Capitulo 1 INTRODUCCIÓN A LA PROGRAMACIÓN ORIENTADA A

Programas ejemplo. Ligaduras Dinámicas.
Capitulo 1
INTRODUCCIÓN A LA PROGRAMACIÓN ORIENTADA A OBJETOS (POO)
Un poco de historia de la POO.
La programación de computadoras es una actividad humana que se ha
desarrollado casi enteramente durante la segunda mitad del siglo XX. Por lo tanto
podemos suponer que aún está en sus orígenes y que el futuro traerá todavía grandes
adelantos técnicos y teóricos que mejorarán sus resultados.
En su corta historia, la programación ha sufrido importantes cambios, diríamos
“casi revoluciones”. Los primeros avances metodológicamente ordenados, fueron
protagonizados principalmente por Wirth, Dijstra y de forma menos teórica pero quizás
con más impacto por Kernighan y Ritchie. Es lo que se denominó la programación
estructurada.
Los primeros lenguajes de programación eran simplemente instrucciones que se le
podían dar a un autómata como una computadora, para que realizara ciertas
operaciones. Así un programa no era sino una lista de instrucciones encaminadas a
realizar algún cálculo.
A medida que las computadoras fueron haciéndose más sofisticadas, sus
lenguajes propios o lenguajes de máquina iban cambiando y surgió la necesidad de
crear unos lenguajes intermedios que cualquier usuario pudiera aprender y que no
dependieran de la máquina concreta en la que se iban a ejecutar los programas. Así
surgieron varios lenguajes que se hicieron famosos y también surgieron los primeros
compiladores. Un compilador es un programa que traduce las instrucciones de un
lenguaje más o menos humano, a las de una máquina.
La aparición de estos lenguajes intermedios y sus compiladores marca el comienzo
de la programación como una nueva ciencia. El tremendo éxito que las computadoras
tuvieron a lo largo de los años 60 fue llevando a la creación de programas cada vez
más complejos que llegaban a tener miles de líneas de código.
Hacer correcciones a este tipo de programas y agregarles mejoras se fue
convirtiendo en una labor muy ardua. Ante este problema que amenazaba con
convertir las computadoras en máquinas estériles, surgió un grupo de científicos de la
computación, de los cuales Dijstra y Wirth son dos de los más destacados. Estos
propusieron una serie de ideas que llevaron a la creación de ese nuevo concepto
indicado al inicio: la programación estructurada.
Otros científicos experimentaron ideas similares creando diversos lenguajes de
programación orientada a objetos como Smalltalk. En ellos se experimentó con otras
ideas útiles como la definición de subclases que heredan las propiedades de su
superclase o sea de la clase de la que se derivan, pero agregando variables y
funciones nuevas. También surgió una idea que ayudaría a evitar los difíciles
problemas que surgían en el manejo de la memoria dinámica: los constructores y
destructores de objetos.
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A principios de los 90 se popularizó un nuevo lenguaje orientado a objetos. Se
trata del C++ creado por Bjarne Stroustrup. La idea de Bjarne Stroustrup fue crear un
lenguaje orientado a objetos que heredara prácticamente toda la sintaxis y
posibilidades del lenguaje que en ese momento era más popular entre los
programadores, el lenguaje C. Este truco ayudó a popularizar la programación
orientada a objetos y preparó el camino para la aparición del Java.
Los creadores de Java aprendieron bien la lección de Bjarne Stroustrup. Un nuevo
lenguaje para tener éxito debía ser muy parecido al que en el momento de su
lanzamiento fuese el más popular. Así, Java se creó con un gran parecido al C++.
Pero Java es un lenguaje más puro de programación orientada a objetos, conserva
un poco del C original, pero se parece más al C++. Puede verse al C++ como un paso
intermedio en la transición de la programación estructurada del C a la programación
orientada a objetos más pura del Java. Microsoft está tratando de impulsar un nuevo
lenguaje llamado C# (C sharp) que promete ser aún más puro como lenguaje
orientado a objetos, adopta prácticamente todas las mejoras de Java y agrega algunas
nuevas. Habrá que estar pendientes una vez lanzado a los programadores de sus
posibles ventajas y probables desventajas (en computación nunca se gana algo sin
perder otra cosa, lo importante es que en promedio las cosas vayan mejorando).
Hacia los 80’s el paradigma orientado a objetos comenzaba a madurar como un
enfoque concreto de desarrollo de software. En los últimos años esta metodología ha
experimentado un gran progreso, tanto en el desarrollo de programas como en la
forma de presentar las aplicaciones del sistema al usuario.
Actualmente la Tecnología Orientada a Objetos (TOO) no solo se aplica a los
lenguajes de programación, sino que también se ha propagado a los métodos de
análisis y diseño y a otras áreas, tales como las bases de datos y/o las
comunicaciones. Por lo tanto, para hacer desarrollo de sistemas de software basados
en la TOO, hay que entender bien todos los conceptos del modelo de objetos que está
detrás de ella y sus antecedentes históricos.
Uno de los defectos de la programación imperativa es que las variables globales
pueden ser utilizadas y modificar sus contenidos, desde cualquier punto del programa.
Los programas que carecen de disciplina para acceder a variables globales tienden a
ser inmanejables. La razón es que los módulos que acceden a estas variables no se
pueden comprender completamente, de forma independiente, de todos aquellos otros
módulos que también acceden a las mismas variables globales, es decir, todo está
relacionado con todo.
Este problema fue detectado alrededor de 1970 por David L. Parnas, quien
propuso la norma de ocultar información como solución. Su idea era encapsular cada
una de las variables globales del programa en un módulo junto con sus operaciones
asociadas, sólo mediante las cuales se podía tener acceso a estas variables. El resto
de los módulos podrían acceder a las variables sólo de forma indirecta mediante las
operaciones diseñadas a tal efecto. En la actualidad denominamos objetos a este tipo
de módulos.
El primer lenguaje que introdujo los conceptos de orientación a objetos fue
SIMULA 67 creado en Noruega, por un grupo de investigadores dirigido por O. J. Dahl
y K. Nygaard, con el fin de realizar simulaciones discretas de sistemas reales.
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En estos tiempos no existían lenguajes de programación que se ajustaran a sus
necesidades, así que se basaron en el lenguaje ALGOL 60 y lo extendieron con
conceptos de objetos, clases, herencia, el polimorfismo por inclusión (que se obtiene
introduciendo la herencia de clases) y procedimientos virtuales.
El lenguaje fue utilizado sobre todo en Europa y no tuvo mucho impacto comercial,
sin embargo los conceptos que se definieron en él, se volvieron sumamente
importantes para el futuro del desarrollo de software.
La programación estructurada propone dos ideas básicas: no repetir código y
proteger las variables que una parte del programa usa, de que sean modificadas
accidentalmente por otras partes del programa. Una sola repetición de código es
fuente probable de errores y dificulta el mantenimiento de un programa. Para no repetir
código hay que escribir funciones o procedimientos que se encarguen de realizar
siempre lo que las diferentes repeticiones realizarían. Para proteger las variables hay
que desarrollar lenguajes que permitan definir variables locales, es decir, que sólo
pueden ser utilizadas dentro de una función o procedimiento. De esta manera ninguna
otra función del programa puede cambiarla.
Como consecuencia de estas ideas disminuye considerablemente el tamaño de los
programas y éstos se hacen más confiables y más fáciles de corregir o mejorar. Para
facilitar la programación estructurada, aparecen nuevos lenguajes, notoriamente el
Pascal y el C, son los dos lenguajes de programación estructurada más conocidos.
Wirth, creador del Pascal, nunca quedó satisfecho con este lenguaje. En su
constante análisis de los hábitos de programación encontraba que todavía había
muchas cosas que mejorar. Una década después del Pascal publicó otro lenguaje
llamado Modula2 en el que presentaban algunas de sus ideas más recientes. Los
módulos de Modula2 pretendían representar objetos o clases. Dentro de un módulo se
definían variables que representaban el estado del objeto y se definían procedimientos
que describían su comportamiento. Las variables y los procedimientos de un módulo
podían ser de uso público o privado, exclusivos de la clase, según lo decidiera el
creador del módulo. Con todo esto se mejoraba notoriamente lo instituido por el Pascal
donde el concepto de procedimientos o funciones privadas no existía y se daba un
paso importante hacia la programación de clases o programación orientada a objetos.
Alrededor de los años 70’s fue desarrollado el lenguaje de programación OO
llamado SMALLTALK en los laboratorios Xerox en Palo Alto, EE.UU. Éste lenguaje
adoptó los conceptos nombrados anteriormente como su fundamento. El hecho de ser
creado en EE.UU., ayudó a que se introdujera a escala mundial el término de
Orientación a Objetos (Object Oriented OO) y que cobrara importancia entre los
diseñadores de lenguajes de programación.
Los puntos importantes de este lenguaje fueron, por un lado, adoptar el concepto
de objeto y clase como núcleo del lenguaje y la programación interactiva, incorporando
las ideas ya conocidas de lenguajes funcionales. Es decir que se tuviese un lenguaje
interpretado y no compilado.
En 1985, Bjarne Stroustrup extendió el lenguaje de programación C a C++, es
decir C con conceptos de clases y objetos, cerca de esta fecha, 1986, se creó desde
sus bases el lenguaje EIFFEL por B. Meyer. Ambos manejan conceptos de objetos y
herencia de clases. La herencia es múltiple, y se introduce pensando en dar mayor
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flexibilidad a los desarrolladores. Sin embargo, actualmente la herencia múltiple se ha
evitado por agregar complejidad en las estructuras de clases.
Ambos lenguajes tuvieron importancia entre 1985 y hasta la primera mitad de los
90’s.
En 1995 apareció JAVA, el más reciente lenguaje OO, desarrollado por la empresa
SUN Microsystems, que hereda conceptos de C++, pero los simplifica y evita la
herencia múltiple. En su lugar se introduce el término de interfaz, y la herencia múltiple
de interfases. Obtiene una rápida aceptación gracias a los applets, que son programas
en JAVA insertados en páginas WEB dentro del código HTML.
Estos programas pueden viajar a través de la Internet y brindarle al usuario mayor
interactividad con las páginas WEB. JAVA introduce también, la programación
concurrente y distribuida. El lenguaje es mitad compilado y mitad interpretado dando
como resultado la portabilidad a distintas plataformas. JAVA aun sigue evolucionando
y se espera que en los próximos años logre la madurez adecuada para convertirse en
un lenguaje de desarrollo de mayor importancia.
Ideas básicas de la POO
La programación orientada a objetos es una metodología que descansa en el
concepto de objeto para imponer la estructura modular de los programas. Permite
comprender el dominio del problema a resolver, al intentar construir un modelo del
mundo real que envuelve nuestro sistema. Es decir, la representación de este mundo
mediante la identificación de los objetos que constituyen el vocabulario del dominio del
problema, su organización y la representación de sus responsabilidades.
El paradigma orientado a objetos se basa en los tres métodos de organización que
utilizamos desde nuestra infancia y en los que basamos todo nuestro pensamiento:
a) la diferencia entre un objeto y sus atributos (por ejemplo, entre una
manzana y su sabor o peso),
b) la diferencia entre un objeto y sus componentes (por ejemplo, entre una
manzana y su piel o semillas) y
c) la formación y distinción entre clases de objetos (por ejemplo, entre
manzanas rojas, manzanas verdes, etc.)
La idea de manejar objetos reales como contenedores de estados y
comportamientos, es mucho más atractiva desde el punto de vista del usuario. De esta
manera no tendrá que batallar con construcciones orientadas al computador, sino que
podrá manejar objetos (y operaciones) que se asemejen más a sus equivalentes en el
mundo real. La elevación del nivel de abstracción es sin duda un objetivo deseable.
Las técnicas orientadas a objetos usan un mismo modelo conceptual para el
análisis, el diseño y la programación. La transición desde el análisis al diseño es tan
natural que es difícil especificar donde comienza uno y donde acaba el otro.
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Ventajas e inconvenientes de la orientación a objetos
Entre las ventajas más importantes podemos destacar:
Favorece la comunicación entre analistas, diseñadores, programadores y
usuarios finales al utilizar todos los mismos modelos conceptuales.
Esto se traduce en un aumento de la productividad, ya que la comunicación es
uno de los puntos críticos en las primeras fases del proyecto.
Se facilita la representación de estructuras complejas sin necesidad de
adaptarnos a normas y modelos, ya que lo que manejamos son objetos del
mundo real, lo que facilita la tarea del analista.
La semántica de estas técnicas es más rica (al ser más natural); al usuario final
le es más fácil comprender lo que el analista representa en sus modelos (ya
que representa los objetos que lo rodean habitualmente)
Favorece la modularidad, la reusabilidad y el mantenimiento del software.
Estas técnicas son más resistentes al cambio que las tradicionales técnicas de
análisis orientadas a flujos de datos.
Algunas de sus desventajas:
Hay que ser muy cuidadosos en la creación de los objetos, ya que de ello
dependerá el éxito de nuestro proyecto. Un error en estas primeras definiciones
podría resultar catastrófico. Precisamente el secreto de esta técnica está en la
correcta definición inicial de los objetos.
Los estándares en este tipo de técnicas están en continua evolución, lo que
exige una actualización permanente.
Los analistas, diseñadores y desarrolladores del proyecto deben conocer las
reglas del juego y poseer suficiente experiencia en programación.
El modelo OO
Podemos indicar que se apoya en cuatro conceptos básicos:
objeto
clase
herencia
envío de mensajes
Los primeros tres conceptos se refieren a la parte estructural o estática del modelo
y el cuarto, que corresponde a mensajes, se refiere a la parte del comportamiento
dinámico.
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Definiciones básicas
Definición de Objeto: En términos más generales, un objeto es una abstracción
conceptual del mundo real que se puede traducir a un lenguaje computacional o de
programación OO.
La abstracción de objeto se caracteriza por tener una identidad única que lo
distingue de otros objetos.
También tiene un estado, que permite informar lo que éste representa y su
comportamiento, es decir lo que él sabe hacer. Hablando en términos
computacionales, la identidad del objeto se puede interpretar como la referencia. El
estado de objeto es una lista de variables conocidas como sus atributos, cuyos valores
representan el estado que caracteriza al objeto.
El comportamiento es una lista de métodos, procedimientos, funciones u
operaciones que un objeto puede ejecutar a solicitud de otros objetos. Los objetos
también se conocen como instancias.
Definición de Clase: Es una colección de objetos similares. Estos objetos deben
tener los mismos atributos con valores posiblemente diferentes asignados a estos, y el
mismo conjunto de métodos que definen su comportamiento.
Por otro lado también se puede ver una clase como un molde, esquema o un
patrón que define la forma de sus objetos. O bien, como la estructura estática que
define:
a) el esquema de estados, y
b) el comportamiento que van a tener los objetos
A partir de ese esquema, dinámicamente durante la ejecución de un programa, se
van a ir creando objetos que pertenezcan a esa clase.
Definición de Herencia: Una clase puede heredar sus atributos y métodos a
varias subclases (la clase que hereda es llamada superclase). Esto significa que una
subclase, aparte de los atributos y métodos propios, tiene incorporados los atributos y
métodos heredados de la superclase.
Una subclase puede a su vez comportarse como una superclase y heredar a otras
clases, creando de esta manera la jerarquía de herencia. Cuando una clase hereda de
más de una superclase se conoce como herencia múltiple.
Definición de Envío de Mensajes: ¿Qué sucede cuando los objetos desean
comunicarse entre sí?. Un objeto recibe un estímulo externo de solicitud de un servicio
que se traduce en la invocación de un método de éste objeto.
Al ejecutarse el método, el objeto puede solicitar servicios de otros objetos,
enviándoles mensajes que implican a su vez la invocación de sus métodos, y dentro
de estos, nuevamente invocar servicios de otros objetos y así sucesivamente. Este
envío de mensajes en cascada representa el comportamiento dinámico del modelo de
objetos.
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Haciendo un paréntesis, es importante diferenciar entre lenguajes OO y lenguajes
que no lo son. Tenemos lenguajes:
Base-objetos: Lenguajes que no tienen herencia. Presentan un concepto parecido a
clase y alguna forma de crear objetos a partir de ésta.
Orientado a objetos: Presentan el concepto de objetos, clases y herencia de clases.
Diferencia entre el modelado por descomposición funcional y el OO.
Veamos la diferencia con un ejemplo
Problema: Hacer bife criollo
Resolución según la Descomposición funcional:
Se declara una lista de datos, los cuales se encuentran en un espacio común. El
algoritmo divide al problema en sub-problemas o funciones, partiendo de las más
complejas hasta llegar a las acciones más sencillas de realizar, llamadas también
atómicas.
En todo momento la descomposición del problema se hará identificando las
acciones (verbos) que se deben realizar.
Hacer bife criollo acompañado de papa se divide en dos subproblemas:
freír bifes con cebollas
añadir acompañamiento
Freír bifes con cebollas presenta tres subdivisiones:
freír bifes
preparar salsa con cebolla, perejil y pimientos verdes
juntar bifes con la salsa
Freír bifes y juntar bifes con la salsa son actividades que ya se saben realizar
(atómicas).
Sin embargo, el caso de preparar salsa con pimientos verdes aún podemos
aclararlo más:
Rehogar cebolla, el pimiento verde y el perejil
Agregar 1 ajo picado chico
freír la salsa
que ya son actividades atómicas.
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Para el caso de añadir acompañamiento se particiona en dos actividades atómicas
añadir papa cocida
añadir perejil
Si se deseara ahora preparar bife criollo con salsa de pimiento rojo, se tendría que
buscar cuales actividades hay que modificar. En este caso sería la parte de los datos y
preparar salsa verde, rehogar cebolla pimiento verde y perejil, en el caso de nuestro
ejemplo.
Sin embargo, lo complicado no termina en modificarlos, ya que no se sabe si en
alguna otra parte del sistema se puedan referenciar y entonces esto traiga problemas.
Descomposición OO
La modelación de esta solución se realiza a través de los sustantivos que definen
al problema. En este caso los sustantivos (nombres) más importantes son:
Bife_Criollo, Salsa_Verde, Ingredientes, Licuadora, Sartén y Acompañamiento.
Todos estos van a ser nuestros objetos que internamente van a integrar datos y
operaciones, que podemos asociarlos de manera lógica a cada uno de sus conceptos.
Cuando se pide haz_bife_criollo al objeto Bife_Criollo, este debe tener un método
que sabe hacer bife criollo apoyándose en el objeto Freír_Bifes_Con_Cebolla, que
tiene bifes como dato y saber freír bifes cómo método.
Para el caso de Salsa de pimiento verde, Bife_Criollo le envía un mensaje
diciéndole prepárate y entonces se preparará enviando mensajes a Ingredientes que
los Rehoga, Licuadora que los pica y finalmente llama a Sartén para que los fría.
Finalmente Bife_Criollo le va a enviar un mensaje a Acompañamiento, para que se
añada la papa y el perejil, y quede finalmente preparado nuestro plato Bife Criollo.
Es importante notar que los datos se encuentran implícitos formando parte de los
objetos.
Si en este modelo se desea hacer el Bife Criollo con Salsa de Pimientos Rojos,
solo bastaría sustituir el objeto Salsa de Pimientos Verdes por el objeto Salsa de
Pimientos Rojos, que se preparará, enviando mensajes a Ingredientes, Licuadora y
Sartén, sin modificar nada más.