Conceptos Básicos de Programación - IAAA

Copyright © 2005 Pedro Álvarez , José Ángel Bañares, Pedro Latorre, Santiago Velilla
Tema 1.
Conceptos Básicos de Programación
Departamento de Informática e Ingeniería de Sistemas
C.P.S. Universidad de Zaragoza
Última revisión: Septiembre, 2006
Conceptos Básicos de Programación
Problemas y soluciones
Objetivos de la programación
Noción de algoritmo
El computador (hardware)
Cuestiones generales sobre el Software
Estilo de programación
Lenguajes de Programación
Elementos de un programa
Propiedades de los algoritmos
Ciclo de vida de los programas
Entorno de Programación
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Problemas y soluciones
¿Cómo se resuelve un problema en general?
Datos
Resultados
Modelado o representación
Datos (iniciales, intermedios, resultados)
+ algoritmos
Visualización
del modelo de resultados
Implementación
en la plataforma de trabajo
(codificación: Pascal, Java, C…)
Ejecución
de los procesos
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Objetivo de la programación.
• Problemas que se tratan de resolver en
Programación
• Cómputo o cálculo
• Gestión comercial
• Control
• Tratamiento de la señal
• Lúdicos
• Inteligencia Artificial
• E-bussines
• Etc.
• Problemas cuya solución puede ser llevada
a cabo por un COMPUTADOR
Computador: Herramienta que permite tratar
de forma automática problemas de
tratamiento de la información.
Informática: Ciencia del tratamiento de la
información.
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4
Objetivo de la programación: - Construir programas
• Programa: texto formado por instrucciones para
que una máquina las ejecute
Los lenguajes de programación están diseñados
de forma que sólo se requiere que los
programadores establezcan sus intenciones
explícitamente
• ¿Cómo transformar un problema en un
programa ejecutable por un computador?
Entre problema y programa hay algunos pasos
importantes:
Análisis /
Diseño
Problema
Lenguaje
Natural
Codificación
Algoritmo
Lenguaje Algorítmico /
pseudocódigo
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Programa
PASCAL, C, Ada,
Basic, Fortran,
COBOL, Java, C++,
Lisp, ...
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Noción de algoritmo
• Acción: Es un acontecimiento producido por un
actor (o ejecutante de una acción) que tiene
lugar durante un periodo de tiempo finito y que
tiene como consecuencia o resultado una
nueva situación bien definida y previsible.
• Estado: Es el conjunto de objetos (con sus
circunstancias) disponibles en un instante
determinado.
• Algoritmo: Es la descripción de una sucesión
finita de acciones que permite transformar el
entorno del estado inicial dado en el final
deseado.
Iremos calculando
factorial de n =
1* 2 * ...*i * ... n
para valores crecientes de i
hasta n
Algoritmo en
lenguaje algorítmico
Solución informal
en lenguaje natural
Read(n);i:=1;
factorial:=1;
Mientras Que i < n hacer
i:= i+1;
factorial:= factorial * i
FinMientrasQue;
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Noción de Programa
• Programa: Es un algoritmo escrito en términos
que pueda interpretar (ejecutar) un computador.
A él se llega tras codificar el algoritmo en algún
lenguaje de programación.
i:=1;
lenguaje
algorítmico
factorial:=1;
Mientras Que i < n hacer
i:= i+1;
factorial:= factorial * i
FinMientrasQue;
i:=1; factorial:=1;
While i < n do
begin
Pascal
i:= i+1;
factorial:= factorial * i
end;
i=1; factorial=1;
C
While (i < n) factorial*=++i;
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Cuestiones generales sobre el software
En los últimos años
• El avance espectacular del hardware no ha
ido acompañado por el software en cuanto a
calidad y coste
• Aumento de la demanda del software:
cantidad, prestaciones, calidad
• La capacidad de mantenimiento está
amenazada por el mal diseño y el uso
inadecuado de recursos
• La parte principal del coste de una solución
informática es el software
• El efecto 2000.
• ¿cómo pudo difundirse ese miedo?
• Por falta de credibilidad
Hacia una solución
• Construcción
sistemática
frente
a
improvisada
• Construcción
usando
componentes:
reusabilidad, librerías
• Uso de herramientas de alto nivel: que
construyen programas.
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Ciclo de vida de un programa
Especificación
Análisis
Diseño
Codificación
Pruebas
Mantenimiento
Mantenimiento: En general el software sufrirá cambios:
• Errores detectados
• Aparición de nuevos requisitos:
• Externos: periféricos, sistema operativo
• Nuevas prestaciones
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El computador (Hardware)
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El computador (Hardware)
Periféricos
CPU (Central Process Unit)
Memoria
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Memoria de un computador
Memoria
• Se
realiza
mediante
millones
de
transistores que se utilizan a modo de
“interruptores”
que pueden estar
encendidos o apagados
Cada transistor contiene
un bit de información
1
0
De teoría del lenguaje:
La unidad mínima de
información es el bit.
•
8 bits = 1 byte Podemos representar 256
valores del 0 al 255 en binario
Base 10
Base 2
2562 = 2 * 10^3
1101= 1 * 2^3= 8
5 * 10^2
1 * 2^2= 4
6 * 10^1
0 * 2^1= 0
2 * 10^0
1 * 2^0= 1
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Memoria
• Podemos
representar
en
memoria
información numérica y no numérica:
1101= 13 (Número 13)
Utilizar una codificación para los caracteres
(ASCII)
El 65 representa la a
El 66 representa la b
....
Agrupando caracteres representamos palabras ...
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Dirección de memoria
Como almacenar y encontrar la información
• En direcciones de memoria
ia
r
o
em
..
em
sd
e
n
io 3 4
c
c
.
.
.
.
..
re 2
i
D
1
1
Palabra*
*Palabra del computador = Número de bytes
del mínimo bloque direccionable
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Memoria Principal/Memoria Secundaria
Tipos de memoria
• Memoria Principal
• RAM (Read Access Memory)
• ROM (Read Only Memory)
• Memoria Secundaria
• Acceso secuencial
• Acceso directo
• La memoria secundaria solo se debe utilizar
para almacenar datos:
Vel. mem. primaria >>>> Vel. mem.secundaria
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Cargando un programa en memoria
1. Inicializas el programa
2. La cabeza lectura/escritura del disco
duro busca el programa
3. Se copia el programa en
memoria(RAM)
4. Se ejecuta el programa (La CPU
ejecuta las instrucciones del
programa)
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Funcionamiento del computador
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Cuanta memoria se precisa...
•
•
•
•
1 Byte: Bloque de bits. Es la unidad de medida de la
capacidad de la memoria o de los discos
1 Kilobyte (KB o K) = 1,024 bytes. Desde el punto
de vista de un computador es un número redondo
(Los computadores representan información en base
2, y 1024 es 2^10. Como las personas pensamos en
base 10, solemos redondear un k a 1000 bytes.
• Un disco con 360KB de datos, puede representar
unos 360.000 caracteres.
1 Megabyte (MB or M) es un kilobyte al cuadrado
(1,024 veces 1,024), o aproximadamente un millón
de bytes. Un disco con una capacidad de 1.44MB
puede contener 1.440.000 caracteres.
• 1.44MB es un tamaño estándar para los discos de
3 pulgadas de doble densidad.
1 Gigabyte y Terabyte El termino gigabyte (GB or
G) significa un kilobyte al cubo (1,024 * 1,024 *
1,024), o aproximadamente mil millones de bytes. El
termino terabyte (TB o T) significa un kilobyte a la
cuarta (1,024^4), más de un billón de bytes. Por
ahora no hay en el mercado discos duros de tamaño
de terabyte a precio razonable.
• ¿Cuanta memoria se precisa?:
• Hace unos pocos años los computadores se
vendían de serie con 1MB de RAM. Hoy se
ofrecen con 500 MB, 1 GB... o más. Los
discos duros están en cientos de gigabytes.
• Una página de texto típico contiene entre
2,500 y 3,000 caracteres. 1MB equivale
aproximadamente a 400 paginas de texto.
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Cuestiones generales sobre el software
• Estilo de Programación
Programación imperativa
• Lenguajes orientados a instrucciones
• Programas = Receta
• Se encadenan de forma explicita las
instrucciones.
• Influenciado por la arquitectura de la
máquina
• VARIABLES: Direcciones de memoria.
Datos
• INSTRUCCIÓN BASICA: Asignación.
Acción. (Dar valor a una variable)
• COMPOSICIÓN SECUENCIAL DE
ACCIONES.
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Cuestiones generales sobre el software
•
Metodología de Programación
Programación Estructurada
Conjunto de ideas gestadas en torno al grupo de trabajo WG2.3
(Programming Methodology) de IFIP:
• Utilización de mecanismos de abstracción
(funcional y de datos) como herramienta para
dominar la complejidad.
• Utilización de una metodología de diseño
descendente o por refinamientos sucesivos
(abstracción funcional)
• Reducido número de estructuras de control:
•
•
•
Composición secuencial
Composición condicional
Composición iterativa
• Énfasis en los mecanismos de estructuración
de datos.
•
Se introduce la idea de tipo
abstracto de dato:
Separación de los aspectos ligados a la especificación de
un tipo de los de la implementación.
• Definición de métodos que garanticen la
corrección de programas (verificación formal)
• Notación independiente del lenguaje de
programación.
Programas =
Algoritmos + Estructuras de datos
• Estructuras de datos = Abstracciones de la realidad que
nos permiten representar el conjunto de situaciones
esperables al resolver el problema.
• Algoritmos = Esquemas de composición de instrucciones
que permiten representar de forma no ambigua el flujo de
control (El orden en el que se ejecutarán las instrucciones)
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Lenguajes de Programación
• Jerarquía de Niveles de lenguajes de
programación
• Ejemplo del “Procesador” Tractor Oruga
MI
A
R
MD
A
R
1
1
0
1
1
0
Avanza 1 m
1
0
1
1
0
1
Retrocede 1 m
1
1
0
0
0
0
Gira Derecha 90 º
0
0
0
1
1
0
Gira Izquierda
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Procesador tractor oruga
Problema
El tractor se encuentra en A, mirando al norte, y tengo que
llevarlo a B
Algoritmo
Sigue recto hasta el fondo
Gira a la derecha
Sigue recto hasta el fondo
Programa
MI A
1 1
1 1
1 1
1 1
1 1
1 1
1 1
1 1
1 1
R MD A R
0 1 1 0
0 1 1 0
0 0 0 0
0 1 1 0
0 1 1 0
0 1 1 0
0 1 1 0
0 1 1 0
0 1 1 0
Lo lleva a I
Lo direcciona hacia B
Lo lleva a B
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Lenguaje de Maquina
Es farragoso programar a nivel MAQUINA
Para facilitar la programación nos inventamos:
• Nemotécnicos
AV Avanza
GD Giro Derecha
RE Retrocede
GI Giro Izquierda
Programa
AV
AV
GD
AV
AV
AV
AV
AV
AV
•
Lo lleva a I
Lo direcciona hacia B
Lo lleva a B
Esquemas de composición
Programa
Avanza 2
Derecha 1
Avanza 6
•
110110
110000
101101
000110
Avanza x AV x
Derecha x GD x
Izquierda x GI x
Retrocede x RE x
Hemos mejorado en ABSTRACCION pero nos
hemos alejado de lo que “interpreta la maquina”.
NECESIDAD DE TRADUCCION
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Lenguaje Maquina
• Supongamos otro procesador: Una maquina
con un único motor que puede:
Avanzar 1 m
0 1
Retroceder 1 m
1 0
Girar Izquierda 90 1 1
Problema: El mismo
Algoritmo: El mismo
Programa: 01 01 11 11 11 01 01 01 01 01 01
DISTINTO
• Pero el programa, en alto nivel, puede ser el
mismo, basta con el traductor adecuado
1 1 0 1 1 0
1 1 0 1 1 0
1 1 0 0 0 0
1 1 0 1 1 0
1 1 0 1 1 0
Programa
1 1 0 1 1 0
Avanza 2
Derecha 1
Avanza
Código para
el primer
tractor
1 1 0 1 1 0
1 1 0 1 1 0
1 1 0 1 1 0
6
010111
111101
0 1 0 10 1
01 01
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Código para
el tractor con
Un solo giro
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Lenguaje Máquina / CPU / Memoria
ENSAMBLADOR
LENGUAJE MÁQUINA
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Lenguaje Máquina / CPU / Memoria
<
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Lenguaje Máquina / CPU / Memoria
<
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Lenguaje Máquina / CPU / Memoria
<
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Lenguaje Máquina / CPU / Memoria
<
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Niveles de lenguajes de programacion
• Alto Nivel
• Mas fáciles de programar
• Independencia de la maquina
• Necesidad de traductores compiladores
• Menor coste de desarrollo
• Mas fácilmente mantenibles
• Detección de errores
• Transportables
• Son un compromiso entre eficiencia y
manejabilidad
• Bajo Nivel
• Programas específicos para un tipo de
máquina
• Pueden permitir hacer cosas de forma más
eficiente.
Maquina
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Lenguajes de Programación
•
•
•
•
•
•
•
•
•
FORTRAN (1965): FORmula TRANslator. Calculo
científico.
COBOL (1959). Ideal para gestión: Pocas
estructuras de control, muchas capacidades de
manejo de dato.
ALGOL (1960): Primer intento de formalizar la
resolución
de
problemas.
Programas
estructurados con tipos de datos.
Lisp (1960): Sigue en uso. Estructura de datos
simple (La lista). Tratamiento simbólico de la
información. Su éxito se debe a que soporta más
estrategias de descomposición modular que
cualquier otro lenguaje.
BASIC (1965): Beginners All Purpose Symbolic
Language. Lenguaje interpretado, sin énfasis en
tipos de datos.
PASCAL (1971): Desciende de ALGOL. Paradigma
de la programación estructurada.
C (1972): Desarrollado por Dennis Ritchie de AT&T
Bell Laboratories para ofrecer un lenguaje de alto
nivel en el cual se pudiera programar UNIX.
Lenguajes orientados a objetos (C++, Eiffel,
C#,…): A la hora de organizar el software se
focaliza en las abstracciones de datos en lugar de
en la funcionalidad.
JAVA: ¡Lenguaje orientado a objeto, que se puede
ejecutar en cualquier máquina! Idea de máquina
virtual.
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Lenguajes Interpretados/Compilados
•
Ejecución interpretada del programa fuente
• Se iteran los siguientes pasos
1. Obtención de la siguiente instrucción a
ejecutar del código fuente
2. Análisis de la instrucción y determinación
de las acciones a ejecutar
3. Ejecución de las correspondientes acciones
•
Ejecución del programa compilado
• Se realiza previamente la compilación del
programa fuente en la versión equivalente
del programa en lenguaje máquina. Esta
versión se conoce como programa objeto.
• El
programa
objeto
se
une,
eventualmente, con los subprogramas de
biblioteca descritos en el programa fuente
para obtener el programa ejecutable.
Esta operación se denomina edición de
uniones (link en inglés).
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Java, código objeto que se ejecuta en
cualquier máquina
• Un applet es un programa escrito en Java
que anima una porción de la página Web
• El usuario puede interaccionar con un
applet, gracias a que se trata de un
programa.
• Un applet se ejecuta completamente en el
cliente:
• Una vez transmitido la velocidad de la
interacción no depende de la red
• Si es necesario el applet
comunicar con el servidor
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se
puede
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Java, código objeto que se ejecuta en
cualquier máquina
• Una aplicación java debe poderse ejecutar
en una amplia gama de plataformas con
diferentes SO y procesadores.
• Las aplicaciones Java se almacenan en un
código intermedio independiente de la
plataforma (el byte-code)
Applet
java
Compilador de java
Bycodes
Verificador de Bytecode
Cargador de clase
Almacén de
Applets
Servidor
Intérprete de
Java (JVM)
Plataforma
Cliente
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MacOS
UNIX
Windows
etc.
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Elementos de un Lenguaje
• Los elementos que definen un lenguaje son:
• SIMBOLOS
•
•
•
•
Palabras clave = {IF, THEN, WHILE, …}
Caracteres = {‘a’,..’z’,’A’..’Z’,’#’,’?’,……. }
Dígitos = {0,..,9}
Otros símbolos = {‘.’ , ’,’ , ‘;’ ,…}
• SINTAXIS
• Conjunto de reglas sintácticas
• Notaciones para expresar las reglas:
Backus-Naur
Grafo Sintáctico
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Sintaxis
•
Grafos Sintácticos
•
Backus-Naur
A
1
B
2
letra
digito
<letra>::= ‘A’ I ‘B’ I… I‘Z’
Z
9
alternativa
0
21
digito
<digito>::= ‘0’ I ‘1’ I… I‘9’
9
identificador
letra
0 o más veces
digito
_
<identificador>::=
<letra> {<letra> I <digito> I’_’}
Ejemplos identificadores válidos: P3Q NUMERO_PI
Ejemplo identificadores no válidos: 3PQ _numero
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Sintaxis
sentencia
IF
IF
expresión
booleana
THEN
sentencia
ELSE
sentencia
0 o 1 vez
<Sentencia IF> ::=
IF <expresion booleana> THEN <sentencia>
[ELSE <sentencia>]
sentencia
W HILE
WHILE
expresión
booleana
DO
sentencia
<Sentencia WHILE> ::=
WHILE <expresion booleana> DO <sentencia>
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Sintaxis
entero sin signo
numero
sin
signo
entero
sin signo
digito
+
.
digito
entero
sin signo
E
-
expresion constante
+
identificador
constante
-
numero sin signo
constante
'
caracter
'
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Propiedades de los algoritmos
• Condiciones Necesarias
• Finitud
• No ambigüedad
• Propiedades deseables
• Generalidad
• Eficiencia
• Independencia de la máquina
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Sistema Operativo
• Sistema Operativo
• Conjunto de programas que tienen por
misión facilitar la utilización del computador
•
•
•
•
•
Acceso a los usuarios autorizados
Edición de ficheros de texto
Puesta a punto y ejecución de programas
Seguridad y protección
Facturación y contabilidad de uso de
recursos
• Etc.
• Gestión óptima de la máquina
• Gestión de memoria
• Control de dispositivos periféricos
• Acceso a ficheros
• Asignación de recursos y ordenación de
tareas
• Etc.
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Entorno de programación
• Entorno de trabajo:
• Programa cuya misión es facilitar el
desarrollo de programas utilizando un
determinado lenguaje
• Integra herramientas:
• Edición e programas fuente (C, C++, Java,
Pascal, Ada, ...)
• Compilación de programas fuente
• Depuración de programas
• Ejecución y prueba de programas
• Construcción de programas ejecutables y
bibliotecas
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