si se programa con enfoque orientado a objeros, se intentan descubrir e·implementar los objetos que juegan un rol en el dominio del problema y en consecuencia del programa. La estructura interna y el comportamiento de un objero, en una primera fase, no tiene prioridad. Es importante que un objeto tal como un carro o una casa jueguen un rol. Dependiendo del problema, diferentes aspecros de un aspecto son relevantes. Un carro puede ser ensamblado de partes tales como un motor, una carrocería, unas puertas o puede ser descrito ~tilizando propiedades tales como su velocidad, su kilometraje o su fabricante. Estos atributos indican el objeto. De modo similar, una persona también se puede ver como un objero, del cual se disponen de diferentes atributos. Dependiendo de la definición del problema, esos atributos pueclen ser el nombre, apellido, dirección, número de teléfono, color del cabello, altura, peso, profesión, etcétera. Un objeto no necesariamente ha de realizar algo concreto o tangible. Puede ser totalmente abstracto y también puede describir un proceso. Por ejemplo, un partido de baloncesto o de rugby
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CAPITULO3
ALGORITMOS /
puede ser descrito como un objero. Los atributos de este objeto pueden ser los jugadores, el entrenador, la pumuación y el tiempo uanscurrido de partido. Cuando se trata de resolver un problema con orientación a objetos, dicho problema no se descompone en funciones como el_! programación estructurada tradicional, caso de C , sino en objetos. El pensar en términos de objetos tiene una gran ventaja: se asocian los objetos del p roblema a los objetos del mundo real. ¿Qué tipos de cosas son objetos en los programas orientados a objetos? La respuesta está limitada por su imaginación aunque se pueden agrupar en categorías típicas que facilitarán su búsqueda en la definición del problema de un modo más rápido y sencillo. • Recursos Humanos: - Empleados. - Estudiantes. - Clientes. - Vendedores. - Socios. • Colecciones de daros: - Arrays (arreglos). - Listas. - Pilas. - Árboles. - Árboles binarios. - Grafos. • Tipos de datos definidos por usuarios: - Hora. - N úmeros complejos. - Puntos del plano. - Puntos del espacio. - Ángulos. - Lados. • Elementos de computadoras: - Menús. - Ventanas. - Objetos gráficos (rectángulos, círculos, rectas, puntos ...). - Ratón (mouse). - Teclado. - Impresora.
- USB. - Tarjetas de memoria de cámaras fotográficas. • Objetos físicos: - Carros. - Aviones. - Trenes.
3.4
Programaci ón orientada a objetos
- Barcos. - Morncicletas. - Casas. • Componentes de videojuegos: - Consola. - Mandos. - Volanre. - Conectares. - Memoria. - Acceso a internet. La correspondencia entre objetas de programación y objetos del mundo real es el resultado eficiente de combinar datos y funciones que manipulan esos datos. Los objetos resultantes ofrecen una mejor solución al diseño del programa que en el caso de los lenguajes orientados a procedim ienros. Un objeto se puede definir desde el punta de vista conceptual como una entidad individual de un sistema y que se caracteriza por un estado y un comporcamienro. D esde el punto de vista de implementación un objeto es una enridad que posee un conjunto de datos y un conjunto de operaciones (funciones o métodos). El estado de un objeto viene determinado por los valores que toman sus datos, cuyos valores pueden tener las restricciones impuestas en la definición del problema. Los datos se denominan también atributos y componen la esuucrura del objeto y las operaciones (también llamadas métodos) representan los servicios que proporciona el objeto. . La representación gráfica de un objeto en UML se muestra en la figura 3.1 O.
3.4.5 Clases En POO los objetos son miembros de clases. En esencia, una clase es un tipo de datos al igual que cualquier otro tipo de dato definido en un lenguaje de programación. La diferencia.reside en que la clase es un tipo de dato que contiene daros y funciones. Una clase contiene muchos objetos y es preciso definirla, aunque su definición no implica creación de objetos. Una clase es, por consiguiente, una descripción de un número de objetos similares. Madonna, Sting, Prince, Juanes, Carlos Vives o Juan Luis Guerra son miembros u objetos de la clase "músicos de pop". Un objeto concrero, Juanes o Carlos Vives, son instancias de la clase "músicos de pop".
a} Notación completa de un objeto
b) Notación reducida de un objeto
c} Un objeto Toyota de la clase Carro
d) Un objeto Mackoy de la clase Persona
Figura 3 .1 O Representación de objetos en UML (Lenguaje Unificado de Modelado}.
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CAPÍTULO 3
ALGOR ITMOS
a) Notación completa de un objeto
b) Notación abreviada de una clase
c) Clase Car ro
d) Clases Persona, Carro y Avión
Figura 3.11 Representación de clases en UML.
Una clase es una descripción general de un conjunto de objetos similares. Por definición todos los objetos de una clase comparten los mismos atributos (datos) y las mismas operaciones (métodos). Una clase encapsula las abstracciones de datos y operaciones necesarias para.describir una entidad u objero del mundo real. Una clase se representa en UMLmediame un rectángulo que contiene en una banda con el , nombre de la clase y opcionalmente ·otras dos bandas con el nombre de sus atributos y de sus operaciones o métodos (figuras 3.11 y 3.12).
3.4.6 Generalización y especia lización: herencia La generalización es la propiedad qúe permite compartir información entre dos entidades evitando la redundancia. En el comportamiento de objetos existen con frecuencia propiedades que son comunes en diferentes objetos y esta propiedad se denomina generalización. Por ejemplo, máquinas lavadoras, frigoríficos, hornos de microondas, tostadoras, lavavajillas, etcétera, son todos electrodomésticos (aparatos del hogar). En el mundo de la orientación a
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~ Lanzar ( ) ¡ Saltar ( )
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Figura 3 .12 Representación de clases en UML con atributos y métodos.
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1i
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3.4
Programación orientada a objetos
objetos, cada uno de estos aparatos es una subclase de la clase Electrodomést ic o y a su vez Electrodoméstico es una superclase de rodas las otras clases (máquinas lavadoras, frigorífic o s, hornos de microondas, tostadoras, lavavaj ill as ... ). El proceso inverso de la
generalización por el cual se definen nuevas clases a partir de otras ya existentes se denomina especialización. En orientación a objetos, el mecanismo que implementa la propiedad de generalización se denomina herencia. La herencia permire definir nuevas clases a panir de otras clases ya existentes, de modo que presentan las mismas características y comporramiemo de éstas, así como otras adicionales. La idea de clases conduce a la idea de h erencia. Clases diferentes se pueden conectar unas con otras de modo jerárquico. Como ya se ha comentado anteriormente con las relaciones de generalización y especialización, en nuestras vidas diarias se miliza el concepto de clases divididas en subclases. La clase animal se divide en anfibios, mamífe ro s, insectos, pájaros, etcétera, y la clase vehículo en carros , motos , camiones, autobuses, etcétera. El principio de la división o clasificación es q ue cada subclase comparte características comunes con la clase de la que procede o se deriva. Los carros, motos, camiones y autobuses tienen ruedas, motores y carrocerías; son las características que definen a un vehículo. Además de las características comunes con los otros miembros de la clase, cada subclase tiene sus propias características. Por ejemplo, los camiones tienen una cabina independiente de la caja que transporta la carga; los autobuses tienen un gran número de asientos independientes para los viajeros que ha de transportar, etcétera. En la figura 3.13 se muestran clases pertenecientes a una jerarquía o herencia de clases. De modo similar una clase se puede convertir en p adre o raíz de otras subclases. En C++ y Java la clase .o riginal se denomina clase base y las clases que se derivan de ella se denominan clases derivadas y~iempre son una especialización o concreción de su clase base. A la inversa, la clase base es la generalización de la clase derivada. Esta significa que todas las propiedades (atributos y operaciones) de·la clase base se heredan por la clase derivada, normalmente suplementada con propiedades adicionales.
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3 .'4:7 Reüsabilidad Una vez que una clase ha sido escrita, creada y depurada, se puede distribuir a otros programadores para utilizar en sus propios programas. Esta propiedad se llama reusabilidad4 o reutilización. Su concepto es similar a las funciones incluidas en las bibliotecas de funciones de un lenguaje procedimental como c que se pueden incorporar en diferentes programas.
Figura 3.13 Herencia de clases en UML.
' El 'érmino proviene dd concepto inglés reusability. La uaducción no ha sido aprobada por la RAE, pero se incorpora al t=to por su gran uso y difusión entre los profesionales de la informática.
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ALGORITMOS
En C++ y Java el conceprn de herencia proporciona una exrensión 0 ampliación al conceprn de reusabilidad. Un programador puede considerar una clase exisrem e y sin modificarla, añadir comperencias y propiedades adicionales a ella. Esto se consigue derivando una nueva clase de una ya existente. La nueva clase heredará las características de la clase antigua, pero es libre de añadir nuevas características propias. La facilidad de remilizar o reusar el software existente es uno de los grandes beneficios de la POO: muchas empresas consiguen con la reutilización de clase en nuevos proyectos la reducción de los costos de inversión en sus presupuestos de programación. En esencia ¿cuáles son las ventajas de la herencia? Primero, se utiliza para consistencia y reducir código. Las propiedades comunes de varias clases sólo necesitan ser implementadas una vez y sólo necesitan modificarse una vez si es necesario. La otra ventaja es que el concepto de abstracción de la funcionalidad común está soportado.
3.4.8 Polimorfismo Además de las ventajas de consistencia y reducción de código, la herencia aporta también otra gran ventaja: facilitar el polimorfismo. Éste es la propiedad de que un operador o una función actúen de modo diferente en función del objeto sobre el que se aplican. En la práctica, el polimorfismo significa la capacidad de una operación de ser interpretada sólo por el propio objeto que lo invoca. Desde un punto de vista práctico de ejecución del programa, el polimorfismo se realiza en tiempo de ejecución ya que durante la compilación no se conoce qué tipo de objeto y por consiguiente qué operación ha sido llamada. La propiedad de polimorfismo es aquella en que una operación tiene el mismo nombre en diferentes clases, pero se ejecU:ta de distintas formas en cada clase. Así, por ejemplo, la operación de abrir se puede dar en diferentes clases: abrir una puerta, abrir una ventana, abrir un periódico, abrir un archivo, abrir una cuenta corriente en un banco, abrir un libro, etcétera. En cada caso se ejecuta una operación diferente aunque tiene el mismo nombre en todos ellos "abrir". El polimorfismo es la propiedad de una operación de ser interpretada sólo por el objeto al que pertenece . . Existen distintas formas de implementar el polimorfismo y variará dependiendo del .lenguaje de programación. Veamos el concépto con ejemplos de !a vida diaria. En un taller de reparaciones de automóviles existen numerosos carros, de marcas diferentes, de modelos distintos, de tipos diferentes, poten cias distintas, etcétera. Constituyen una clase o colección heterogénea de carros (cqches). Supongamos que se ha de realizar una operación común: "cambiar los frenos del carro". La operación a realizar es la m isma, incluye los m ism os principios; sin embargo, dependiendo del coche, en particular, la operación será muy diferente, incluirá distintas acciones en cada caso. Otro ejemplo a considerar y relativo a los operadores"+" y"*" aplicados a números enteros o números complejos; aunque ambos son nú meros, en un caso la suma y multiplicación son operaciones simples, mientras que en el caso de los números complejos, al componerse de parte real y parre imaginaria, será necesario seguir un método específico para tratar ambas panes y obtener un resultado que también será un número complejo. El uso de operadores o funciones de fo rma diferente, dependiendo de los objetos sobre los que están actuando se llama polimorfismo (una cosa con diferenres formas). Sin embargo , cuando un operador exist ente, tal como+ o=, se le permite la posibilidad de operar sobre n uevos tipos de daros, se dice entonces que el operador está sobrecargad o. La sobrecarga es un tipo de polimorfismo y una característica importante de la POO.
3.5 Concepto y características de algoritmos El objetivo fundamental de este texto es enseñar a resolver problemas medianre una computadora. El programador de computadora es ames que nada una persona que resuelve problemas, por lo
3.5
Problema
Diseño de algoritmo
:-~
~
Concepto y caracteristicas de algoritmos
Programa de computadora
Figura 3.14 Resolución de un problema.
que para llegar a ser un programador eficaz se necesita aprender a resolver problemas de un modo riguroso y sistemático. A lo largo de todo este libro nos referiremos a la metodología necesaria para resolver problemas mediante programas, concepto que se denomina metodología de la programación. El eje central de esta merodología es el concepto, ya tratado, de algoritmo. Un algoritmo es un método para resolver un problema. Aunque la popularización del término ha llegado con el advenimiento de la era informática, algoritmo proviene (como se comentó anteriormente) de A1ohammed al-Kho Wárizmi, rnatemárico persa que vivió durante el siglo IX y alcanzó gran reputación por el enunciado de las reglas paso a paso para sumar, resrar, multiplicar y dividir números decimales; la traducción al latín del apellido en la palabra algorismus derivó posteriormente en algoritmo. Euclides, el gran matemático griego (del siglo IV a.C.) quien inventó un método para encontrar el máximo común divisor de dos números, se considera con Al-Khowarizmi el otro gran padre de la algoritmia (ciencia que trata de los algoritmos). El profesor Nik.laus Wirth (inventor de Pascal, Modula-2 y Oberon) tituló uno de sus más famosos libros, Algoritmos + Estructuras de datos = Programas, significándonos que sólo se puede llegar a realizar un buen programa con el diseño de un algoritmo y una correcta estructura de datos. Esta ecuación será una de las hipótesis fundamentales consideradas en esta obra. (. " La ·resolución de un problema exige el diseño de un algoritmo que resuelva el problema pro·puesto. ·¡;:;;: Los pas_os para la resolución de un problema son:
.f
Diseñ;.,'Je1 algoritmo, que describe la secuencia ordenada de pasos, sin ambigüedades, que conducen,~_ la solución de un problema dado. (Análisis del problema y desarrollo del algoritmo.)
· ",L Expresar el algoritmo como un programa en un lenguaje de programación adecuado. (Fase de
codificación.) 3. Ejecución y validación del programa por la computadora. Para llegar a la realización de un programa es necesario el diseño previo de un algoritmo, de modo que sin algoritmo no puede existir un programa. Los algoritmos son independientes tanto del lenguaje de programación en que se expresan como de la computadora que los ejecuta. En cada problema el algoritmo se puede expresar en un lenguaje diferente de programación y ejecutarse en una computadora distinta; sin embargo, el algoritmo será siempre el mismo. Así, por ejemplo, en una analogía con la vida diaria, una receta de un plato de cocina se puede expresar en español, inglés o francés, pero cualquiera que sea el lenguaje, los pasos para la elaboración del plato se realizarán sin importar el idioma del cocinero. En la ciencia de la computación y en la programación, los algoritmos son más importantes que los len guajes de programación o las computadoras. Un lenguaje de progra.D?-ación es tan sólo un medio para expresar un algoritmo y una computadora es sólo un procesador para ejecutarlo. Tanto el lenguaje de programación como la computadora son los medios para obtener un fin: conseguir que el algoritmo se ejecute y se efectúe el proceso correspondiente. Dada la importancia del algoritmo en la ciencia de la computación, un aspecto muy importante será el diseño de algoritmos. A la enseñanza y práctica de esta tarea se dedica gran parte de este libro. El diseño de la mayoría de los algoritmos requiere creatividad y conocimientos profundos de la técnica de la programación. En esencia, la solución de un problema se puede expresar mediante un algoritmo.
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CAPÍTULO 3
ALGORITMOS
3.5. 1 Características de los algoritmos Las características fundamentales que debe cumplir todo algoritmo son: • Un algoritmo debe ser preciso e indicar el orden de realización de cada paso. º Un algoritmo debe estar bien definido. Si se sigue un algoritmo dos veces, se debe obtener el
mismo resultado cada vez. • Un algoritmo debe ser finito. Si se sigue un algoritmo, se debe terminar en algún momento; o sea, debe tener un número finiro de pasos. La definición de un algoritmo debe describir tres partes: Entrada, Proceso y Salida. En el algoritmo de receta de cocina citado anteriormente se tendrá:
Entrada: Ingredientes y utensilios empleados. Proceso: Elaboración de la receta en la cocina. Salida: Terminación del plato (por ejemplo, cordero).
Se desea-diseñar un algoritmo para saber si un número es priino o no. Un número es primo si sólo puede dividirse por sí mismo y por la unidad (es decir, no tiene más divisores que él mismo y la unidad). Por ejemplo, 9, 8, 6, 4, 12, 16, 20, etcétera, no son prirh~s, ya que son divisibles por números distintos a ellos m ismos y a la unidad. Así, 9 es divisible entre 3, 8 lo es entre 2, etcétera. El algoritmo de resolución del problema pasa por dividir sucesivamente el número entre.2, . 3, 4.. ., etcétera. l. Inicio. 2 . Poner X i gual a 2 (X - 2 , X variab le que representa a los divis ores d e l núme ro que se busca N) . 3 . Divi dir N entre X (N/X) . 4 . Si el resu ltado de N/X es e ntero, ento n ces N no es un número primo y b ifurcar al punto 7; e n caso con trario, conti nuar e l proceso . X + 1) . 5 . Suma 1 a X (X 6 . Si X es igual a N, en tonces N es un número primo; en ca so contrari o , bifurcar al punto 3. 7 . Fi n .
Por ejemplo, si N es i31, los pasos anreriures serían :
3.5
Concepto y caracterist1cas de algoritmos
Inicio. 2. X = 2.
l. .
3 . 131/X . Come ei res~lLado no es entero, se continúa el proceso . 5. X - 2 + 1, luego X = 3 . 6 . Como X no es 131, se continúa e l proceso.
3. 131/X resultado no es entero . 5. X +- 3 + 1, X = 4 . 6 . Como X no es 131 se continúa el proceso. 3 . 131 /X ... , etc .
Realice la suma de codos los números pares entre 2 y 1 000. El problema consiste en sumar 2 + 4 + 6 -r 8 ... + 1 000. Utilizaremos las palabras SUMA y NÚMERO (variables, serán denominadas más tarde) para representar las sumas sucesivas (2+4), (2+4+6), (2+4+6+8), etcérera. La solución se puede escribir con el siguiente algoritmo: l. Inicio .
Establecer SUMA a O . Establecer NÚMERO a 2 _ ·.<': . 4 ';~ ·sumar . NÚMERO a SUMA . .El r ºesultado. será e l nuevo valor de .la suma2 .·
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en caso c;
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s~ ~ te,~in•5 °:1 ¡;~".":.°:J\ ..·. .
...
'!',:
3.5 .2
l?.Jseño del algoritmo
Una computadora no tiene capacidad para solucionar problemas más que cuando se le proporcionan los sucesivos pasos a realizar. Estos pasos sucesivos que indican las instrucciones a ejecutar por la máquina consti tuyen, como ya conocemos, el algoritmo. La información proporcionada al algoritmo constituye su entrada y la información producida por el algoritmo constituye su salida. Los problemas complejos se pueden resolver más eficazmente con la computadora cuando se dividen en subproblemas que sean m ás fáciles de solucionar que el original. Es el método de divide y vencerás (divide and conquer), mencionado anteriormente, y que consiste en dividir un problema complejo en otros más simples. Así, el problema de encontrar la superficie y la longitud de un círculo se puede dividir en tres problemas más simples o subproblemas (figura 3.15). La descomposición del problema original en subproblemas más simples y a continuación la división de estos subproblemas en otros más simples que pueden ser implementados para su solución en la computadora se denomina diseño descendente (top-down design). Normalmente, los pasos diseñados en el primer esbozo del algoritmo son incompletos e indicarán sólo unos pocos pasos (un máximo de doce aproximadamente). Tras esta primera descripción, ésros se amplían en -una descripción m ás detallada con más pasos específicos. Este proceso se denomina refinamiento del algoritmo (stepwise refinement). Para problemas complejos se necesitan con frecuencia diferentes niveles de refinamiento ames de que se pueda obtener un algoritmo claro, preciso y completo. El problema de cálculo de la circunferencia y superficie de un círculo se puede descomponer en subproblemas más simples: 1) leei datos de entrada; 2) calcular superficie y longitud de circunferencia, y 3) escribir resultados (daros de salida) .
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CAPÍTULO 3
ALGORITMOS
Figura 3.15 Refinamiento de un algoritmo.
le er radi calcula r cal cu l a r escribir
o superficie circunferencia r esultados
leer radio supe rfic i e = 3 .1 41592 * radio 2 circun ferencia= 2 * 3 .141 592 * radio escribir radio, circunferenci a , superficie ft
Las ventajas más importantes del diseño descendente son: • El problema se comprende más fácilmente al dividirse en partes más simples denominadas módulos. • Las modificaciones en los módulos son más fáciles. • La comprobación del problema se puede verificar fácilmente. Tras los pasos anteriores (diseño descendente y refinamiento por pasos) es preciso representar el algoritmo mediante una determinada herramienta de programación: diagrama de flujo, pseudocódigo o diagrama N-5. Así pues, el diseño del algorirmo se descompone en las fases que aparecen en 1a figura 3.16.
3.6 Escritura de algoritmos Como ya se ha comentado anteriormente, el sistema para describir ("escribir") un algoritmo consiste en realizar una descripción paso a paso con un lenguaje natural del cirado algoricmo. Recordemos Diseño de un algorit mo
Diseño descendente
Refi namiento por casos
(1)
(2)
Í
¡ l. Herramienta de
t programación (3) e
.
; - diagrama de fluj o pseudocódigo i- diagrama N-5
l-
Figu ra 3.16 Fases del d iseño de un algoritmo .
3.6
Escritura de algoritmos
que un algoritmo es un método o conjunto de reglas para solucionar un problema. En cálculos elememales estas reglas tienen las siguientes propiedades: • deben ir seguidas de alguna secuencia definida de pasos hasta que se obrenga un resultado coherente, • sólo puede ejecutarse una operación a la vez. El fl ujo de control usual de un algoritmo es secuencial; consideremos el algoritmo que responde a la p regunta:
¿Qué hacer para ver una película? La respuesta es muy sencilla y puede ser descrita en forma de algoritmo general de modo similar a: ir al cine comprar una entrada (billete o ticket) ver la película regresar a casa
El algoritmo consta de cuatro acciones básicas, cada una de las cuales debe ser ejecutada antes de realizar la siguiente. En términos de computadora, cada acción se codificará en una o varias sentencias que realizan una tarea particular. El algoritmo descrito es m uy sencillo; sin embargo, como ya se ha indicado en párrafos ante;¡~~es, el al'g~ritmo general se descompondrá en pasos más simples en un procedim iento denomi,nado refinapúento sucesivo, ya que cada acción p uede descomponerse a su vez en otras acciones simples. Así, por ejemplo, un primer refinamiento del algoritm o ir al cin e se puede .describir de la forrrii siguiente: l. inicio 2 . vei la cartelera d~ cines en el periódico 3 . si _go proyectan " Harry Potter " e n tonce s 3. decidir otra actividad 3.2. bifurcar al paso 7 si n o 3.3 . ir al cine fin si 4. s i hay cola e ntonces 4 . 1 . ponerse en ella 4 . 2 . mien tras haya personas delante hacer 4 .2.1. avanzar en la c o la fin mientr a s fin si 5 . s i hay localidades enton c es 5.1. comprar una entrada 5 . 2. pasar a la sala 5 . 3. localizar la(s) butaca(s) 5.4. mientr as proyectan la pelícu l a hacer 5 . 4.1. ver la película fin mientras 5 . 5 . abandonar el cine s i no 5 . 6 . refunfuñar fin si 6 . volver a casa 7 . fin
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.... .
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ALGORITMOS
En el algoritmo anterior existen diferentes aspectos a considerar. En primer lugar, ciertas palabras reservadas se han escrito deliberadamente en n egrita (mientras, si no; etcétera). Estas pala_bras describen las estructuras de control fundamentales y procesos de ro~a de decisión en el algoritmo. Éstas incluyen los conceptos im_P.ortantes de selección (expresadas por si-entoncessi_no, if-then-else) y de repetición (expresadas con mientras-hacer o a veces repetirhasta e iterar-fin_iterar, en inglés, whil.e-do y repeat-until.) que se encuentran en casi todos los algoritmos, especialmente en los de proceso de datos. La capacidad de decisión permite seleccionar alternativas de acciones a seguir o bien la repetición una y otra vez de operaciones básicas. si proyectan la películ a seleccionada ir al cine si_no ver la t elevisión, ir a l fútbol o leer el peri ódico mientras haya pers onas en la cola, ir avanzando repetidamen t e hasta l l egar a la t aquill a Otro aspecto a considerar es el método elegido para describir los algoritmos: empleo de indentación (sangrado o justificación) en escritura de algoritmos. En la actualidad es tan importante la escritura de programa como su posterior lectura. Ello se facilita con la indentación de las acciones interiores a las estructuras fundamentales citadas: selectivas y repetitivas. A lo largo de wdo el libro la indemación o sangrado· de los algoritmos será norma constante. . Para terminar estas consideraciones iniciales sobre algoritmos, describiremos las acciones necesarias para refinar el algoritmo objeto de nuestro estudio; para ello analicemos la acción: Localizar la(s) butaca(s) . Si los números de los asientos están impresos en la entrada, la acción compuesta se resuelve con el siguiente algoritmo: l . inicio // a l goritmo para encontrar la butaca del espectador 2. caminar hasta l l egar a l a prime r a fila de bu t acas 3 . repetir
compara númer o de fila con ·número i mpreso en b illete si son iguale s entonces pasar a la siguiente fila fin si hasta_que s e l ocal i ce la fil a correcta 4 . mientras núme r o de butaca no coincida con número de billete hacer avanzar a t ravés de la fila a la siguiente but aca fin mientras S . sentarse en la butaca 6 . fin
En este algoritmo la repetición se ha mostrado de dos modos, utilizando ambas notaciones, repetir . . . hasta_ que y mientras . . . fin_mientras. Se h a considerado también, como ocurre normalmente, que el número del asiento y fila coincide con el n úmero y fila rotulado en el billete.
3.7 Representación gráfica de los algoritmos Para representar un algoritmo se debe utilizar algún método que permita independizar dicho algorirrno del lenguaje de programación elegido: Ello permitirá que un algoritmo pueda ser codificado de manera indistinta en cualquier lenguaje. Para conseguir este objetivo se precisa que el algoritm o sea representado gráfica o numéricamente, de modo que las sucesivas acciones no dependan de la sintaxis de ningún lenguaje de programación, sino que la descrip ción pueda servir fácilmenre para su transformación en un programa, es decir, su codificación. Los métodos usuales para representar un algoritmo son:
3.7
Rep resentac ión gráfica de los algoritmos
1. diagrama de flujo,
2. diagrama N-S (Nassi-Schneiderman), 3. lenguaje de especificación de algoritmos: pseudocódigo,
4. Lenguaje español, inglés.. .
5. fórmulas. Los métodos 4 y 5 no suelen ser fáciles de transformar en programas. Una descripción en espanol narrativo no es satisfactoria, ya que es demasiado prolija y generalmente ambigua. Una fórmula, sin embargo, es un buen sistema de representación. Por ejemplo, las fórmulas para la solución de una ecuación cuadrática (de segundo grado) son un medio sucinto de expresar el procedimiento algorírmico que se debe ejecutar para obtener las raíces de dicha ecuación.
xl=(-b+)b 2 -4ac
)/2a
x2
=
(-b-'1b 2 -4ac
)j2a
y significa lo siguiente: 1. Elevar al cuadrado b.
2. Tomar a; multiplicar por e; multiplicar por 4.
3. Restar el resultado obtenido de 2 del resultado de 1, etcétera. Sin embargo, no es frecuente que un algoritmo pueda ser expresado por medio de una simple . fórmula.
''3.7 .1
Pseudocódigo
. "F,-lpseudocódigo o seudocódigo5 es un lenguaje de especificación (descripción) de algoritmos. El uso de tat)enguaje hace el paso de codificación final (esto es, la traducción a un lenguaje de programadó'n) relativamente fácil. Los lenguajes APL Pascal y Ada se utilizan a veces como lenguajes de .: ~,S.P~_cificación de algoritmos. . . El pseudocódigo nació como un lenguaje similar al inglés y era un medio de representar básicamente las estructuras de control de programación estructurada que se verán en capítulos posteriores. Se considera un primer borrador, dado que el pseudocódigo tiene que traducirse posteriormente a un lenguaje de programación. El pseudocódigo no puede ser ejecutado por una computadora. La ventaja del pseudocódigo es que en su uso, en la planificación de un programa, el programador se puede concentrar en la lógica y en las estructuras de control y no preocuparse de las reglas de un lenguaje específico. Es también fácil modificar el pseudocódigo si se descubren errores o anomalías en la lógica del programa, mientras que en muchas ocasiones suele ser difícii el cambio en la lógica, una vez que está codificado en un lenguaje de programación. Otra ventaja del pseudocódigo es que puede ser traducido fácilmente a lenguajes estructurados como Pascal, C , FORTRAN 77190, u orientadas a objetos comó C++, Java, C#, etcétera. El pseudocódigo original utiliza para representar las acciones sucesivas palabras reservadas en inglés, similares a sus homónimas en los lenguajes de programación, tales como start, end, stop, if-then-else, while-end, repeat-until, etcétera. La escritura de pseudocódigo exige normalmente la indentación (sangría en el margen izquierdo) de diferentes líneas. Una representación en pseudocódigo (en inglés) de un problema de cálculo del salario neto el.e un trabajador es la siguiente: start //c á lculo de impuesto y salarios read nombre, horas, precio 5
Las palabras pseudocódigo y seudocódigo todavía n o han sido aceptadas p or el DRAE (www.rae.es) .
73
74
CAPITULO 3
ALGORITMOS
salario - horas * precio tasas - 0 . 25 * salario salario ne to - sal a rio - tasas write nombre , salar io, tas as , sa lario end El algoritmo comienza con la palabra start y finaliza con la palabra end, en inglés (en español, inicio, fin). Entre estas palabras, sólo se escribe una instrucción o acción por línea. La línea precedida por / / se denomina comentario. Es una información al lector del programa y no realiza ninguna instrucción ejecutable, sólo tiene efecto de documentación interna del programa. Algunos autores suelen utilizar corchetes o llaves. No es recomendable el uso de apóstrofos o simples comillas como representan en algunos lenguajes primitivos los comentarios, ya que este carácter es representativo de apertura o cierre de cadenas de caracteres numerosos en lenguajes, y daría lugar a confusión. Otro ejemplo aclaratorio en el uso del pseudocódigo podría ser un sencillo algoritmo del arranque matinal de un coche. inicio //arranque matinal de un coche introducir la l l ave de contacto girar la l lave de contacto pisar el acelerador oír e l ruido del motor pisar de nuevo el acele r ador esperar uno s instantes a que se caliente el motor fin
Por forruna, aunque el pseudocódigo nació como un sustiruto del lenguaje de programación y, por consiguiente, sus-palabras reservadas se conservaron o fueron m uy similares a las del idioma inglés, el uso .del pseudocódigo se ha extendido en la comunidad hispana con términos en español como .inicio, fin, .parada, leer,_escribir, .s i-entonces.- -- si_no; mientras, fin_mientras, .repetir, hasta~que , eccétera..Sin ·duda, el uso de la terminología del pseudocódigo en español ha facilitado y facilitará considerablemente el aprendizaje y uso diario de la programación. En esta obra, al igual que en otras n uestras, utilizaremos el pseudocódigo en español y darem os en su momento las estructuras equivalentes en inglés, a fin de facilitar la traducción del pseudocódigo al lenguaje de programación seleccionado. Así pues, en los pseudocódigos ~icados antes deberían ser suscicuidas las palabras start , end, read, wri te, por inicio, fin, l eer , escribir, respectivamente. inicio
fin
start
end
leer
escribir
re ad
write
3.7.2 Un diagrama de flujo iflowchart) es una de las técnicas de representación de algoritmos más antigua y a la vez más utilizada, aun que su empleo ha disminuido considerablemente, sobre todo desde la aparición de lenguajes de programación orientad os a objeros. Un diagrama de flujo es un diagrama que uriliza los símbolos (cajas) esi:ándar mostrados en la tabla 3. l y que tiene los pasos de algoritmo escriros en esas cajas unidas por flechas, denominadas líneas de flujo, que indican la secuencia en que se debe ejecutar.
3.7
Representación gráfica de los algoritmos
TABLA 3.1 Símbolos de diagram a d e flujo Símbolos principales
Función Term inal (representa el com ienzo, "inicio", y el final, "fin", de un programa_ Puede representar también una parada o interrupción prog ramada que sea necesario realizar en un programa .
/ 7 D
Entrada/Salida (cua lquier tipo de introducción de datos en la mem oria desde los periféricos, "entrada", o registro de la información procesada en un periférico, "salida". Proceso (cualqu ier tipo de operación que pueda originar cambio de valor. formato o posición de la información almacenada en mem oria, operaciones aritméticas, de t ransferencia, etcétera). Decisión (indica operaciones lógicas o de comparación entre datos (normalmente dos) y en función del resultado de la misma determina cuá l de los distintos caminos alternativos del programa se debe seguir; norma lmente tiene dos salidas (respuestas Sí o No) pero puede tener tres o más, según los casos). Decisión múltiple (en función del resultado de la compa ración se seguirá uno de los diferent es caminos de acuerdo con dicho resultado).
Conector (sirve para enlazar dos partes cualesquiera ·de un ordinograma a través de un conec·tor en la ·salidáy otro conector en. la entrada). Se refiere a la.conexión en la misma página qel diagra_ma :. · . · . ··¿:;;,.!,;_ ,
Indicador de dirección o línea de flujo (índica el sentido de ejecución de las operaciones).
l a figura 3 .1 7 es un diagrama de flujo básico. Este diagrama representa la resolución de un programa que deduce el salario neto de un trabajador a partir de la lectura del n ombre, horas trabajadas, precio de la hora, y sabiendo que los impuestos aplicados son el 25% sobre el salario bruto. Los símbolos estándar normalizados por ANSI (abreviatura de American National Standards Ínstitute) son muy variados. En la figura 3.18 se representa una plantilla de dibujo típica donde se contemplan la mayoría de los símbolos utilizados en el diagrama; sin embargo, los símbolos más utilizados repre_sentan: • proceso • decisión • conectores • fin • entrada/salida• dirección del flujo
75
76
CAPITULO3
ALGORITMOS
Problem a: Calcule el salario bruto y el salario neto de un trabajador "por horas" conociendo el nombre, número de horas trabajadas, impuestos a pagar y salario neto.
leer nombre,
horas, precio
bruto .horas * precio
tasas.-0.25 * bruto
1. neto fbruto - tasas 'f
escribir nombre, bruto, tasas, neto
Figura 3.1 7 Diagrama de flujo.
El diagrama de fluj o de la figura 3.1 7 resume sus características: • existe una caja etiquetada "inicio", que es de tipo elíptico, • existe una caja etiquetada "fin" de igual fo rma que la anterior, • si existen otras cajas, normalmente son rect angulares, t ipo rombo o paralelogramo (el resto de las figuras se utilizan sólo en diagramas de flujo generales o de detalle y no siempre son imprescindibles). Se puede escribir m ás de un paso del algoritmo en una sola caja rectangular. El uso de flech as significa que la caja no necesita ser escrita debajo de su p redecesora. Sin embargo, abusar demasiado de esta flexibilidad conduce a diagramas de flujo complicados e ininteligibles.
Subprograma
Entrada/ Sal ida
o o Fi g u ra 3 . 18 Pla nti ll a típica para diagramas d2 fl ujo.
Proceso
77
Representación gráfica de lo; algoritmos
3.7
Calcule la media de una serie de números posirivos, suponiendo que los daros se leen desde un [erminal. Un valor de cero (como emrada) indicará que se ha alcanzado el final de la serie de números posidvos. El primer paso a dar en el desarrollo del algoritmo es descomponer el problema en una serie de pasos sec uenciales. Para calcular una media se necesira sumar y conrar los valores. Por consiguiente, nuesrro algoritmo en forma descriptiva sería:
l . Inicializar contador de númer os C y variable suma s . 2 . Leer un número . 3. Si el número leído es cero : calcular la media; imprim:r la media ; • fin del proceso . Si el número leído n o es cero : calc~lar la suma ; incrementar en uno el contador de números ; ir al paso 2 . 4 . Fin .
El.refinamie~ro del algorirmo cond~ce a los pasos sucesiv.os necesarios para realizar.)as~operaciones .de· 1~crura, verificación del úhim~ dato; .sumaymedÚi de lo.s daros. .. . ·· · .· .. : <·• . . · .· · ·:.S i el_prúner dato leído ei ó; la di-ri.si~n s'tc""producirá W1 error si algoriuno ,se ejeci:;:rara en u.r;_a ~ coi;-iputadpra, ya_'9úe eii.' ~!la no.esta pe~miri~a .la di:"í.$ión _em¡e cefo. . . . . '(< . .
Se desea realiz.ar el algoritmo que resuelva el siguiente problema: cálculo de los salarios mensuales de los empleados de una em- · presa, sabiendo que éstos se calculan con base en las horas semanales trabajadas y de acuerdo con un precio especificado por horas. Si se pasan de 40 horas semanales, las horas extraordinarias se pagarán a razón de 1.5 veces la hora ordinaria. Los cálculos son: l. Leer datos del archivo de la empresc., hasta que se encuentr e la ficha final del archiv o (HORAS, PRECIO_HORA, NOMBRE) . 2. Si HORAS<= 40, entonces SALARIO es el producto de horas por PREC I O HORA. 3 . Si HORAS > 40, enton ces SALARIO es la suma de 4 0 veces PRECIO HOR.~ más 1 . 5 veces PRECIO_HORA por (HORAS-40).
El diagrama de flujo completo del algoritmo y la codificación en pseudocódigo se indican a cominuación:
3.7
Diagrama de flujo
Pseudocódigo
gp
real: horas, p recioH ora, sal ario cadena: nombre caracter: masDatos
~~~~~-~~~~-''--~~~~~
Leer
inicio escribir
HORAS, PRECI O HORA NOM BRE
( 'In~rodu cir
h oras , precio hora
y nombre ' )
' SALARl:::l = HOR.A.S* PRECIO HORA
79
Reoresenrac ión grái1ca de los algoritmos
40* PRECIO HORA + 1.5* PRECIO HORA (HORAS- 40)
r epetir escribi r ( 'Nomb r e ' ) leer (Nombre ) escribir ( 'Hora s trabajadas' ) leer (horas) escribir (' Preci o hora ' ) leer (precio Hora) si (horas <= 40) entonces Salario horas * precioHora sino Salario - 40 * precioHora T 1 . 5 * (horas - 40) preciohora fin si · escribir ( ' Salar io de.,' , · nombre, sa l ar i o ) escribi r ( ' Mas trabajad.o r es S / N') ""~'" leer .{rnasDatos") · *"·~ ·,?~: · .·~\7' ~,·\'t.; 1N1 hasta masDatos,.
Dados tres números, determine si la suma de cualquier pareja de ellos es igual al tercer número. Si se cumple esta condición, escribir "Iguales" y, en caso contrario, escribir "Distintas". En el caso de que los números sean: 3 9 6
la respuesta es "Iguales", ya que 3 + 6 = 9. Sin embargo, si los números fueran: 2 3 4
el resultado.sería "Distintas". Para resolver este problema, se puede comparar la suma de cada pareja con el tercer número. Con tres números solamente existen_tres parejas distintas y el algoritmo de resolución del problema será fácil.
..
.
l. Leer · 1os tres va~ores, A~ B y C :_ ~
2 . Si A + B C esdribir "Iguales " y- parar . >::<:""::·'. > / .·.·· 0
El diagr~~~N-S de Nassi Schneiderman (también conocido com o diagrama de Chapin) es como un diagra%€ de flujo en el que se omiten las flechas de unión y las cajas son contiguas. Las acciones sucesiV.¡Tu se escriben en cajas sucesivas y, como en los diagramas de flujo, se pueden escribir . diferentes acciones en una caja. . ~:l '
~~
:~¡
l~iagrama de flujo
Pseudocódigo
r¿t:.·
~
~
sí
sí
sí
escribir "distintas"
escribir "iguales"
entero : a, b, c inicio esc ribir ( ' test con tres números :') l e e r (a , b, c) si (a + b = c) entonces escribi r ( ' Son i guales ' , a , ' + I / b, ' = ' s ino s i ( a + c = b) entonces escribir ( ' Son iguales ' , a, ' + ' , c , ' = ' s ino si (b + c = a) entonces escribir ( ' Son i guales ' , b I ' "T". 1 I c, ' = ' sino escribir ( ' Son dist intas ') fin si fin si fin si fin
Figura 3 .19 Diagrama de flujo y codificación en pseudocódigo (ejemplo 3.1 1).
I
c)
I
b)
I
a)
82
CAPITULO3
ALGORITMOS
leer nombre, horas, preci o cal cular salario
- horas
calcular i mpu estos
- 0.25
* precio * salario
calcular neto salario impues t os
-
escribir nombre, salario, impuestos, neto nombre del a lgoritmo
.. . fin ··· -· ·Figura 3 .20 Representación gráfica N-5 de un algoritmo ... .
Un algoritmo se representa con un rectángulo en el que cada banda es una acción a realizar (figura 3.20).
Otro ejemplo es la representación de la estructura condicional (figura 3.2 1) .
las h~ras que paserr de 35 se pagan a l.5 veces latarifa normal, las tasas de impuestos son: ~) los primeros 1 000 dólares son libres de impuestos, .b) los siguienres 400 dólares tienen un 25% de impuesros, e) los restantes, un 45% de impuestos,
6)
a)
lcondíción? sí
acción 1
no
acción 2 < acciones>
Fi g u ra 3.21 Estructura condicíonal o selectiva a) diagrama de fluj o: 6) diagrama N-5.
E¡erc1c1os
83
• la rarifa horaria es 15 dólares. También se desea escrib ir el nombre. salario bruro, rasas y salario nero (este ejemplo se deja como ejercicio para el alum120). ¡ .. ..................... .. .. . . ......... . . ......... .. .. .... . .. .... . ..... ..... . . ....... .. ........ . . . . . ... .. .......... ..... .. ... . ...... .. .. .
Un método general para la resolució n de un problema con computadora tiene las siguientes fases: 1 . Análisis del programa 2. Diseño del algoritmo. 3 . Codificación. 4. Compilación y ejecución. 5. Verificación. 6. Documentación y mantenimiento. El sistema más idóneo para resolver un problema es descomponerlo en módulos más sencillos y luego, mediante di-
·.. ,
señas descendentes y refinamiento sucesivo, llegar a módulos fácilmente codificables. Estos módulos se deben cod ifi ca r con las estructures de control de programación estructurada. 1. Secuenciales: las inst rucciones se ejecutan sucesivamente una después de otra . 2 . Repetitivas: una serie de instrucciones se rep iten una y otra vez hasta que se cumple una cierta condición. 3 . Selectivas: permite elegir entre dos alternativas (dos conjuntos de instrucciones} dependiendo de una condición determinada}.
84
CAPÍTULO 3
ALGORITMOS
es una palabra que se lee igual en ambos sentidos . como "radar". '· ·., ·3.14 Escriba ·un algoritmo que cuente el número de ocu-
rrencias de cada letra en una palabra ·leída como entrada. Por ejemplo, "Mortime r" contiene dos "m", una "o", dos "r", una "i", una "t" y una "e" . 3.15 Muchos bancos y cajas de ahorro calculan los intere-
ses de las cantidades depositadas por lo's clientes diaria mente según las premisas siguientes. Un capital de
de($~;~~;~~~~~,¡~.:·
1.000 dólares, con una tasa de interés un .interés en un día de 0.06 multiplicaqoJp(:>~tifri.o~q;ft · y dividido entre 365. Esta operación Rrodq~.ii~!\q~tt~\r· . dólares de interés y el capital acumulad?;;~~~~~¡:!~~( 1 000.16. El interés para el segundo día se ·cáléil~@;~;:.'. multiplicando 0.06 por 1 000 y dividiendo él resúlfa'-'::o' do entre 365. Diseñe un algoritmo que reciba trés :eB?:<, tracias: el capital a depositar, la tasa de' interés'·~~:ta]( duración del depósito en semanas, y calc'liJ~· eJ.i ca¡}\taf"T total acLJmu lado al final de!·periodo especificadO);'~,:;<; . . . , ... .., .... . ...:;_: .. ,·
:~· ·
~-
l. Explique los concepms básicos para la formulación de al.goritmos, así como sus ventajas y desventajas.
· ··.~~ ~ -~
.. .. "
3 . Resuelva y analice problemas cotidianos .
· 2. Genere un catálogo de problemas para su análisis-y solución.
4. Investigue los diferentes métodos para representar un algo~ rirmo:.di-agrama de flujo, N-S (Nassi-Shneiderm an).
l. Imagine una aplicación simple de ingeniería (por ejemplo, resolver un sistema de ecuaciones, cálculo de la superficie de una figura geométrica).
9 . Escriba un algoritmo para fabricar requila ·reposado, primero en rexro narrado y después en pseudocódigo y diagrama de flujo.
2. Proponga las erapas para ia resolución del problema. 3 . Considere la descomposición del problema en módulos. 4. Escriba el algorirmo que resuelve el problema en c.m diagrama de flu jo y en un pseudocódigo. 5. Busque en interner el concepro de programación estructurada y ;.;.mplíe los concepros explicados en clase y en el li bro. 6. Busque en inrerner información sobre programación orienrada a objetos y lenguajes de programación orientada a objeros. 7 . Busque y esrudie la información encontrada sobre programació n modular y fonciones. 8. Escriba un algorirmo para hacer guacamole; primero en rexto narrado " después en pseudocódigo y di agrama de flujo.
10. Escriba un algoritmo para ir al cine o a un concierto de Maná en Veracruz el próximo domingo comprando la entrada en un comercio electrónico de inrerner (se supone que puede esrnr en Veracruz o en orra ciudad d e México). i i. Escriba un algoritmo para efectuar una compra de un libro de programación por interner en un comercio electrónico; por ejemplo en la rienda Amazon. 12. Busque información sobre diagramas N-5 al objero de ampliar los concepros explicados en d libro y diseñar los algorirmos de "guacamole" y "tequila reposado" y "compra de un libro en Amazon" mediante diagramas N-S. 13. Busque)' descargue alguna herramiema de software libre .(preferenremenre graru i ra) para realización de diagramas de flujo. Una vez que la renga inscalada rrare de hacer los gráficos de los algorirmos 5, G y 7, comparando con las realizad;is por usted mismo manualmenre.
• Tener una visión global de los conceptos básicos de la estructura de un programa de computadora. Como obj etivo complementario escribir un programa sencillo en un lenguaje de programación (C, C+ + o Java) para lo cual deberá seguir las prácticas a real izar en clase y estudiar a fondo el apéndice A, donde se explican las estructuras bási cas de un programa en los lenguajes citados. Al finalizar el capítulo el alumno deberá ser capaz de: Conocer la estructura básica de un programa escrito en un lenguaje de programación primero en forma general mediante pseudocódigo. • Traducir algoritmos sencillos a pseudocódigo y diagramas de flujo en forma de programa. Conocer la estructura básica de un programa en c y de programas sencillos en C++ y Java. En este caso deberá estudiar el apéndice A, una vez haya terminado este capítulo, en paralelo o cuando el maestro o profesor así lo considere oportuno .
• Familiarizarse con los componentes básicos de un programa . Explorar los tipos primitivos de datos. Descubrir cómo utilizar los operadores aritméticos. Examinar el modo en que un programa evalúa las expresiones aritméticas. • Explorar cómo se evalúan expresiones mixtas. • Ap render la conversión de tipos de datos (casting). • Conocer los métodos para introducir datos y extraer y visualizar resultados en dispositivos de salida. Descubrir cómo crear un programa completo. Explorar cómo estructurar adecuadamente un programa incluyendo el uso de comentarios .para documentar un programa. Aprender el concepto de función y escribir una f unción sencilla. Aprender y comprender la escritura y uso de instrucciones o sentencias de asignación. Identificar y conocer las primeras reglas de estilo de escritura de un programa .
4.2 Partes constitutivas de un programa 4.3 Instrucciones y tipos de instrucciones 4.3.1 Tipos de instrucciones 4.3.2 Instrucciones de asignación 4.3.3 Instrucciones de lectura de datos (entrada) 4.3.4 Instrucciones de escritura de resu ltados (salida) 4.3 .5 Instru cciones de bifurcación 4.4 Elementos básicos de u n programa 4.5 Datos, tipos de datos y operaciones p rimit ivas 4.5 .1 Datos numéricos 4.5.2 Dato s lógicos (booleanos)
4.5.3 Datos tipo carácter y tipo cadena 4.6 Co nstantes y va riables
4.6.1 Declaración de constantes y variables 4.7 Expresiones 4. 7 .1 Expresiones aritméticas 4.7.2 Reglas de prioridad 4. 7 .3 Expresiones lógicas (boo leanas) 4.8 Funciones internas 4.9 La operación de asignación 4.9.1 As ignación aritmética 4.9.2 As ignación lógica 4.9.3 Asignación de cadenas de caracteres 4.9.4 Asig na ción múltiple 4.9.5 Conversión de tipo 4 .1 o Entrada y salida de información
4.11 Escritura de algoritmos/programas
4.11 .1 4.11.2 4 .11 .3 4.11 .4
Cabecera del programa o algoritmo Declaración de variables Declaración de constantes numéricas Declaración de constantes y variables carácter
4 .11.5 Comentarios 4.11 .6 Estilo de escritura de algoritmos/ programas
comPe:Te:flCIAS e:spe:clFICAS A oe:SARROLLAR • Conocer las características principales de un lenguaje de programación. Codificar algoritmos en un lenguaje de programación.
j ...
• Compilar y ejecutar programas.
4.1 Concepto de programa Un programa de computadora es un conjunto de instrucciones (órdenes dadas a la máquina) que producirán la ejecución de una determinada tarea. En esencia, un programa es un medio para conseguir un fin . El fin será probablemente definido corno la información necesaria para solucionar un problema. · El proceso de programación es, por consiguiente, un proceso de solución de problemas (corno ya se vio en el capítulo 3) y el desarrollo de un programa requiere las siguientes fases: ~···
J. defini~j.on ,.. y análisis del problema; :. algoritmos: 2. diseño .:.de ·~ ·
• diag~ama de flujo, .,
• diagrama N-S, • pseJ~ocódigo; .-.•:--
3. codificación del programa;
4. depuración y verificación del programa; 5. documentación; 6. mantenimiento. Las fases 1y2 ya han sido analizadas en los capírulos anteriores y son el objetivo fundamental de este libro; sin embargo, dedicaremos atención, a lo largo del libro en los apéndices, a las fases 3, 4, 5 y 6, aunque éstas son propias de libros específicos sobre lenguajes de programación.
[ Figura 4 .1 El proceso de la programación
: '·."~
88
CAPÍTULO 4
INTRODUCCIÓN A LA PROGRAMACIÓN
4.2 Partes constitutivas de un programa Tras la decisión de desarrollar un programa, el programador debe establecer el conjunto de especificaciones que debe contener el programa: entrada, salida y algoritmos de resolución, que incluirán las técnicas para obtener las salidas a partir de las entradas. Conceptualmente un programa puede ser considerado como una caja negra, como se muestra en la figura 4 .2. La caja negra o el algoritmo de resolución, en realidad, es el conjunto de códigos que transforman las entradas del programa (datos) en salidas (resultados) . El programador debe establecer de dónde provienen las entradas al programa. Las entradas, en cualquier caso, procederán de un dispositivo de entrada (teclado, disco ... ). El proceso de introducir la información de entrada (datos) en la memoria de la computadora se denomina entrada de datos, operación de lectura o acción de leer. Las salidas de daros se deben presentar en dispositivos periféricos de salida: pantalla, impresoras, discos, etcétera. La operación de salida de datos se conoce también como escritura o acción de escribir.
4.3 Instrucciones y tipos de instrucciones El proceso de diseño del algoritmo o posteriormente de codificación del programa consiste en definir las acciones o instrucciones que resolverán el problema. Las acciones o instrucciones se deben escribir y posteriormente almacenar en memoria en el mismo orden en que han de ejecutarse, es decir, en secuencia. Un programa puede ser lfoeal o no lineal. Un programa es lineal si las instrucciones se ejecutan secuencialmente, sin bifurcaciones, decisión ni comparaciones. instrucción l instrucción 2
instrucción n
En el caso del algoritmo las instrucciones se suelen conocer como acciones, y se tendría: acción 1 acción 2
acción n
Un programa es no lineal cuando se interrumpe la secuencia mediante instrucciones de bifurcación .
Entrada ·
Programa (algoritmo de resolución) Figura 4.2 Bloques de un programa.
Salida
4.3
Instrucciones y tipos de instrucc iones
89
acción l acción 2
acción x acción n acción n + i
4.3 .1 Tipos de instrucciones Las instrucciones disponibles en un lenguaje de programación dependrn tlei tipo de lenguaje. Por ello, en este apartado esrudiaremos las instrucciones, acciones básicas que se pueden implementar de modo general en un algoritmo y que esencialmente soportan todos los lenguajes. Dicho de otro modo, las instrucciones básicas son independientes del lenguaje. La clasificación más usual, desde el punto de vista anterior, es:
1. instrucciones de inicio/fin 2. instrucciones de asignación,
· 3. instrucc.iones de Lectura,
.'i'(.°
·'..
4. instrucciones de esc1·itura,
4.3 .2 Instrucciones de asignación Como ya son conocidas del lector, repasaremos su funcionamiento con ejemplos: a) A - 80 la variable A toma el valor de 80 .
b) ¿Cuál será el valor que tomará la variable e tras la ejecución de las siguientes instrucciones? 12
Antes de la ejecución de las tres instrucciones, el valor de .r:.., B y e es indererminado. Si se desea darles un valor inicial, habrá que hacerlo explícitamente, incluso cu~do este valor sea o. Es decir, habrá que definir e inicializar las instrucciones.
e) ¿Cuál es el valor de la variable AUX al ejecutarse la instrucción s? l. A 2. B -
10 20
3. AUX - A 4. A B
5. B - AUX
• en la instrucción
1, A
toma el valor
10
• en la instrucción 2, B toma el valor 20 • en la instrucción
3, AUX
• en la instrucción
4, A
toma el valor anterior de A, o sea 10
toma el valor anterior de
B,
o sea 20
• en la instrucción 5, B toma el valor anterior de AUX, o sea • uas la instrucción 5, AUX sigue valiendo
d) ¿Cuál es el significado de N
•_•, .
. l·. ~ :.
-
N
10
10 .
+ 5 si N tiene el valor actual de 2?
Se realiza el cálculo de la expresión N + 5 y su resultado 2 + 5 = 7 se asigna a la variable situada a la izquierda, es decir, N tomará un nuevo valor 7 . Se debe pensar en la variable como en una posición de memoria, cuyo contenido puede variar mediante instrucciones de asignación (un símil suele ser un buzón de correos, donde el número de cartas depositadas en él variará según el movimiento diario del car.tero de introducción de cartas o del dueño del buzón de extracción de dichas canas) .
4.3 .3 Instrucciones de lectura de datos (entrada) Esta instrucción lee daros de un dispositivo de entrada. ¿Cuál será el significado de las instrucciones siguientes?
a)
leer (NÚMERO,
HORAS,
TASA)
Leer del terminal los valores NÚMERO, HORAS y TASAS, archivándolos en la memoria; si los tres números se teclean en respuesta a la instrucción son 1 2325, 32 , 12 00, significaría que se han asignado a las variables esos valores y equivaldría a la ejecución de las instrucciones. NÚMERO -
12325
HORAS - 32 TASA - 1200
b)
leer (A,
B,
e)
Si se leen del terminal A
100
B
200
e
300
1 OO,
2 OO,
3 00 ,
se asignarían a las variables los siguientes valores:
Estas insi:rucciones se escriben en un dispositivo de salida. Explicar el resultado de la ejecución de las siguienres insrrucciones: A 100 B - 20 0 e - 300 escribir (A , B, C)
Se visualizarían en la pantalla o imprimirían en la impresora los valores 100, 200 y 300 que contienen las variables A, B y c.
4.3 .5 Inst ruccio nes de bifurcació n El desarrollo lineal de un programa se interrumpe cuando se ejecuta una bifurcación. Las bifurcaciones pueden ser, según el punto del programa a donde se bifurca, hacia adelante o hacia atrás. Bifurcación adelante (positivo)
Bifurcación atrás (negativo)
ins t rucción 1 ins trucción 2 in strucción 3
ins trucción 1 instrucción 2 instrucción 3
instrucción 8
d última instrucción
J
i nstrucción 12
J
última instrucción
Las bifurcaciones en el flujo de un programa se realizarán de modo condicional en función del resuhado de la evaluación de la condición. Bifurcación incondicional: la bifurcación se realiza siempre que el flujo del programa pase por la instrucción sin necesidad del cumplimiento de ninguna condición (véase figura 4.3). Bifurcación condicional: la bifurcación depende del cumplimiento de una determinada condición. Si se cumple la condición, el flujo sigue ejecutando la acción F2 . Si no se cumple, se ejecuta la acción Fl (véase figura 4.4).
4.4 Elementos básicos de un prog rama En programación se debe separar la diferencia entre el diseño del algoritmo y su implementación en un lenguaje específico. Por ello, se debe distinguir claramente entre los conceptos de programación y el medio en que ellos se implementan en un lenguaje específico. Sin embargo, una vez que se comprenda cómo utilizar los conceptos de programación, el aprendizaje de un nuevo lenguaje es relativamente fácil. Los lenguajes de programación, como los restantes lenguajes, tienen elementos básicos que se utilizan como bloques constructivos, así como reglas para las que esos elementos se combinan. Estas reglas se denominan sintaxis del lenguaje. Sólo las instrucciones sintácticamente correctas pueden ser interpretadas por la computadora y los programas que contengan errores de sintaxis son rechazados por la máquina. Los elementos básicos constitutivos de un programa o algoritmo son:
..
.·,
92
CAPÍTULO 4
INTRODUCCIÓN A LA PROGRAMACIÓN
Programa
+
Datos programa ejecutable
Computadora
Resultados Modificación programa fuente
Programa fuente
Compilador
sí
.GFJ Montador
1----JJ!>~
1
'-----------'
Programa ejecutable ~
1
Ejecución
Figura 4.3 Fases de la ejecución de un programa.
no
acción F1
sí
acción F2
Figura 4.4 Bifurcación cond icional .
• palabras nservadas (inicio, fin, si- entonces ... , etcétera), • identificadores (nombres de variables esencialmente, procedimientos, funciones, nombre del programa, etcétera),
Además de estos elementos básicos, existen orros que forman parre de los programas, cuya comprensión y funcionamiento será vital para el com~cto diseño de un algoritmo y naturalmente la codificación del programa. Estos elementos son:
1. secuenciales, 2. selectivas, 3. repetitivas. El amplio conocimiento de todos los elementos de programación y el modo de su integración en los programas constituyen las técnicas de programación que todo buen programador debe conocer.
4.5 Datos, tipos de datos y operaciones primitivas El primer objetivo de toda computadora es el manejo de la información o datos. Estos daros pueden ser las cifras de ventas de un supermercado o las calificaciones de una clase. Un dato es la expresión general que describe los objetos con los cuales opera una computadora. La mayoría de las computadoras pueden trabajar con varios tipos (modos) de datos. Los algoritmos y fos programas correspondientes operan sobre esos tipos de datos. La acción de las instrucciones ejecutables de las computadoras se refleja en cambios en los valores de las partidas de datos. Los datos de entrada se transforman por el programa, después de las etapas ·imermedias, en daros de salida. En el proceso de resolución de problemas el diseño de la estructura de datos es tan importante como el diseño del algoritmo y del programa que se basa en el mismo. Un programa de computadora opera sobre datos (almacenados internamente en la memoria, almacenados en medios externos como discos, memorias· USB, memorias de teléfonos celulares, etcétera, o bien introducidos desde un dispositivo como un teclado, un escáner o un sensor eléctrico). En los lenguajes de programación los datos deben ser de un tipo de dato específico. El tipo de datos determina cómo se representan los datos en la computadora y los diferentes procesos que dicha computadora realiza con ellos. Existen dos tipos de datos: básicos, incorporados o integrados (estándar) que se incluyen en los lenguajes de programación; definidos por el programador o por el usuario. Además de los datos básicos o simples, se pueden construir otros datos a partir de éstos, y se obtienen los datos compuestos o daros agregados, tales como estructuras, uniones, enumeraciones, vectores o matrices/tablas y cadenas "arrays o arreglos"; también existen otros datos especiales en lenguajes como C y C++, denominados punteros (apuntadores) y referencias. - Existen dos tipos de datos: simples (sin estructura) y compuestos (estructurados). Los distintos tipos de datos se representan en diferentes formas en la computadora. En la máquina, un dato es un conjunto o secuencia de bits (dígitos O o 1). Los lenguajes de alto nivel permiten basarse en abstracciones e ignorar los detalles de la representación interna. Aparece el concepro de tipo de daros, así como su representación . Los tipos de daros básicos son los siguientes:
',
....
94
CAPITULO 4
INTRODUCCIÓN A LA PROGRAMACIÓN
n uméricos (entero, real) lógicos (boolean) carácter (caracter, cadena) Existen algunos lenguajes de programación, FORTRAN esencialmente, que admiten otros tipos de daros: complejos, que permiten tratar los números complejos, y orros lenguajes (Pascal, C, C++, Java), que también permiten declarar y definir sus propios tipos de daros: enumerados (enumerated} y subrango (subrange) .
4. 5.1 Datos numéricos El tipo numérico es el conjunto de los valores numéricos. ·Éstos pueden representarse en dos formas distintas: • tipo numérico entero (integer) . • tipo numérico real (real) . Enteros: el tipo entero es un subconjunto finito de los números enteros. Los enteros son números
completos, no tienen componentes fraccionarios o decimales y pueden ser negativos o positivos. Ejemplos de números enteros son: 5
6
-15 20 1 340
4 17 26
Los números enteros se pueden representar en 8, 16 o 32 bits, e incluso 64 bits, y eso da origen a una escala de enteros cuyos rangos dependen de cada máquina Em eros - 32 . 768 a32 . 767 Enteros corros -128 a 127 Enteros largos - 21 4 7 4 8 3 6 4 8 a 21 4 7 4 8 3 6 4 7 Además de los modificadores corto y l argo, se pueden considerar sin signo (unsigned) y con signo (signed).
sin signo: o . . 65 . 5350
o ..
4294 9672 96
Los enteros se denominan en ocasiones n úmeros de punto o coma fija. Los números enteros máximos y mínimos de una computadora 1 suelen ser -32. 768 a +32 . 767. Los números enteros fuera de este rango no se suelen representar como enteros, sino com o reales, aunque existen excepciones en los lenguajes de programación modernos como C, C++ y Java. R eales: el ti po real consiste en un subconjunro de los números reales. Los números reales siempre
tienen un punto decimal y pueden ser positivos o negativos. Un número real consta de un entero y una parre decimal. Los siguientes ejemplos son números reales: 0.08 3 . 7 452 - 8 . 12
3739. 41 -52 . 32 1 3.0
En aplicaciones científicas se requiere una represem ac1on especial para manejar números muy grandes, como la masa de la Tierra,· o muy pequeños, corno la masa de un electrón. Una 1
En compuradoras de 16 bits como IBM PC o compatibles.
4.5
Datos, tipos de datos y operaciones primitivas
compmadora sólo puede representar un número fijo de dígitos. Este número puede variar de una máquina a orra, aunque ocho dígitos es un número· típico. Este límite provoca problemas para representar y almacenar números muy grandes o muy pequeños como son los ya citados o los siguientes: 4867213432
0.00000000387
Exisre un tipo de representación denominado notación exponencial o cientifica y que se utiliza para números muy grandes o muy pequeños. Así, 367520100000000000000
se representa en notación científica descomponiéndolo en grupos de tres dígitos 367
520
100
000
000
000
000
y posteriormente en forma de potencias de 1O 3.67520 1
1 020
X
y de modo similar .0000000000302579
se representa como 3.02579
X
10-ll
.La representación en coma flotante es una generalización de notación científica. Obsérvese que. las siguientes expresiones son equivalentes: .<;~'¡.J.67520 1 X 1019 = . 3675207 X 10 2º = .03675201 : ....:_~ = 36 .75201 X 1018 = 367.5201 X 1 0 17
X
'..t · " · • ..._- •.
. ""·' - ,: .. . .
1 0 21
~
;:En estas expresiones se considera la mantisa (parre decimal) al número real y el exponente (p.~5~e potencial) el de la potencia de diez. ' 36 . 75201
mantisa
18
exponente
Los tipos de daros reales se representan en coma o pllilto flotante y suelen ser de simple p recisión, doble precisión o cuádruple precisión y suelen requerir 4 bytes, 8 bytes o 10-12 bytes, respectivamente. La tabla 4.2 muestra los datos reales típicos en compiladores C/C++.
4.5 .2 Datos lógicos (booleanos) El tipo lógico, también denominado booleano, es el claro que sólo puede tomar uno de dos valores: c ier t o o ver dad ero
(true) y f a lso (false).
Este tipo de datos se utiliza para representar las alternativas (sí/no) a determinadas condiciones. Por ejemplo, cuando se pide si un valor entero es par, la respuesta será verdadera o falsa, según sea par o impar. C++ y Java soponan el tipo de dato bool. TABLA 4.2 Tipos de datos reales (coma flotante) en el lenguaje C/C + +
4 .5.3 Datos tipo carácter y tipo cadena El tipo carácter es el conjunto finiro y ordenado de caracteres que la computadora reconoce. Un dato tipo carácter contiene un solo carácter. Los caracteres que reconocen las diferentes computadoras no son estándar; sin embargo, la mayoría reconoce los siguientes caracteres alfabéticos y numéricos: • caracteres alfabéticos (A, B, e, ... , z) (a, b, e, .. ., z), • caracteres numéricos (1, 2, .. ., 9, o), • caracteres especiales(+,-,*, /, A' . ,;,<,>, $, .. .). Una cadena (string) de caracteres es una sucesión de caracteres que se encuentran delimitados por una comilla (apóstrofo) o dobles comillas, según el tipo de lenguaje de programación. La longitud de una cadena de caracteres es el número de ellos comprendidos entre los separadores o !imitadores. Algunos lenguajes tienen datos tipo cadena. 'Hola Mor timer ' ' 12 de octubre de 1492' ' Sr . McKoy '
4.6 Con stantes y va riables Los programas de computadora contienen cienos valores que no deben cambiar durante la ejecución del programa. Tales valo"res se llaman constant es. De igual forma, existen otros valores que cambiarán durante la ejecución del programa; a estos valores se les llama variables. Una const ante es un dato que permanece sin cambios durante todo .el desarrollo del algoritmo o durante la ejecución del programa .
Una constante tipo carácter o constante de caracteres consiste en un carácter válido encerrado dentro de apóstrofos; por ejemplo, 'B'
l
+'
1
41
l. l
'
Si se desea incluir el apóstrofo en la cadena, en ronces debe aparecer como un par de apóstrofos, encerrados dentro de simples comillas.
Una secuencia de caracteres se denomina n orm almente una cadena y una constante tipo cadena es una caden a encerrada entre apóstrofos. Por consiguiente, 'Jua n Mingue z '
y 'Pepe Lui s Ga rc i a '
4.6
Constantes y variables
son constantes de cadena válidas. Nuevameme, si un apóstrofo es uno de los caracteres en una constante de cadena, debe aparecer como un par d e apóstrofos. ' John ' 's'
Co nsta ntes lógicas (boolean) Sólo existen dos constantes lógicas o boolean: verda dero fa lso
La mayoría de los lenguajes de programación permiten diferentes tipos de constantes: enteras, reales, caracteres y boolean o lógicas, y representan datos de esos tipos. Una variable es un objeto o tipo de datos cuyo valor puede cambiar durante el desarrollo del algoritmo o ejecución del programa. Dependiendo del lenguaje, hay diferentes ªRºS de variables, tales como enteras, reales, carácter, Lógicas y de cadena. Un a variable que es de un ci~no tipo puede tomar únicamente valores de ese ripo. Una variable de carácter, por ejemplo, puede tomar como valor sólo caracteres, mientras que una variable entera puede tomar sólo valores enteros. Si se intenta asignar un valor de un tipo a una variable de otro tipo se producirá un error de tipo o de tipos incompatibles. Una variable se identifica por los siguientes atributos: nombre que lo asigna y tipo que describe el uso de la variable. Los nombres de las variables, a veces conocidos como identificadores, suelen constar de varios ca~acterés alfanuméricos, de los cuales el primero normalmente es una letra. N o se deben utilizar, aunque lo y;_e rmita el lenguaje, caso de FORTRAN, como nombres de identificadores palabras reservadas . cfél ,, lenguaje de programación. Nombres válidos de variables son: .
'
' •'"'..,:
A510
._i,;
NOMBRES
'~~'~ NOTAS ~'. NOMBRE ' APELLIDOS 2
Letra
SalarioMes
Horas
SegundoApe l lido
Sal a rio
Ciudad
Los nombres de las variables elegidas para el algoritmo o el programa deben ser significativos y tener relación con el objeto que representan, como pueden ser los casos siguientes: NOMBRE
para representar nombres de personas
PRECIOS
para representar los precios de diferentes artículos
NOTAS
para representar las notas de una clase
Existen lenguajes en los que es posible darles nombre a determinadas constantes rípicas utilizadas en cálculos matemáticos, financieros, etcétera. Por ejemplo, las constantes 1C = 3.141592 ... y e = 2.7 18228 (base de los logaritmos namrales) se les pueden dar los nombres PI y E . PI
=
3 . 141592
E = 2 . 718228
4.6. 1 Declaración de const antes y variables Normalmente los identificadores de las variables y d e las constantes con nombre deben ser declaradas en los programas antes de ser utilizadas. La sintaxis de la declaración de una variable suele ser: [=j
2
Alg unos leng uajes de programación admiren como válido d carácter subrayado en los idemificadores.
97
98
CAPÍTULO 4
INTRODUCCIÓN A LA PROGRAMACIÓN
4. 7 Expresiones Las expresiones son combinaciones de consrames, variables, símbolos de operación, paréntesis y nombres de funciones especiales. Las mismas ideas son utilizadas en notación matemática tradicional; por ejemplo, a + (b + 3) + -JC
Aquí los paréntesis indican el orden de cálculo y .,¡--- representa la función raíz cuadrada. Cada expresión roma un valor que se determina·tomando los valores de las variables y constames implicadas y la ejecución de las operaciones indicadas. Una expresión consta d e operandos y operadores. Según sea el tipo de objetos que manipulan, las expresiones se clasifican en: • aritméticas, • relacionales, • lógicas, • carácter.
El resulrado de la expresión arirmérica es de tipo numérico; el resultado de la expresión relacional y de una expresión lógica es de tipo lógico; el resultado de una expresión caráccer es de tipo carácrer.
4. 7 .1 Expresiones a ritmétkas Las expresiones aritméticas son análogas a las fórmulas matemáticas. Las variables y constan tes son numéricas (real o entera) y las operaciones son las aritméticas . suma resta
*
multiplicación
/
división
i)
* *' , . .
exponenciación
div, /
división entera
mod, 1:
módulo (resro)
4.7
Los símbolos +, -, * , aritméticos. En la expresión
A
(
o * *) y las palabras clave
;
div
Expresiones
y rnod se conocen como operadores
5 + 3
los valores 5 y 3 se denominan operandos. El valor de la expresión 5 + 3 se conoce como resultado de la expresión . Los operadores se utilizan de igual forma que en matemáticas. Por consiguiente, A · B se escribe en un algoritmo como A * B y l / 4 · e como e/ 4. Al igual que en matemáticas el signo menos juega un doble papel, como resta en A - By como negación en -A. Todos los operadores aritméticos no existen en todos los lenguajes de programación; por ejemplo, en FORTRAN no existe div y rnod. El operador exponenciación es diferente según sea el tipo de lenguaje de programación clásico elegido (A, r en BASIC, **en FORTRAN). 3 Los cálculos que implican tipos de datos reales y enteros suelen dar normalmente resultados de] mismo tipo si los operandos lo son también. Por ejemplo, el producto de operandos reales produce un real (vfase tabla 4.3).
;Üperadoces DIV (/)y MOD (%) eEn ··c~+ y Java el símbolo /representa al operador de división entera si ambos argumentos son de tipo entero, y división real en caso conuario. El operador mo d representa el resto de la división entera, y la mayoría de lenguajes utilizan el símbolo %. A div B
Sólo se puede utilizar si consiguiente,
A
y B son expresiones enteras y obtiene la parte entera de A/B. Por 19/6
19 div 6
toma el valor 3. TABLA 4.3 Operadores aritméticos D~ ~~~
En los lenguajes modernos no suelen existir operadores para la exponenciación. En Java, por ejemplo, se resuelve con
el método p o r de la clase Math (Ma t h . exp) .
,.......
99
100
CAPÍTULO 4
INTRODUCCIÓN A LA PROGRAMACIÓN
Otro ejemplo puede ser la división 1 5 /6 1 5 l.§ 3 2 cocient e 1
r est o
En forma de operadores resultará la operación anterior 15 div 6 = 2
15 mod 6 = 3
Ouos ejemplos son: 19 div 3 equivale a 6 1 9 rnod 6
equivale a 1
Operadores de incremento y decremento Los lenguajes de programación C/C++, Java y C# soportan los operadores unitarios (unarios) de incremento, ++, y decremento, --. El operador de incremento (++) aumenta el valor de su operando en una unidad, y el operador de decremento (--) disminuye también en una unidad. El valor resultante dependerá de que el operador se emplee como prefijo o como sufijo (antes o después de la variable) . Si actúa como prefijo, el operador cambia el valor de la variable y devuelve este nuevo valor; en caso contrario, si actúa como sufijo, el resultado de la expresión es el valor de la variable, y después se modifica esta variable. ++i
Incrementa i en 1 y después utiliza el valor de i en la correspondiente expresión.
i++
Utiliza el valor de i en la expresión en que se encuentra y después se incrementa en l.
--i
Decrementa i en expresión.
i-i--
Utiliza el valor de :'. en la expresión en que se encuentra y después se decrementa en l.
n = 5 es c r ibir n e scribi r n++
1
y después utiliza el nuevo valor de i en la correspondiente
4.7 .2 Reglas de prioridad Las expresiones que tienen dos o-más operandos requieren unas reglas matemáticas que permitan determinar el orden de las operaciones, se denominan reglas de prioridad o precedencia y son: l. Las operaciones que están encerradas entre paréntesis se evalúan primero. Si existen diferentes :,,!,:·~''paréntesis anidados (interiores unos a otros), las.expresiones más internas se evalúan primero. ,: ~,'.:'las operaciones aritméticas dentro de una expresión suelen seguir el siguiente orden de prio-
:::{f~~::ridad: • operador ( ) · • operadores ++, - - + y - unitarios ·· ··::· • operadores*,/, % (producto, división, módulo) • operadores+, - (suma y resta) . En los lenguajes que soportan la operación de exponenciación, este operador tiene la mayor prioridad. En caso de coincidir varios operadores de igual prioridad en una expresión o subexpresión encerrada enue paréntesis, el orden de prioridad en este caso es de izquierda a derecha, y a esta propiedad se denomina asociatividad.
Evalúe la expresión 12 + 3 * 7 + 5 * 4. En este ejemplo existen dos operadores de igual prioridad, * (multiplicación); por ello los pasos sucesivos son: 12 + 3
4.7 .3 Expresiones lógicas (booleanas) Un segundo tipo de expresiones es la expresión lógica o booleana, cuyo valor es siempre verdadero o falso. Recuerde que existen dos constantes lógicas, verdadera (true) y falsa (false) y que las variables lógicas pueden tomar sólo estos dos valores. En esencia, una expresión lógica es una expresión que sólo puede tomar estos dos valores, verdadero y falso. Se denominan también expresiones booleanas en honor del matemático británico George Boole, que desarrolló el Álgebra lógica de Boole. Las expresiones lógicas se forman combinando constantes lógicas, variables lógicas y otras expresiones lógicas, milizando los operadores lógicos not, and y or, y los operadores relacionales (de relación o comparación) =, <, >, <=, >=, <>.
Operadores de relación Los operadores relacionales o de relación permii:en realizar comparaciones de valores de tipo numérico o carácter. Los operadores de relación sirven para expresar las condiciones en los algoritmos . .I,.-os operade!es de relación se muestran en la tabla 4.4. El formato general para las comparaciones es ..
- --~·. '
..... .
: ·.. .
_
'
.
·.--'
expresiónl operador de relación expresión2
~.ei resUltacfo de la operación será verdadero o falso. Así, por ejemplo, -~t.
. '·:·
si A = 4
yB
3,
entonces
~~;~·~
··., A , > B ';_:
es verdadero
:;iiemras que
es falso. Los operadores de relación se pueden aplicar a cualquiera de los cuatro tipos de datos ·estándar: enteros, real, lógico, carácter. La aplicación a valores numéricos es evidente. Los ejemplos siguientes son significativos:
4
2
4
9
9
9 >= 9
=
2
falso verdadero
!· ······ ··· ··········· ····················· ··· ··········· ·· ··· ······ ········· ······ ········ ··· ··· ·· ··· ············ ·· ··············· ···· ·· TABLA 4.4 Operadores de relación
Para realizar comparaciones de dat0s tipo carácter, se requiere una secuencia de orden ación de los caracteres similar al orden creciente o decreciente. Esta ordenación suele ser alfabética, tanto mayúsculas como minúsculas, y numérica, considerándolas de modo independiente. Pero si se consideran caracteres mixtos, se debe recurrir a un código normalizado como es el ASCII (véase apéndice A). Aunque no t0das las computadoras siguen el código normalizado en su juego completo de caracteres, sí son prácticamente estándares los códigos de los caracteres alfanuméricos más usuales. Estos códigos normalizados son:
• Los caracteres especiales#,%,$, (, } , +, - , /, ... , exigen la consulta del código de ordenación.
• Los valores de los caracteres que representan a los dígitos están en su orden namral. Esto es, ' O ' <' 1 ' , '1 ' < ' 2 • , ... , 18 1< 19
~
.: ...
;
1 .
•Las letras mayúsculas A a z siguen el orden alfabético ('A•< ' B •, ' e • < • F ' , etcétera). • Si existen letras minúsculas, éstas siguen el mismo criterio alfabético ( •a• < ' b ' , • e ' < ' h ' , etcétera). En general, los cuatro grupos anteriores están si ruados en el código ASCII en orden creciente. Así, ' 1' < •A' y ' B ' < 'e•. Sin embargo, para tener completa seguridad será preciso consultar el código de caracteres de su computadora (normalmente, el ASCII, American Standard Code far Infarmation Interchange, o bien el código Unicode, el estándar de codificación de caracteres utilizado por los lenguajes Java y XML y otros lenguajes y sistemas operativos. Cuando se urilizan los operadores de relación, con valores lógicos, la constante false false
Si se utilizan los operadores relacionales =y<> para comparar cantidades numéricas, es importante recordar que la mayoría de los valores reales no pueden ser' almacenados exactamente. En consecuencia, las expresiones lógicas formales con comparación de cantidades reales con (=), a veces se evalúan como falsas, incluso aunque estas cantidades sean algebraicamente iguales. Así, (1.0 / 3.0) * 3 . 0
=
1.0
teóricamente es verdadera y, sin embargo, al realizar el cálculo en una com putadora se puede obtener . 999999 .. . y, en consecuencia, el resultado es falso; esto es debido a la precisión limitada de la aritmética real en las computadoras. Por consiguiente, a veces deberá excluir las comparaciones
con datos de tipo real.
Operadores lógicos Los operadores lógi.cos o booleanos básicos son not (no), and (y) y or (o). La tabla 4.5 m uestra el funcionamiento de dichos operadores. TABLA 4.5 Operadores lóg icos
En las expresiones lógicas se pueden mezclar operadores de relación y lógicos. Así, por ejemplo, (1 < 5) y (5 < 10) " (s ·:> '";,:I O) o ( 'A ' < ' B ' )
es verdadera es verdadera, ya que ' A' < ' B '
Prioridad de los operado res lógicos Los operadores arirméticos seguían un orden específico de prioridad cuando existía más de un operador en las expresiones. De modo similar, los operadores lógicos y relaciones tien en un orden de prioridad. _TABLA 4.7 Prioridad de operadores (lenguaje Pascal)
~~m?~~~~i'~~
-~~-~~~-~ n o (not) más alta (primera ejecutada) . /, *, div, mod, y (and) +,-, o (or)
Al igual que en las expresiones aritméticas, los paréntesis se pueden utilizar y tendrán prioridad sobre cualquier operación.
4.8 Funciones internas Las operaciones que se requieren en los programas eiigen en numerosas ocasiones, además de las operaciones de las operaciones aritméticas básicas, ya tratadas, un número determinado de opera.dores especiales que se denominan funciones internas, . incorporadas o estándar. Por ejemplo, la función ln se puede utilizar ·para ·determinar el logaritmo. neperiano de un número y la función raiz2 ( sqr t) .. calcula. la raíz cuadrada de un número positivo. Existen otras funciones que se utilizan para determinar las funciones trigonométricas. La tabla 4.9 recoge las funciones internas m ás usuales, en la que x es el argumento de la función. TABLA 4 .9 Funciones internas ~~~~~li\\'lcii5':f~~~W~f~i:,,,-r,~.:;"¡y~~a¡·~fi6ri·.~;/;.,~:í§.:~?S:ri;dg:¡?\i.~1~11F{~i~~:;:t-11·'~1"~ü~"~2t~~ ~w.r.t\t~·~kl!'~..-!e~~....~~~.~~ ~i-...s:1f~,.~-...:_...._ J1.:~b-'14'~1.'J.if.J.~':'~)?;..... ;.. J?i:..;;1\. ..#!,...~•.-w..&. ...~~~-~-& ,AA:fi*-'-:t:..~..t~l\Y.i ..:~\!~~~~S abs (x) valor absoluto de x entero o real igual que argumento
a r ctan( x)
arco tangente de x
entero o real
real
cos (x)
coseno de x
entero o real
real
exp (x)
exponencial de x
entero o real
real
ln (x)
logaritmo neperia no de x
entero o real
real
loglO (x)
logaritmo decimal de x
entero o real
rea l
r edondeo (x) (round (x) )* seno (x) ( sin (x )) * cuadrado ( x) (sqr (X))* raiz2 (x) (sqrt (X))•
Utilice las funciones internas para ob~ener 1a solUción de 1a' ecuación cuadrática ax2 .. ,_ · bx + ·e Lás raíces & .. la.ecuaci6n son: ... ':o
O.
-b±°.Jb2 -4ac
X=..;.·---
... .. ;;
".
· ·._:-,;
; ~·
- --
:·· 2a :
.
·r
4. 9 La operación de asignación La operación de asignación es el modo de almacenar valores a una variable. La operación de asignación se representa con el símbolo u operador f.- (en la mayoría de los lenguajes de programación, como C, C++, Java, e! signo de la operación asignación es=). La operación de asignación se conoce como instrucción o sentencia de asignación cuando se refiere a un lenguaje de programación. El formaro general de una operación de asignación es -
expre sión es igual a expresión, variable o constante. :=
La flecha (operador de asignación) se sustituye en otros lenguajes por= (Visual Basic, FORTRAN), (Pascal) o= (Java, C++, C#). Sin embargo, es preferible el uso de la flecha en la redacción del
1 08
CAPITULO 4
INTRODUCCIÓN A LA PROGRAMACIÓN
algoriuno para evitar ambigüedades, dejando el uso del símbolo dor de igualdad. La operación de asignación: A -
=
exclusivamente para el opera-
5
significa que a la variable P.. se le ha asignado el valor 5 . La acción de asignar es destructiva, ya que el valor que tuviera la variable antes de la asignación se pierde y se reemplaza por el nuevo valor. Así, en la secuencia de operaciones A
25 134
A
5
A
cuando éstas se ejecutan, el valor último que roma .Ti. será 5 (los valores 25y134 han desaparecido). La computadora ejecuta la sentencia de asignación en dos pasos. En el primero de ellos, el valor de la expresión al lado derecho del operador se calcula, obteniéndose un valor de un tipo específico. En el segundo caso, este valor se almacena en la variable cuyo nombre aparece a la izquierda del operador de asignación, sustituyendo al valor que tenía anteriormente. ' X -
Y + 2
el valor de la expresión Y + 2 se asigna a la variable X . Es posible utilizar el mismo nombre de variable en ambos lados del operador de asignación. Por ello, acciones como N -
N
+ 1
tienen sentido; se determina el valor actual de la variable N, se incrementa en 1 y a continuación el resultado se asigna a la misma variable N. Sin embargo, desde el punto de vista matemático no tiene sentido N - N + 1. · Las acciones de asignación se clasifican según sea el tipo de expresiones en: aritméticas, lógicas y de caracteres.
4 .9.1 Asignación aritmética Las expresion es en las operaciones de asignación son aritméticas: AMN - 3 + 14 + 8
se evalúa la expresión 3 + 14 + 8 y se asigna a la variable AMN, es decir, 25 será el valor que roma AMN.
Se evalúan las expresiones 14 . 5 + 8 y O . 7 5 * 3 . 4 y en la tercera acción se dividen los resultados de cada expresión y se asigna a la variable COCIENTE, es decir, las tres operaciones equivalen a COCIENTE - (14.5 + 8)/(0.75 * 3 .4 ) . Otro ejemplo donde se pueden comprender las modificaciones de los valores almacenados en una variable es el siguiente: variable A toma el valor O variable N roma el valor o + 1 la variable A torna el valor
A -
O la
N -
O la
A
N
O + 1,
es decir
l.
El ejemplo anterior se puede modificar para considerar la misma variable en ambos lados d el operado1 de asignación: N -
2
N
N + l
4.9
En la primera acción N coma el valor 2 y en la segunda se evalúa la expresión mará el valor 2 + 1 = 3 y se asignará nuevamcnre a K, que romará el valo:· .:,.
4.9.2
~
"
"
.·
:
N
+ ~, que w-
.
,
;.\sfg~cc ;c.,.;.~ ~0;::.-:a
La expresión que se evalúa en la operación de asignación es lógica. Supór:gase que variables de ripo lógico. N
8 < 5 M o (7
p
7 > 6
M
La operac .or; :le as1groic1ón
<~
Vi, N
y
? son
12)
Tras evaluar las operaciones anreriores, las variables :v;,
K
y
?
tomarán los valores falso, verda-
dero, verdadero. ll..
.,
g
~
i
~
493 . . r-:.s19nacicn ae cacenas: ae carac:..eres La expresión que se evalúa es de tipo cadena: x -
' 12 de
octu~re
de
~9s2'
La acción de asignación anterior asigna la cadena de caracteres '12 de octub:::-e de 1942' a la variable cipo cadena x.
4.9.4 Asignación múltiple Todos los lenguajes modernos admiten asignaciones múltiples y con combinaciones de operadores, además de la asignación única con el operador - . Así se puede usar el operador de asignación (-) precedido por cualquiera de los siguientes operadores aritméricos: +, -. x, /, %. La sintaxis es la siguiente:
veriable> -
4.9.5 Conve rsión de tipo En las asignaciones no se pueden asignar valores a una variable de un tipo incompatible al suyo. Se presentará un error si se trata de asignar valores de tipo carácter a una variable numérica o un valor numérico a una variable Iipo carácter.
¿Cuál es el valor de x después de las sigui emes operaciones? X -
2
x - cuadrado (x + x) x - raiz2 (x + raiz2 ( x) + 5 )
Los resultados de cada expresión son: X -
2
x x -
cuadrado (2 + 2) raiz2 (1 6 + raiz2 (16) + 5 )
x toma el valor 2 x toma el valor 4 al cuadrado; es decir J 6
En esta expresión se evalúa primero raiz2 (1 6), que produce 4 y, por último, raiz2 (16 +4+ 5) proporciona raiz2 (25), es decir, S. Los resultados de las expresiones sucesivas anteriores son: X -
4.1 O Entrada y salida de información Para ser útiles, los cálculos que realizan las computadoras requieren la entrada de los datos necesarios para ejecutar las operaciones que posteriormente se convertirán en resultados, es decir, salida. Las operaciones de entrada permiten leer determinados valores y asignarlos a determinadas variables. Esta entrada se conoce como operación de lectura (read). Los daros de entrada se introducen al procesador mediante dispositivos de entrada (teclado, tarjetas perforadas, unidades de disco, etcétera). La salida puede aparecer en un dispositivo de salida (pantalla, impresora, etcétera). La operación de salida se denomina escritura (write) . En la escritura de algoritmos las acciones de lectura y escritura se representan por los formatos siguiemes: leer (lista de variables de entrada ) escribir (lista de variables de salida)
Así, por ejemplo: leer (A, B, C) .
representa la lectura de tres valores de emrada que se asignan a las variables A, By c. escribir ( ' hola Vargas ' )
visualiza e~ila pantalla, o escribe en el dispositivo de. salida, el mensaje 'hola Vargas '.
f4·WY( • \;··.
,;-
(~
m
•
•
••
••• • • •
•
m
m
• •
• • • •
••• •
u
• • •• ••
•
••
•
• •
• •• •
•••
••• •
• • • • •• •
•
• • •
m
u
•
••
m
'
Si se utiliii¡[an las palabras reservadas en inglés, como suele ocurrir en los lenguajes de programación, se deberá su;ti'ruir ieer
Si no se especifica el tipo de dispositivo del cual se leen o escriben datos, los dispositivos de E/S son el teclado y la pantalla de manera predeterminada. ... ............. ........ ......... ...... ... ..... .............. ........... .......... .. .. ... ... .. ... ..... ..... ...... .................... .. .
,
4.11 Escritura de algoritmos/programas La escritura de un algoritmo m ediante una herramienta de programación debe ser lo más clara posible y esuucmrada, de m odo que su lecmra facilite considerablemente el entendimiento del algoritmo y su posterior codificación en un lenguaje de programación. Los algoritmos deben ser escritos en lenguajes similares a los programas. En nuestro libro utilizaremos esencialmente el lenguaje algorítmico, basado en pseudocódigo, y la estructura del algoritmo requerirá h lógica de los programas escritos en el lenguaje de programación estructurado; por ejemplo, C/C++ o Pascal. Un algoritmo constará de dos componentes: una cabecera de programa y un bloque algoritmo. La cabecera de programa es una acción simple que comienza con la palabra algoritmo. Esta palabra
111
112
CAPITULO 4
INTRODUCCIÓN A LA PROGRAMACIÓN
estará seguida por el nombre asignado al programa completo. El bloque algoritmo es el resto del programa y consta de dos componentes o secciones: las acciones de declaración y las acciones ejecutables. Las declaraciones definen o declaran las variables y constantes que rengan nombres. Las acciones ejecutables son las acciones que posteriormente deberá realizar la computación cuando el algorir-
4.11 .1 Cabecera del programa o algoritmo Todos los algoritmos y programas deben comenzar con una cabecera en la que se exprese el identificador o nombre correspondiente con la palabra reservada que señale el lenguaje. En los lenguajes de programación, la palabra reservada suele ser program. En algorítmica se denomina algoritmo. algoritmo DEMOl
4.11 .2 Declaración. de variables En esca sección se declaran o describen todas las variables utilizadas en el algoritmo, listándose sus nombres y especificando sus tipos. Esta sección comienza con la palabra reservada var (abreviatura de variable) y tiene el formato var tipo-1 tipo- 2
lista de variables - 1 lista de variables - 2
tipo-n : lista de variables - n donde cada lista de variables es una variable simple o una lista de variables separadas por comas y cada tipo es uno de los tipos de datos básicos (entero , real, char o boolean). Por ejemplo, la sección de declaración de variables var ent e r a real rea l real
: Numero_Empleado Horas Impuesto Salario
o de modo equivalente var entera : Numero_Empleado real : Horas, Impuesto, Salario
declara que sólo las eres variables Hora, I mpuesto y Salario son de tipo real. . Es una buena prácrica de programación utilizar nomb res de variables significativos que sugieran lo que ellas representan, ya que eso hará más fácil y legible el programa. También es buena práctica incluir breves comentarios que indiquen cómo se utiliza la variable.
4.11
Escritura de algori tmos/programas
var entera : Numero_Empleado / / número d e empleado r eal : Horas, // horas trabajadas
Impuesto , / / impuesto a pa gar Salario // cantidad ganada
4.11 .3 Dedaración de constantes nu rn éricas En esta sección se declaran rodas las constantes que tengan nombre. Su formato es cons t pi tamaño horas
3 . 141592 43 6.50
Los valores de estas constantes ya no pueden variar en el transcurso del algoritmo.
4.11 .4 Declaración de constantes, variables carácter y cadenas Las constantes de carácter simple y cadenas de caracteres (strings) pueden ser declaradas. en la sección del programa const, al igual que las constantes numéricas. const estrella = ' * ' frase~ '1 2 de octubre ' mensa je = ' Ho l a mi nene' , ~-·;Las variables de caracteres se declaran de dos modos:
~~ :r-~Almacenar un solo carácter. ::...
va r carácter : nombre, inicial, nota , l e tra $e declaran nombre, inicial, nota y letra, que almacenarán sólo un carácter.
2. Almacenar múltiples caracteres (cadenas). Una cadena (string) es una secuencia de caract eres ASCII o Unicode. La declaración de cadenas depende del lenguaje de programación: • CIC++. Las cadenas se declaran como tipos array o arreglos (véase capítulo 8).
char texto[40);
//cade na de 40 c aracteres
• Java. Java no tiene un tipo de dato nativo cadena (string). En su lugar, la biblioteca estándar Java contiene una clase predefinida denominada String y se declara una cadena de caracteres así:
String v = "" ; //u na cadena vacia, sin caracteres String saludo = "Hola mundo "'; • Es pseudocódigo se podría escribir como la turbo Pascal: var cadena : nombre[20) ;
//nombre de una cadena
4.1 1. 5 Comentarios La documentación de un programa es el conjunto de información interna y externa al programa, que facilitará su posterior mantenimiento y puesta a punto. La documentación puede ser interna y externa. La docume~tación externa es aquella que se realiza externamente al programa y con fines de mantenimiento y actualización; es muy importante en las fases posteriores a la puesta en marcha inicial de un programa. La documentación interna es la que se acompaña en el código o programa
113
114
C::APÍTULO 4
INTRODUCCIÓN A LA PROGRAMACIÓN
fuente y se realiza a base de comentarios significativos. Estos comentarios se representan con diferentes noraciones, según el tipo de lenguaje de programación.
Visual Basic 6 / VB .NET l. Los comentarios utilizan un apóstrofo simple y el compilador ignora todo lo que viene después de ese carácter 'Es te es un comentario de una sola línea Dim Mes As String ' comentario despué s de una línea de código
2. También se admite por guardar compatibilidad con versiones antiguas de BASIC y Visual Basic la palabra reservada Rem Rem esto es un come ntario
C/C++ y C# Existen dos formatos de comentarios en los lenguajes C y C++: 1. Comem:arios de una línea (comienzan con ..el car;kt:er / ¡) 11 Programa 5 . 0 realizado por el señor Mackoy 11 en Guadalajara (Jalisco)en las fiestas de octubre
11 de arte y cultura
2. Comentarios multilínea (comienzan con los caracteres /* y terminan con los caracteres * /, todo lo encerrado entre ambos juegos de caracteres son comentarios) / * El maestro Mackoy es tudió e l b achiller en el mismo instituto don de dio clase don Antonio Machado , el poeta */
Java l. Comentarios de una línea // comentarios sobre la Ley de Protección de Datos
2. Comentarios m ultilíneas / * El pueblo del señor Mackoy e s tá en Sierra Mág i n a, y produce uno de los mejores aceites de o l iva del mundo */
3. Documentación de clases / ** Documentación de la clase */
Pascal Los comentarios se encierran entre los símbolos (* * ) , o bien, ! } {* a u tor J . R. Mackoy *) {subrutina ordenacion }
Modula-2 Los comentarios se encierran entre los símbolos {*
* ).
4.11
Escritura de algoritmos/programas
.. · ·I
A lo largo del libro milizaremos preferentemente para representar nuestros comentarios los símbolos 11 y I ~. Sin embargo, algunos amores de algoritmos, a fin de independizar la simbología del lenguaje,
4.11 .6 Estilo de escritura de algoritmos/programas El método que seguiremos normalmente a lo largo del libro para escribir algoritmos será el descrito al comienzo del apartado 4.11. algoritmo identificador / /cabecera // seccion de declaraciones var t ipo de datos ; · lista de identificadores const lis ta de identiflcadores = valor inicio 11 cuerpo del algoritmo
1. ·En ocasiones, la declaración de constantes y variables las omitiremos o se describirán en una tabla de variables que hace sus mismas funciones. 2 . Las cadenas de caracteres se encerrarán entre comillas simples. 3. Utilizar. siempre sangrías en los bucles o en aquellas instrucciones que proporcionen legibilidad al programa, como inicio y fin .
Modelo propuesto de algoritmo a l go r itmo raíces 11 r esue l ve una ecuación de 2 . º var real a, b, c inicio leer (a, b, c) d - b ~ 2 - 4 x a * c s i d < O entonces escribir ( 'raices comple jas ' si no s i d = O entonces e scribir (-b I (2 * a) si no escribir ( (-b - ra i z2 (d)) escribir ( (-b + raiz2 (d)) fin si fin si fin
grado
)
I /
(2 * a) (2 * a)
115
4.1 Diseñe un algoriuno para cambiar una rueda d e un coche. Solución algoritmo pinchazo inicio s i gato del coche está ave r i ado entonces l lamar a l a e stac i ón de se r vicio si_no l evant a r el coche con el gato r epetir aflojar y saca r los tornillos de las ruedas hasta_ que todos los tornillos estén flojos y quitados quitar l a rueda poner la rueda de repuesto r ep e t i r poner los tornillos y apret arlos hasta_ que estén puestos todos los torr.i.llos bajar el gato fin sí fin
4.2 Encuentre el valor de la variable VALOR después de la ejecución de las siguientes operaciones:
(A) VALOR - 4 . 0 * 5 (B) X - 3 . 0 y - 2.0 VALOR - X (C)
VALOR
A
y - y
5
X - 3
VALOR * X
VALOR
Solución (A) VALOR = 20.0 (B) X =
3. O
y= 2 . 0
VALOR = 3 VALOR
(C )
X
=
A
2 - 2
9 - 2
7 VALOR
7
5
3
VALOR
VALOR * X = 5 * 3 = 1 5 VALOR = 15
4 .3 D eduzca el resulrado que se produce con las siguientes instrucciones:
var Ent ero : X, Y X - 1 y - 5 escr ibir (X, Y)
Solución X y Y toman los valores 1 y 5. La insrrucción de salid a (e s c ribir) presentará en el d ispositivo de salida l y 5, con los formaros específicos d el lenguaje de p rogramación; por ejemplo, 1 5
4.4 D eduzca el valor de las expresiones siguientes:
X - A + B + C X - A + B * C
Actividades de programación resueltas
X
A +B/C
X
Jl. + B \ C
X
A + B mod C (A + B)
X -
A +
X -
=
Siendo A
\
C
I C) 5 B = 25 C
(B
117
10
Solución
".
E}(presión
A + B
e * e / e \ e
A + B
mod
X
A + B +
5 + 25 + 1 0
40
A + B
5 + 25 * 10
225
5 + 25 I 10
7.5
A + B
(A + B ) A +
5 + 25 \ 10
=
5 + 2
e / e
5 + 25 mod 10
C)
(B /
7
5 + 5
10
(5 + 25 ) / 10
30 / 10
3
5 + (25 / 10)
5 + 2.5
7.5
!·· ······ ······· ··· ····· ····························· ····· ···················· ··· ··· ···· ······ ··· ············· ·· ··· ················ 4.5 Escriba las siguientes expresiones en forma de expresio nes algorírmicas:
M
.
d)
a) -+P
N
.... -.
. ... ,
,
m+n
p-q n
':::•·
~
m + ~
N
b) M+ -
e) _
-
P-Q
_P r
q- -
5
e)
seno(x) + cos(x)
f)
ran(x )
- b+ .Jb2 - 4ac 2a
Solución
a) M / N
+ P
b) M + N /
(P -
e) d) e)
( SEN (X)
+ COS (X ) / TAN (X)
f)
(-B
+
(M
N)
(M + N /
+
/
Q)
(P -
P)
r aiz2
Q)
/
(Q -
R /
(B " 2 -
4
5)
*
A
*
4 .6 Calcule el valor de las siguientes expresiones: a) 8 + 7 * 3 + 4
Obsérvese que al igual que en el ejercicio de intercambio de valores entre dos variables, la variable no modifica su valor.
4.8 Cómo se intercambian los valores de dos variables, A y B. Solución Con el ejercicio se ha visco cómo se pueden intercambiar los valores de una variable mediame las instrucciones: A
B
B - A
Activi dades de programación resueltas
El procedimiemo para conseguir intercambiar los valores de dos variables emre sí debe recurrir a una variable AUX y a las instrucciones de asignación siguientes:
AUX
A
A B
B
AUX
Veámoslo con un ejemplo: a - 10 B 5
A
10
-
B
AUX
10 10 10 5 5
5 A
B ,,
A·
B - AUX
5 5
5·
10
10
La variable AUX toma el valor de A
10 10
A.toma el valor de B, 5 B toma el valor inicial de A, l O
4.9 Deduzca el valor que toma la variable uas la ejecución de las instrucciones: A
4
B
A
B
A + 3
1
Solución Mediante una tabla se da un método eficaz para obtener los sucesivos valores: A
(l) -·~.. ;·_·-
·: ...
-~
A
A
4
(2)" B
A
(3)
A + 3
4 4
B
B
····.
4 7
Después de la instrucción (1) la variable A contiene el valor 4. La variable B no ha tomado todavía ningún valor y se representa esa situación con un guión. La instrucción (2) asigna el valor acrual de A ( 4) a la variable B. La instrucción (3) efectúa el cálculo de la expresión A + 3, lo que produce un resultado de 7 ( 4 + 3) y este valor se asigna a la variable B, cuyo último valor ( 4) se destruye. Por consiguiente, los valores finales que tienen las variables A y B son: A
=
B = 7
4
4.10 ¿Qué se obtiene en las variables A y B, después de la ejecución de las siguientes instrucciones? A
~~~~~~~~~~~l;\1tifi~~.in~~~~~~~1&~~~&t~~~~JMID~f~~~~~~'}g\~l~~~~~~~\~~~~~ (3) A - A+ 1 6 11 SeevalúaA + 1(5 + 1) yseasignaaA,borrándose el valor que tenía (5) y tomando el nuevo valor (6)
Los valores fi nales de A y B son 5. En este caso se podría decir que la insuucción (4) B redundante respecto a las anteriores, ya que su ejecución no afecta al valor de las variables.
]\ es
4.13 Determine el m ayor de tres números enteros. Solución Los pasos a seguir son: 1. Comparar el primero y el segundo entero, deduciendo cuál es el mayor. 2. Comparar el mayor anterior con el tercero y deducir cuál es el mayor. Éste será el resultado. Los pasos anteriores se pueden descomponer en orros pasos más simples en lo que se denomina 1·efinamiento del algoritmo:
l. Obtener el primer número (entrada), denominarlo NUMl. el segundo número (entrada), denominarlo NUM2. 3. Comparar NUMl con NUM2 y seleccionar el mayor; si los dos enteros son iguales, seleccionar NUMl . Llamar a este número MAYOR. 4. Obtener el tercer número (entrada) y denominarlo NUM3. 5. Comparar MAYOR con NUM3 y seleccionar el mayor; si los dos enteros son iguales, seleccionar el MAYOR. Denominar a este número MAYOR. 6. Presentar el valor de MAYOR (salida). 7. Fin. 2. Obtener
Actividades de programación resueltas
4. 14 Determine la camidad wral a pagar por una llamada telefónica, teniendo en cuenra lo siguien te: • toda llamada que dure menos de rres minutos (ci nco pasos) tiene un costo de l O centavos, • cada minuto adicional a partir de los tres primeros es un paso de comador y cuesta 5 centavos.
Solución A nálisis El algoritmo de resolución del problema enuaña los siguiemes pasos: l. Inicio . 2. Leer el número se pasos {npasos) hablados por t eléfono . 3 . Comprobar que el núme ro de paso s es mayor que ce ro, ya que realme nte se ha realizado l a llamada si el número de pasos es distinto de cero {positivo) . Si el número de pasos es menor a ce r o, se producirá un error . 4 . Ca l cular el precio de la conferencia de acuerdo con l os siguient es conceptos: • si el número de pasos es meno r que 5 , el precio es de 1 0 centavos, • si el número de pasos es mayor que 5, es preciso ca l cular los pa sos qu e exceden de 5, ya que éstos importan 5 centavos cada uno ; al produc t o de los pasos sobrantes por cinco cen t avos se le suma 1 peso y se obtendrá el precio total .
Variables NPASOS Número de pasos de la llamada N Número de pasos que exceden a 5 · FACT Importe o precio de la llamada.
Diagra,rna de flujo
<·-·
,:óJ-... ~:
8
e
inicio
)
1 leer
NPASOS
sí
escribir
ERROR
hacer
FACT ...._ 1O N ...._ NPASOS-5
sí
hacer
FACT ...._ FACT + N * 5
fi n
)
121
122
CAPITULO 4
INTRODUCCIÓN A LA PROGRAMACIÓN
4.15 Calcule la suma de los cincuenta primeros números enteros.
Solución Análisis El algoritmo expresado en lenguaje namral o en secuencia de pasos es el siguiente: l. Inicio.
el primer número 1 igua l a una vari ab le x que actuará de de 1 a 50 y S igual a O. S = S+X para rea lizar las sumas parciales . X= X+l para generar l os números enteros. 5. Repetir los pasos 3 y 4 hasta que X= 50, en cuyo caso se debe visua liza r la suma . 2. Hacer contador 3 . Hacer 4. Hacer
6 . Fin.
Diagrama de flujo inicio
x~1
s ..- o
>--n-º--i(
escribir S
/1-/_ _ __... (~___fi_n___)
S~S+ X
x~x+
1
4.16 Escriba un algoritmo que calcule el producto de los n primeros números naturales. Solución Análúis
El problema puede calcular el producto N * (N - 1 * (n - 2) * . . . * 3 * 2 * 1, que en términos matemáticos se le conoce con el nombre de FACTORIAL de N. El algoritmo que resuelve el problema será el siguiente: l . Leer N. 2. En caso d e que N = O, visualizar «Factorial de O igu al l» . 3. Comprobar que N > O (los números negativos no se consideran). 4 . Hacer la variable P que va a contene r el productor igual a l . 5 . Realizar el producto P = P * N. Dismin uir en una u n i dad sucesivamente hast a llegar a N = 1, y de modo simultáneo los produc tos P * N. 6 . Vis ual iz ar P . 7 . Fin.
Actividades de programación resueltas
Diagrama de flujo
(~~-i_n_ic~i-º~~-)
t
cp sí
no
-.P~P*N
N
~
N-1
.. :-
'_.r
e
fin
Pseudocódigo
algoritmo Factori al var entero N real P inicio leer(N) si N = O ent onces escribir ( ' Factoria l de O igual a 1') si no si N > O entonces p (1)
N
1 P
P
*
N
N - 1 si N = 1 entonces escribir ( ' Factorial - • P) si no -. ir a (1) fin si si no escribir ( ' Numero negativo ' )
123
124
CAPÍTULO 4
INTRODUCCIÓN A LA PROGRAMACIÓN
escribir ( ' Pruebe con positivos ' ) fin si fin si fin
4 .17 Diseñe un algoritmo para resolver una ecuación de segundo grado Axi + Bx +
e
O.
Solución Análisis
e
La ecuación de segundo grado es Ax 2 + Bx +
O y las soluciones o raíces de la ecuación son:
-B+.JB 2 - 4AC -B-.JB 2 - 4AC Xl= - - - -- -X2 = -- - -- 2A 2A Para que la ecuación de segundo grado tenga solución es preciso que el discriminante sea mayor o igual que O. El discriminante de una ecuación de segundo grado es D = B
A
2 -
4AC
Por consiguiente, si
D = O D < ·o
Xl -B / Xl y X2
2A
X2
-B /
2A
no tienen solución real. En co nsecuencia, el algoricmo que resolverá el problema es el siguieme: l. 2. 3. 4.
Inicio . In t roducir los coeficientes A, B y C . Cálcu l o del discriminante D = B A 2 - 4AC Comproba r el valor d e D. • s i D es menor que O, visua lizar un mensaje de error, • si D e s igual a O, se obtienen dos raíces iguales Xl = X2 / 2A . • s i Des mayo r que O, se ca l c u lan las dos ra íces Xl y X2 . 5 . F in de l algoritmo .
Diagrama de flujo
e
)
inicio
¡
/.
leer A, B, C
t
/ mensaje de error
hacer D = 82 - 4AC
sí
sí
no X1 = (-B + D}/2A X2 = (-B - D}/2A
( _ _f_in _...,)
escribir - B/2A
-B
Conceptos clave
4 .18 Escriba un algorirmo que acepre ues números emeros e imprima el mayor de ellos. Solución Análisis
El diseño del algorirmo requiere de una serie de comparaciones sucesivas. Las operaciones sucesivas son las sigui emes: l . I nicio. 2 . In troducir los tres números A, B, C. 3 . Comparar A y B : si .l!i. es menor que B : - comparar B y C: si B es mayor que e, el mayor es B, SJ.. B es menor que e, e l mayor es C . si E S mayor que B : ·"' - comparar A y C: si P.. es menor que e , el mayo r es e, si A e s mayor que e, el mayor es lL
. .
. .
Diagrama de flujo
(
escr~b ií
-.::;
l8 escribir A
e
~ fin
)
)
12 5
126
CAPÍTULO 4
INTRODUCCiÓN f.. LA PROGRAMACIÓN
'· . _::.. .
.
·Un programa es un conjunto cie instrucciones que se propor. cióna.auria computadora para realiza~ una-tarea determinada. Eforoceso de programación requiere las siguiéntes fases etapas fundamentales: definición y análisis del problema,
o
·'diseñe) del algoritmo, codificación del programa: depuración _Ji verificación, documentación y mantenimiento. ' ' '
rno d~ resol~ción del problema, qÜe tiene una eritrada de
dª_toS"y una salida de resultados. La entrada de d.atos se realiza a.través del teclado, ratón: escá.ner, disccs ... y la sal:da se 'fepresenta en impresora, pantalla; etcétera. Existen ciiferentes tipos de instrucciones básicas: ;inicio, fin, asignación,lectura. escritura y bifurcación. . Lo? elementos básicos constitutivos de un programa son: ~palabras ·
reservadas, identificadores, caracteres especiales, constantes, variables, expresiones, instrucciones a· los cuales
se ünen para tareas de ejecución de operaciones otros ele-
.mentos' primitivos de un programa, tales como: bucles, contádores, acumuladores. interruptores y estructuras. Todos estos-elementos manipulan datos ·o información de diferentes tí pos c;omo numéricos. lógicos ·o carácrer. Los. valores de estos datos se ~lmacenan para su tratamiento en constantes
4 .1 Diseñe los algoritmos que resuelvan los siguientes problemas: a) b) c) d) e)
f) g)
h) i)
j) k) /) m)
n) o)
Ir al cine. Comprar una entrada para los toros. Colocar la mesa para comer. Cocer un huevo. Hacer una taza de té. Fregar los platos del almuerzo. Buscar e! número de teléfono de un alumno. Reparar un pinchazo de una bicicleta. Pagar una multa de t ráfico. Cambiar un neumático pinchado (se dispone de herramientas y gato). Hacer palomitas de maíz en una olla pues;:a a: fuego con aceite. sal y maíz. Cambiar el cristal roto de una ventana . Hacer una !;amada t elefá1ica. Considerar los casos: a) m anual, con operadora; b) automático; e) cobro revertido. Quitar una bombilla quemada de un techo. Encontrar la media de una lista indeterminada de números positivos terminada con ur número negativo
4 .2 LCuá1es de los s:gu1emes 1cientificadores r,o son válicos? a) XRayo
b) X_P.ayo
y variables. Las cornbiiaciones de constantes,-variables, símbolos de operaciones nombres de funciones, etcétera; constituyen ias exoresion~s que a su vez se clasifican en.función del tipo de objetos que manipulan en: aritméticas; rela,cionales, lógicas y carácter. · . : ·• Otro concepto importante a considerar en la i.niciación ª~ . '1a programación es el concepto y tipos de op~(adores qu~ ·sirven para la resolucíón de expresiones y· constituyen elementos clave en les sentencias de flujo de control que se· estudiarán en·los capítulos posteriores_ · La operación de asignación es un sisrema de almacer.amiento de vaiores en un2·vanable. '.:xisten diferer.tes tipos de asignaciones en función de los t ipos de datos cuyos des.eos se desean.almacenar. La conversión de tipos en·operaciones de · asignaciones es una_ tarea importante y su comprensión es vital pára evi1ar errores en ei proceso de d epu ra~ió'n d e un programa_ La úl1ima característ1Ca.1mportante a considerar en el capítulo es la escritu.ra de algoritinos'y programas, para lo que se necesitan unas reglas claras y precisas que faciliten su legibilidad y su posterior ccdificación'en un lenguaje de programación.
ci R2D2 e) <;5 g) zzzz
d)
X f) Nl4. · h). 3µ
" .
4-3 LCuáles de las siguientes consta ntes no son válidas? a) 23.; c) :.E - 5 e) 32 757 g) 3 . 6:=.: -'- 7 i) 3 . 5 X :_ Ü k) O. OOOQGl
b) - 8 . 975 d) O i) 1/2 h) - 7E12 j) Ü . 4 5 6 /) 22421
4.4. Evalúe la siguiente expresión para A
3
~
h -
~
~
2yB
5:
3 I A " 2
4 .5. Eval t'.1e la expresión 4 / 2*3 /
6T6 / 2 / l
/5"2/L_+-2
4,6 Escriba las sigu ientes expresiones algebraicas como expresior:es aígorít micas: a)
JEl - 4ac
c)
3x +2y LZ
ei 4x 2 - 2x.,. 7 a g) -;-oc
b)
x2 + y2 z2
a+b c- d f) X+ y _ 3X
d)
X
h) xyz
5
Ejercicios
í)
Y2 -y1
4 .13 Lea un a serie de números distintos de cero (el último número de la serie es - 99) y obtenga el número mayor. Como resultado se debe visualizar el número mayor y un mensaje de indicación de número negativo, en caso de que se haya leído un número negativo.
j) 2rrr
X2 - X1
4 ' k) -nr-
h) (x2 - x,)2 + (y2 - y,)2
3
4. 7 Escriba las siguientes expresiones algorítmicas como expresiones algebraicas:
a) b 2 - 4 * a * e b) 3 * X 4 - 5 * X 3 + X 12 ci (b + d) / ( e + 4) d) (X 2 + Y 2) (1 / 2)
1 27
4.14 Calcule y visualice la suma y el producto de los números pares comprendidos entre 20 y 400, ambos inclusive .
A
A
A
A
A
4.15 Lea 500 números enteros y obtenga cuántos son posi-
17
tivos.
A
4.8 Si el valor de A es 4, el va lor de Bes 5 y el valor de e es 1, evalúe las siguientes expresiones:
a) B * A - B 2 / 4 * e b) (A * B) / 3 2 e) ( ( (B + C) / 2 * A + 1 0) * 3 A
A
*
B)
-
6
4.9 'Si el valor de A es 2, B es 3 y e es 2, evalúe la expre-
4 .16 Se trata de escribir el algoritmo que permita emitir la factura correspondiente a una compra de un artículo determinado, del que se adquieren una o varias unidades. El IVA a aplicar es del 15% y si el precio bruto (precio venta más IVA) es mayor de 1 ·ooo dólares, se debe realizar un descuento del 5%. 4.17 Calcule la suma de los cu adrados de los cien primeros números naturales.
·········· l. Realice un mapa conceptual sobre los tipos de software y los concepros básicos de programación.
3. Realice cambios en expresiones lógicas y algebraicas de un programa modelo y analice los resultados obtenidos.
2. Busque y analice información necesaria para instalar y configurar el compilador del lenguaje de programación a utilizar.
4. Muestre al estudiante programas completos de menor a mayor grado de dificultad y con base en cada una de las instrucciones que los componen enseñe la sinraxis del lenguaje.
l. Realice todas las actividades d e programación resueltas a medida que vaya avanzando en el estudio de la unidad y
y programas simples similares a los descritos en el capírulo, en el apéndice A o e;,.:plicados \:!i clase por el maestro o profesor. .
según las explicaciones impartidas en clase o su estudio autod idacta.
Realice de modo gradual los ejercicios propuestos l. Busque en internet algún editor o compilador d el lenguaje de programación seleccionado. Le recomendamos los editores o compiladores m encionados en el apéndice A, apartado A4, aunque, preferentemente, si sigue un curso, entonces, utilice el programa recomendado por el profesor o bien el instalado en las computadoras del laboratorio. Una vez seleccionado, descárguelo e instálelo en su computadora. Configúrelo adecuadamente y, siguiendo las instrucciones del fabricante, instale su compilador, su editor o su entorno de desarrollo. 2. Utilice el manual de usuario o de ayuda q ue viene en la documentación oficial del programa. Le sugerimos recurra a programas de software de libre distribución pero siempre fiables y de garantía. Por ejemplo vi, emacs, Notepad, Bluej, Dev C++, según el lenguaje de programación con el que vaya a trabajar en el curso. 3. Escriba con su editor o con el entorno de desarrollo integrado que haya elegido los programas fuente propuestos en el apartado Al, A2 o A3 según h aya elegido C, C++ o Java. Siga las insrrucciones del programa y tras editar el p rograma fuente, compile y ejecute, hasta que consiga tener el programa ejecutable sin ningún error. 4. Elija alguno de los algoritmos que haya resuelro de los ejercicios de clase o los propuestos en el capítulo, convierta el algoritmo· en un programa y trate de editar, compilar y ejecutar el programa. Realice la práctica con algoritmos
S. Realice cambios en datos de entrada, expresiones lógicas y algebraicas de programas modelo del libro o explicados en clase y analice sus resultados. 6. Identifique y aprenda las primeras reglas básicas de sintaxis del pseudocódigo UPSAM 4 y practique la coclificación de algoritmos sencillos de este capírulo y a medida que vaya avanzando en el aprendizaje practique con los ejercicios propuesros en el capítulo. 7. Con independencia de los programas que h aya instalado, si trabaja con C++ y el sistei:na operativo Linux, le recomendamos que descargue e instale GNU C++, uno de los mejores compiladores para este lenguaje. Asimismo conviene descargar la documentación del compilador. Una vez configurado trate de compilar los programas básicos ya mencionados. 8 . En el caso de que vaya a practicar con Java, entonces le recomendamos que descargue la última actualización del JDK 6 Qava SE Development Kit) que puede descargar tanto el software como su documentación de: http://www. oracle.com/technetwork/java/javase/downloads/in dex. html. Una vez configurado trate de compilar los programas básicos ya mencionados.
• UPSAM son las siglas de Universidad Ponrificia de Salamanca en Madrid. Esre lenguaje algorícmico basado en pseudocódigo comenzó a desarrollarse en 1988 con ocasión de las primeras ediciones de los libros de Metodología de la programación y Fundamentos de programación, ambos publicados en la editorial McGraw-Hill España. Si desea profundizar en el esrudio del pseudocódigo podrá hacerlo consultando la 4a. edición del libro de FuntÍílmentOJ de programación, citado anreriormeme.
Tener una visión global de los conceptos básicos de las estructuras selectivas de control del flujo de un programa de computadora. Al finalizar el capítulo el alumno deberá ser capaz de: Aprender conceptos fundamentales de estructuras de control y, en particular, estructura de selección. Examinar los procedimientos de control del flujo de un programa mediante estructuras de selección.
Aprender cómo utilizar las estructuras de control de selección s i -entonces (i f),
s i -entonces - sino(if ·- else)ysegún_ sea (switch) . Aprender a evitar errores mediante la comprensión fiel de conceptos y técnicas. Conocer estructuras de decisión anidadas. Conocer y practicar con la sintaxis de las estructuras de selección en los lenguajes C, e++ y Java.
El flujo de control de un programa Estructura secuencial Estructuras selectivas Alternativa simple (s i -entonces/ifthen) 5.4.1 Alternativa doble (si-entoncessino/if-then-else)
comPe:re:nctAs
e:sPe:cl~tcAs
5.5 Alternativa múltiple (según_ sea, caso de/case) 5 .6 Estructuras de decisión anidadas (en escalera) 5.7 La sentencia ir-a (goto) 5.8 Sintaxis de las estructuras de selección en C, C++ y JAVA
A oe:sARROLLAR ,............... ··.... ·.... ·.. ·.. ·.... ··.......... ··
• Construir programas utilizando estructuras condicionales (selectivas) para aumentar su funcionalidad.
INTRODUCCIÓN
E
n la actualidad, dado el tamaño considerable de las memorias centrales y las altas velocidades de los procesadores, Intel Core 2 Duo, AMD Athlon 64, AMD Turion 64, etcétera, el estilo de escritura de Los programas se vuelve una de Las características más sobtesalientes en las técnicas de programación. La legibilidad de los algoritmos y posteriormente de los programas exige que su diseño sea fácil de comprender y su flujo lógico fácil d e seguir. La programación modular enseña la descomposición de un programa en módulos más simples de programar, y la programación estructurada permite la escritura de programas fáciles de leer y modificar. En un p rograma estructurado el flujo lógico se gobierna por las esrrucruras de control básicas: 1. Secuenciales.
2. Repetitivas.
3. Selectivas. En este capítulo se introducen las estructuras selectivas que se utilizan para controlar el orden en que se ejecutan las sentencias de un programa. Las sentencias si (en inglés, " if") y sus variantes, si-entonces, si-entonces-sino y la sentencia según-sea (en inglés, "swi tch") se describen como parte fundamental de un programa. Las sentencias si anidadas y las sentencias de multibifurcación pueden ayudar a resolver.importantes problemas de qí.lculo. Asimismo se describe la "tristemente famosa" s~ntencia ir-a (en inglés "goto") , cuyo uso se debe evitar en la mayoría ··.·de las situaciones, pero cuyo significado debe ser muy bien entendido por el lector, precisamente para evitar su uso, aunque puede haber una situación específica en que no quede otro remedio que recurrir a ella. ... El estudio de las estructuras de control se realiza basado en las herramientas de programación ::.ya_ estudiadas: diagramas de flujo, diagramas N -S y pseudocódigos.
:: .5 1
El flujo de control de un programa
Muchos avances han ocurrido en los fundamentos teóricos de programación desde la aparición de los lenguajes de alto nivel a finales de la década de 1950. Uno de los más importantes avances fue el reconocimiento a finales de 1960 de que cualquier algoritmo, sin importar su complejidad, podía ser construido utilizando combinaciones de tres estructuras de control de flujo estandarizadas (secuencial, selección, repetitiva o iterativa) y una cuarta denominada invocación o salto ("jump"). Las sentencias de selección son: si (if) y s egún-sea (switch); las sentencias de repetición o itemtivas son: desde (fo.r ), mientras (while), hacer-mientras (do-while) o repetir-hasta que (repeat-until); las senrenGÍas ·de salto o bifurcación incluyen romper (break ), continuar (continue), ir-a (goto), volver (return) y lanzar (throw). El t érmino flujo de control se refiere al orden en que se ejecutan las sentencias del programa. Otros t érminos utilizados son secuenciación y control del flujo. A menos que se especifique expresamente,·el flujo normal de control de todos los programas es el secuencial. Este término significa que las sentencias se ejecutan en secuen cia, una después de otra, en el orden en que se sitúan dentro del programa. Las estructuras de selección, repetición e invocación permiten que el flujo secuencial del programa sea modificado de un modo preciso y definido con anterioridad. Como se -puede deducir fácilmente, las estructuras de selección se utilizan para determinar cuáles sentencias se han de ejecutar a continuación y las estrucruras d e repetición (repetitivas o iterativas) se utilizan para repetir la ejecución de un conjunto de sentencias. Hasta este mom~mo, rodas las sentencias se ejecutaban secuencialmente en el orden en que estaban escritas en el código fuente. Esta eje~ución , como ya se ha comentado, se denomina ejecución secuencial. Un programa basado en ejecución secuencial, siempre ejecutará exactamente las
~--
·'
132
CAPÍTULO 5
CONTROL DE FLUJO (1): ESTRUCTURAS DE SELECC IÓN
mismas acciones; es incapaz de reaccionar en respuesta a condiciones acruales. Sin embargo, la vida real no es tan simple. Normalmente, los programas necesitan alterar 0 modificar el flujo de control en un programa. Así, en la solución de muchos problemas se deben romar acciones diferentes dependiendo del valor de los datos. Ejemplos de situaciones simples son: cálculo de W1a superficie sólo si las medidas de los lados son positivas; la ejecución de una división se realiza, sólo si el divisor no es cero; la visualización de men sajes diferentes depende del valor de una nota recibida, etcétera Una bifurcación (" branch", en inglés) es un segmento de programa construido con una sentencia o un grupo de sentencias. Una sentencia de bifUrcación se uriliza para ejecutar una sentencia de entre varias o bien bloques de sentencias. La elección se realiza dependiendo de una condición dada. Las sentencias de biJUrcación se llaman también sentencias de selección o sentencias de alternación o alternativas.
5.2 Estructura secuencial Una estructura secuencial es aquella en la que una acción (instrucción) sigue a otra en secuencia. Las tareas se suceden de tal modo que la salida de una es la entrada de la siguiente y así sucesivam ente hasta el final del proceso. La estructura secuencial tiene una entrada y una salida. Su representación gráfica se muestra en las figuras 5.1, 5 .2 y 5.3.
>:Q\(k~~~'. ,
....
e~ 0.s~num
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•
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Diagrama de flujo .
y escribir S, p
' e I·· ························· ·· ···· ·· ··· ····· · .. ······ ········ ····· ·· ·· · fin
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)
- ..
.. •·.
~ ~
....
:- ·.
...
~~·
~:
>....
5.2
acción 1 acción 2
i
~ ~
1
Estructura secuencial
inicio
acción n j
acción n
Fi gura 5.1 Estructura secuencial.
fin
Figura 5.2 Diagrama N-S de una estructura secuencial.
Figura 5.3 Pseudocódigo de una estructura secuencial.
Calcule el salario neto de un trabajador en función del número de horas trabajadas, precio de la hora de trabajo y, considerando unos descuentos fijos, el sueldo bruto en concepto de impuestos .(20%) . .
5.3 Estructuras selectivas La especificación formal de algoritmos realmente tiene utilidad cuando el algoritmo requiere una descripción más complicada que una lista sencilla de instrucciones. Éste es el caso cuando existen un número de posibles alternativas resultam:es de la evaluación de una determinada condición. Las estructuras selectivas se utilizan para tomar decisiones lógicas; de ahí que también se suelen denominar estructuras de decisión o alternativas. En las estructuras selectivas se evalúa una condición y en función del resultado de la misma se realiza una opción u otra. Las condiciones se especifican usando expresiones lógicas. La representación de una estructura selectiva se hace con palabras en pseudocódigo (if, then, el se o bien en español si, entonces, si_no), con una figura geométrica en forma de rombo o bien con un triángulo en el interior de una caja rectangular. Las estructuras selectivas o alternativas pueden ser:
• simples, • dobles, • múltiples. .·-···· ············ ············· ···········-··-···"'······· ················ ···· ··· ··· ····· ·········· ······ ·· ····-···· ··········· ····· ·· ····. ~ La estructura simple es si (if) con dos formaros: Formato Pascal, si-entonces (if-then) y ~ formato C, si (if). La estructura selectiva doble es igual que la estructura simple si a la cual '. se le añade la cláusula si-no (else). La estructura selectiva múltiple es según_sea (switch
i en lenguaje e,
case en Pascal).
5.4 Alternativa simple (si-entonces/if-then) La estructura alternativa simple si-entonces (en inglés if-then) ejecuta una determinada acción cuando se cumple una determinada condición. La selección si-entonces evalúa la condición y • si la condición es verdadera, emonces ejecuta la acción acción compuesta y constar de varias acciones),
Sl
(o acciones caso de ser
Sl
una
• si la condición es falsa, entonces no hace nada. Las representaciones gráficas de la esrrucrura condicional simple se muestran en la figura 5.4.
5.4
a)
Alternativa simple (s i-entonces/if-th en)
c)
acción 1
acciones
Pseudocódigo en español
Pseudocódigo en español
si entonces fin si
//Sl accion compuesta si entonces
Pseudocódigo en inglés if then endif
fin
si
b)
Figura 5.4 Estructuras alternativas simples: a) d iagrama de flujo; b) pseudocódigo; c) diagrama N-S.
Obsérvese que las palabras del pseudocódigo si y fin_si se alinean venicalmeme indentando (sangrando) la o bloque de acciones. :
: Dj1~grama de sintaxis :·'s4htencia if simple: : =
;.\-.-~7µ2.~<>. ·~.
-
..,,.,~;> ..l,, s i
2 . si entonces
() ......,,.,," .. inicio :.
fin-sí
fin
Sent encia compuesta inic i o fin
Sintaxis en lenguajes de programación Pseudocódigo si (con di ción) entonces
acciones fin-si
Pascal
C/C++
if (condición) then begin sentencias
if (condición)
sentencias
end
5.4.1 Alternativa doble (si-entonces-sino/if-then-else) La estructura anterior es muy limitada y normalmente se necesitará una estructura que permita elegir entre dos opciones o alternativas posibles, en función del cumplimiento o no de una determinada condición. Si la condición e es verdadera, se ejecuta la acción Sl y, si es falsa, se ejecuta la acción s2 (véase figura 5.5).
