Poo 03

Programación orientada a objetos

Abdiel E. Cáceres GonzálezCentro de Investigación y de Estudios Avanzados - IPN

México D.F., México.2004

¿Qué es la programación orientada a objetos?


Orientado a objetos ha sido la expresión de moda de los últimos años. De repente, todo el mundo la utiliza, pero con un abanico de significados tan amplio que nadie parece saber exactamente lo que dicen los demás. Es difícil imaginar dos lenguajes de progrmación tan diferentes como los son Smalltalk-80 y Ada, y, sin embargo, a veces se dice qde los dos que son orientados a objetos. Otros piensan que los objetos son fundamentalmente una manera de expresar la concurrencia, y aún hay quien dice que son una forma de organizar jerárquicamente unos hechos complejos.

¿Cómo es posible que un mismo término esté relacionado con cosas tan distintas como los lenguajes de programación, las interfaces de usuario, esquemas para representar el conocimiento de los expertos, sistemas operativos distruibuidos, sistemas de conmutación para telefonía, y muchas más? ¿Qué es lo que significa realmente orientado a objetos?


Más allá del entorno de las computadoras, la palabra objeto significa algo que está bien determinado. Los lápices, colibríes, moléculas y galaxias son objetos, pero los océanos, la niebla, y el sarampión no son objetos.

Aunque el concepto de espacio de direcciones de una computadora no define lo que son unos límites dien definidos, los programadores han decidido adoptar esta palabra. Sin definir en primer lugar los términos clave, como es “límites”, no podemos esperar que sea posible entender el significado de una palabra como “objeto”.

Aquí vamos a examinar varios significados del término, describiendo la forma en que se utiliza la palabra en varios lenguajes de programación. El objetivo no es ofrecer una panorámica exhaustiva de todo lo que se ha hecho o se ha dicho con el nombre de programación orientada a objetos, sino describir unos cuantos puntos de vista clave, de entre los que se han explorado en el espectro de posibilidades.

Smalltalk-80

Smalltalk-80 es un lenguaje de programación y un entorno de programación integrados. Es el resultado de más de una década de investigación del Software Concepts Group mantenido por Xerox PARC (Palo Alto Research Center). Smalltalk es un sistema notablemente influyente. No sólo ha afectado a otros productos comerciales, como es sistema Star de ofimática y el sistema Interlisp-D de Ingeniería del conocimiento.

Además, ha influido sobre muchos otros sistemas académicos y comerciales

Xerox Star computer system introducida en Abril 1981

Smalltalk-80

Su influencia sobre muchos otros sistemas Lisa y Macintosh de Apple es algo ampliamente aceptado, por no mencionar su efecto sobre toda una gama de productos menos conocidos de ofimática, autoedición y diseño asistido por computadora. Gran parte del entusiasmo actual por las estaciones gráficas de alta resolución, las interfaces por iconos de usuario, y las computadoras personales, tiene unas raíces que nos llevan a la demostración del valor y la realizabilidad de aquellas ideas.

sistema Lisa (1984)

Smalltalk-80

Antes, el valor de Smalltalk residía en probar conceptos que posteriormente se explotaban en otros sistemas, y no como un sistema de importancia comercial por derecho propio. Esto cambió después, a medida que empezaron a estar disponibles programas comerciales con una relación de costo razonable, y a medida que el mercado iba descubriendo la forma en que Smalltalk encajaba con el abanico tradicional de soluciones de programación.

Desde un principio, los diseñadores de Smalltalk hicieron hincapié en un cierto número de ideas innovadoras y controvertidas sobre lo que debería ser la computación:

Smalltalk-80

1.- Computación personal: Las computadoras son baratas, y las personas son caraas. No se deben compartir las computadoras. Dar a cada persona su propia computadora multiplicaría la potencia de cálculo disponible, y permitiría que el rendimiento de la máquina fuera menos importante en el diseño.

Smalltalk-80

2.- Interacción: El entorno de computación deberá hacer cualquier cosa con tal de proporcionar una retroalimentación inmediata para todas las acciones del usuario

Smalltalk-80

3.- Gráficos: Las personas tienen una facilidad máxima para el pensamiento visual. El texto debe ser sustituido por gráficos siempre que sea posible.

Smalltalk-80

4.- Programación orientada a objetos: Las personas trabajan mediante conceptos de ámbitos de problemas, mientras que el hardware funciona mediante conceptos distintos (operadores y operandos). Parte de la carga conceptual consiste en traducir desde el dominio del problema hasta el dominio de la computadora, haciendo que la máquina funcione en términos de los conceptos más conocidos del mundo habitual del usuario.

Smalltalk-80

Smalltalk-80 es el nombre de varias capas de abstracción que, en conjunto, dan vida a estas afirmaciones. Desde un principio, los diseñadores de Smalltalk-80 se inspiraron en la visión del futuro de Alan Kay, el Dynabook. Smalltalk-80 se diseñó para que fuese el lenguaje de programación de sistemas en máquinas de esta potencia.

La máquina virtual

En Smalltalk-80, un objeto es algún dato privado, y una colección de procedimientos que pueden acceder a esos datos. Los datos son propiedad privada del objeto, y no es posible acceder a ellos sin ayuda de uno de los procedimientos de ese objeto. Los procedimientos son públicos para todos los consumidores, que acceden al objeto mediante expresiones que contienen mensajes.

Procedimiento Procedimiento Procedimiento

Procedimiento Datos privados

Procedimiento

Procedimiento Procedimiento


La máquina virtual

El mensaje que contiene la expresión dice al objeto lo que debe hacer. El objeto responde al mensaje seleccionando primero y ejecutando después un procedimiento mediante el cual todos los objetos de su clase ponen en práctica este mensaje. Este procedimiento se denomina método, y la orden que lleva el mensaje se llama selector.


Procedimiento Datos privados

Procedimiento



Mensaje: Objeto has esto

Objeto

La máquina virtual



Metodo Datos privados

Procedimiento



Mensaje: Objeto has esto

Objeto

La máquina virtual




Procedimiento



Objeto

La máquina virtual




Procedimiento



respuesta del objeto

Objeto

La máquina virtual

Smalltalk sigue exhaustivamente este principio. Absolutamente todo son objetos: no sólo las entidades grandes y poco utilizadas, como las ventanas, directorios y proyectos, sino también las entidades muy utilizadas, de bajo nivel, como los enteros y las zonas de pila. (Por supuesto, tanto en estos casos como en otros, se lleva a cabo una potente optimización).

La ventaja es la consecuencia que se aprecia a lo largo y ancho de todo el sistema. Todo el sistema integrado está organizado en virtud de un único principio, de tal modo que el usuario sólo necesita comprender este principio para explorar cualquier parte de Smalltalk-80. Una vez que ha aprendido a utilizar el inspector para examinar un objeto ya sabe todo lo que necesita para inspeccionar y entender las zonas de pila, enteros, números de punto flotante y literalmente, cualquier cosa del sistema.

La máquina virtual

En este curso vamos a adoptar las definiciones de Smalltalk-80 para todos los conceptos orientados a objetos, incluyendo objetos, mensajes, clases y métodos, y herencia.

La exepción principal es la forma en que se determina la duración de los objetos. Smalltalk-80 proporciona una recolección automática de basura, lo cual significa que la duración de todos los objetos no está determinada por el programador, sino por el sistema. Cuando ya no se hace referencia a un objeto, su memoria se libera automáticamente para ser reutilizada.

La máquina virtual

Para conseguir esta eficiencia, y también para permitir que el espacio libre se pueda reunir fácilmente cuando la memoria se fragmenta, Smalltalk asigna un significado al concepto de objeto. Normalmente, los objetos se identifican directamente mediante sus direcciones de memoria. Pero en Smalltalk se identifican a partir de un offset, dentro de una tabla de objetos, una de cuyas entradas es la dirección en memoria del objeto. Esto oculta la gestión de memoria a los ojos del programador y hace que la gestión de direcciones sea asunto del sistema, y le permite que traslade las cosas cuando sea necesaro.

La máquina virtual

Todas las cosas son objetos, incluso las entidades de bajo nivel, como los enteros cortos.

Una realización típica representa a los identificadores de objetos como enteros de 16 bits, de los cuales se emplean 15 bits para identificar directamente a los enteros cortos (esto es, los enteros cortos no ocupan posiciones dentro de la tabla de objetos). El otro bits se utiliza para indicar que esa identificación no es la de un entero corto, sino un offset dentro de la tabla de objetos.

Número entero de 15 bits

1- Es un offset dentro de la tabla de objetos

0- No es un offset. Es un número solamente

La máquina virtual

Los beneficios de la recolección automática de basura son muchos, porque eliminan toda una clase de errores realmente desagradables. Se elimina el problema de los punteros colgantes,

La máquina virtual

Los beneficios de la recolección automática de basura son muchos, porque eliminan toda una clase de errores realmente desagradables. Se elimina el problema de los punteros colgantes, consistente en que los identificadores de objetos inexistentes (que se producen al liberar el objeto al que apuntan) pueden permanecer en un estado de animación suspendida durante periodos arbitrarios de tiempo, y después causan problemas difícilmente diagnosticables (errores del sistema) cuando, finalmente, se accede a ellos.

La máquina virtual

Y además se evita el problema, igualmente peligroso, consistente en que una aplicación que se ejecute durante mucho tiempo pueda asfixiarse por falta de memoria, como consecuencia de no haberse liberado objetos que ya no se necesitan.

La máquina virtual

Pero también tiene sus inconvenientes. En combinación con el intenso uso de mensajería ligada dinámicamente por parte de Smalltalk, puede dar lugar a unos costos monumentales en lo que se refiere a los recursos de la máquina, impidiendo que se utilice Smalltalk-80 para algunas aplicaciones en que el rendimiento es imprescindible.

Ciertamente, los recursos no se están desperdiciando, sino que han sido invertidos deliberadamente, con objeto de trasladar un trabajo que normalmente realizan los programadores, que cada vez son más onerosos, a unas máquinas que cada vez son más baratas.

El lenguaje de programación

La simplicidad de la máquina virtual de Smalltalk permite que el lenguaje de programación sea también de una sencillez poco habitual. La compleja sintaxis que ofrece la mayoría de los lenguajes resulta completamente innecesaria, porque todo es de un único tipo, un objeto.

Tampoco se necesitan estructuras de control, puesto que se realizan mediante mensajería.

El lenguaje de programación

De hecho, el lenguaje Smalltalk sólo define la sintaxis para:

los dos últimos no necesitan una sintaxis especial, puesto que se realizan órdenes dadas con el ratón al browser, una herramienta del entorno Smalltalk-80 para leer, modificar y compilar métodos.

1.- Declarar nombres de objetos, y asignarles valores.

sintaxis para:

2.- Enviar mensajes. 3.- Definir nuevas clases y métodos.

Mensajes

El tipo más sencillo de mensajes son las expresiones que contienen mensajes unarios. Un mensaje unario es un mensaje sin argumentos, así que consta de dos partes nada más:

El nombre del objeto que debe recibir el

mensajeEl nombre del mensaje

cantidad sqrtcadNombre size

Mensajes

un segundo tipo de mensaje son los que contienen expresiones con palabras reservadas. Pueden tener argumentos, tantos como partes tenga la palabra reservada. El selector de un mensaje con palabra reservada consta de una o más palabras reservadas, cada una de las cuales precede a un argumento. Una parte de una palabra reservada es un identificador sencillo, seguido por dos puntos

indice max:limitegastosCasa gastoCantidad:540.00 porRazon:Renta

Ambos ejemplos envían un mensaje de una sola palabra reservada, aunque el selector del segundo ejemplo esté escrito en dos partes, separadas por el argumento 548.00.

Mensajes

La primera sentencia envía el mensaje max:, al objeto índice


Mensajes



Y la segunda sentencia envía el mensaje gastoCantidad: porRazon: al objeto gastosCasa.

Mensajes



Y la segunda sentencia envía el mensaje gastoCantidad: porRazon: al objeto gastosCasa.

En ambos casos, los dos puntos forman parte inseparable del selector del mensaje, y se mantienen, incluso, en conversaciones orales. Por ejemplo, el mensaje de la segunda línea se enuncia “gastos-casa-dospuntos-por-razón-dospuntos”. Los dos puntos indican los lugares en que hay que suministrar un argumento. Tanto el receptor como los argumentos pueden ser nombres de variables, constantes u otras expresiones.

Mensajes

Los mensajes binarios se comportan igual que los mensajes con palabra reservada de un solo argumento. El selector de un mensaje binario es siempre uno o dos caracteres de un conjuntos de caracteres especiales designados al efecto. Lo siguiente son ejemplos de expresiones con mensajes binarios:

3+4total-1total<=max

Por último, se utiliza el operador de asignación para almacenar valores en las variables:

suma:=3+4x:=theta sin

Como las expresiones que contienen mensajes pueden estar fuertemente anidadas dentro de otras, se ofrecen reglas de prioridad, y se pueden utilizar los paréntesis para invalidar las reglas de prioridad cuando sea necesario.

Bloques

Smalltalk es un entorno interactivo, así que las expresiones, normalmente se evalúan de inmediato. Es posible almacenar expresiones para su posterior ejecución, encerrándolas entre corchetes. Esto crea una interesante estructura llamada bloque. Un bloque es un objeto (una instancia de la clase Block) que representa una secuencia de instrucciones cuya ejecución debe retrasarse hasta el momento en que el bloque reciba el mensaje value. La mayoría de las estructuras de control de Smalltalk están realizadas como mensajes a objetos que admiten bloques como argumentos. Por ejemplo:

indice<=limite ifTrue:[total:=total+(lista at:indice)]

La expresión indice<=limite es un mensaje binario que enviamos al objeto indice, y que es una instancia de alguna clase de número.

Bloques


El número crea una nueva instancia de la clase Boolean, y la línea siguiente envía a esta variable lógica el mensaje ifTrue: con una instancia de la clase Block como argumento.

La variable lógica evalúa el bloque enviándole el mensaje value si el estado de la variable lógica es TRUE.

Bloques


La expresión indice<=limite es un mensaje binario que enviamos al objeto indice, y que es una instancia de alguna clase de número.

¿Eres menor que limite?indice<=limite indice es un Numero

Bloques

¿Eres menor que limite?indice<=limite

ifTrue:




indice es un Numero

es un Boolean

Bloques

¿Eres menor que limite?indice<=limite

ifTrue:




indice es un Numero

es un Boolean

total:=total+(lista at:indice)

Bloques

Los bloques tienen un aspecto engañosamente sencillo. Oculta en el interior de la breve frase, una secuencia de instrucciones cuya ejecución debe retrasarse, se encuentran algunas posibilidades muy potentes. Por ejemplo, aunque un bloque se parece a una sentencia compuesta de C o a una pareja BEGIN...END de Pascal, y aunque se utilicen frecuentemente de esa manera, los bloques comparten pocas de las limitaciones que imponen estos lenguajes sobre el tiempo que puede retrasarse la ejecución.

En la mayoría de los lenguajes, la ejecución no puede retrasarse más allá de la duración del entorno, una restricción que se deriva de la suposición oculta consistente en que el estado de ejecución de todo bloque de código está contenido en una sencilla pila de hardware, que siempre crece o disminuye por un extremo.

Bloques

Los bloques de Smalltalk-80 no poseen esta restricción, porque las zonas de pila son objetos, y se reservan y liberan con toda la generalidad que se ofrece para cualquier otro tipo de objeto. En particular, los bloques se reservan en el heap, y son eliminados por la colecta de basura, no cuando concluye el entorno que los creó.

Cualquier bloque junto con el entorno en que fuera creado originalmente (su contexto) puede ser retenido indefinidamente, y puede ser ejecutado mucho después de que retorne el mensaje que lo creó. Por ejemplo, lo que sigue proporciona a unConjunto instrucciones acerca de lo que tienen que hacer si falla la eliminación de unElemento; por ejemplo, porque el conjunto no contiene ese elemento:

unConjunto remove:unElemento ifFail:[...]

Bloques

unConjunto remove:unElemento ifFail:[...]

Este bloque será ejecutado por unConjunto, y no por el que hizo la llamada, pero, sin embargo, tendrá acceso completo al contexto del método que hiciera la llamada, incluyendo sus variables locales y sus argumentos. Al bloque se le da una referencia del contexto del que hace la llamada cuando se crea el bloque, y este contexto persiste mientras exista alguna referencia a él en alguna parte del sistema.

Por ejemplo, está permitido almacenar referencias de bloques en objetos de larga duración, como los menús, que sobreviven al procedimiento que los ha creado.

Bloques

Esta extraordinaria posibilidad se deriva directamente de la decisión de no hacer excepciones a la regla consistente en que todo debe beneficiarse de toda la potencia que el sistema proporciona para cualquier objeto, incluyendo las entidades de bajo nivel que la mayoría de los lenguajes gestiona de forma especial, como las zonas de pila. Los beneficios son cuantiosos, porque este único concepto, el bloque, saca del lenguaje un cierto número de temas difíciles, y los pone a disposición de los usuarios. El precio también es considerable, porque incluso las operaciones más utilizadas, como la mensajería, no pueden beneficiarse del uso de rápidas pilas secuenciales especializadas, y además soportan el peso del tratamiento de la recolección de basura.

El entorno de programación

El lenguaje de programación, las herramientas complementarias (editores de texto, enlazadores, depuradores) y el sistema operativo en sí, son un todo integrado y fuertemente acoplado, y son corresidentes en un mismo espacio virtual de direcciones.


Este entorno hace hincapié en la creatividad personal. Esto resulta especialmente evidente en su filosofía, que es hacer posible el acceso a todo el sistema, incluso a cosas que la mayoría de los programadores no osaría cambiar, como el sistema operativo, o la representación de los números de punto flotante. Ninguna de esas cosas está protegida.


Todo se puede modificar de manera igualmente sencilla; incluyendo aquellos cambios que no sean congruentes con el resto del sistema y puedan hacerlo caer, o cambios que pudieran hacer que el trabajo subsiguiente no fuera compatible con el que se esté desarrollando en sistemas vecinos. De manera que hay que tener mucho cuidado para no tener serios problemas con el sistema.


La confusión que puede causar la piratería sin orden ni concierto era evidente para los diseñadores de Smalltalk-80, y le obligó a pensar creativamente acerca de las herramientas necesarias para gestionar el cambio. El resultado fue un entorno maravillosamente diseñado, para enfrentarse al cambio de una forma cómoda y disciplinada. Los usuarios de Smalltalk-80 trabajan en pantallas de alta resolución, utilizando una herramienta llamada browser.


El browser es como un editor de textos, porque puede mostrar el código fuente para leerlo o editarlo. También la forma fundamental de utilizar el compilador, modificando por tanto el sistema en su lugar.

El browser ofrece también una vía para que los miembros del equipo se comuniquen en lo que se refiere a su software. El entorno personal de cada programador se construye integrando periódicamente el trabajo de todo el equipo. La persona responsable de integrar el trabajo del equipo utiliza una herramienta similar al browser. Va comprobando la congruencia de cada cambio, e identifica a los objetos sospechosos para que se les preste especial atención. Esto produce una nueva versión del sistema base, que se distribuirá a todos los miembros del equipo.


Cada una de las nuevas versiones incluye todo el código fuente del sistema, incluyendo los comentarios, de tal modo que integración/publicación va dando a conocer periódicamente el trabajo de cada individuo al resto del grupo. Los miembros del grupo pueden utilizar el browser para conocer las contribuciones de los demás, y el browser admite estas búsquedas con ayudas que ofrecen referencias cruzadas.

Esto equivale a un medio electrónico de publicar y estudiar el tipo de información que la mayoría de los programadores gestiona de forma menos eficiente empleando el papel.

Está claro que Smalltalk es la solución, pero, ¿cuál es el problema?

Desde un principio, el objetivo de los creadores de Smalltalk era la investigación. La utilidad de cualquier producto resultante, como el propio Smalltalk, era puramente secundaria. En este aspecto tuvieron éxito porque los frutos de su trabajo han tenido una amplia difusión. Pero, ¿qué pasa con Smalltalk en sí? ¿Tiene su lugar más allá del entorno de la investigación junto a los lenguajes convencionales de programación como C, o incluso al lado de robustos dinosaurios como COBOL o FORTRAN?

La aplicación evidente es la construcción de prototipos de sistemas, que después volverán a codificarse en lenguajes convencionales, y parece que a esto se reduce la mayor parte de su utilización en la actualidad.


Estas gigantescas bases de datos existen porque los ejecutivos necesitan una información precisa y actualizada, sobre la cual basarán sus decisiones. Pero se quejan por los retrasos e incomodidades implícitos al acceder a los datos, separados como están de ellos por varias capas de personal dedicado a procesamiento de datos.


Smalltalk podría muy bien tener un papel, incluso en ese mundo de traje y corbata. Un programador de Smalltalk podría desarrollar clases que encapsulen el conocimiento necesario para extraer datos del entorno, y estas clases se utilizarían para permitir que otros programadores menos experimentados atendiesen directamente al ejecutivo.


Smalltalk podría muy bien tener un papel, incluso en ese mundo de traje y corbata. Un programador de Smalltalk podría desarrollar clases que encapsulen el conocimiento necesario para extraer datos del entorno, y estas clases se utilizarían para permitir que otros programadores menos experimentados atendiesen directamente al ejecutivo. El entorno de la computadora personal podría funcionar como acoplamiento de impedancias entre las necesidades del ejecutivo y los límites de la computación organizada.

Ada

La publicidad que rodea a este lenguaje es tan amplia que apenas es necesario mencionarlo de nuevo. Realizado por el Ministerio de Defensa de los Estados Unidos, Ada fue diseñado como sustituto de tecnología punta para la variada colección de lenguajes que se utilizaban para construir sistemas empotrados de computadoras. A lo largo de todo el proyecto se tuvo la intención explícita de que Ada fuese obligatorio para trabajar con sistemas empotrados, en los cuales la computadora es un componente relativamente pequeño que forma parte de un sistema mucho más grande, y que implica superficies de control de aeronaves, sistemas de armamento, ayudas para la navegación, sistemas de comunicaciones y cosas parecidas.

Ada

El aspecto exacto en que los sistemas empotrados se diferencían de los normales, no ha estado nunca claro. Es probable que esta ambigüedad sea intencionada, porque el objetivo, desde el principio, ha sido el de reducir el número de dialectos de lenguajes.

Ada siempre ha estado rodeado de controversias. Sus diseñadores han sido acusados de padecer del síndrome del cajón de sastre, porque Ada es un lenguaje amplio, lleno de posibilidades, y extremadamente complicado.

Ada

Hay características complejas y posiblemente mal comprendidas, como la multitarea y la gestión de excepciones, que se definen como parte del lenguaje; es probable que estas capacidades debieran haber sido omitidas en el lenguaje, ofreciéndose en apéndices separables como bibliotecas de subrutinas o paquetes de Ada. Los argumentos de ambos lados son comprensibles, dado el énfasis del Departamento de defensa para evitar una proloferación de dialectos posiblemente incompatibles.

Características orientadas a objetos de Ada

De cualquier forma, aquí no vamos a hablar de Ada como lenguaje, sino del sentido en que se dice que Ada, y otros lenguajes como Ada, admiten una programación orientada a objetos.

Hasta ahora debería ser claro que el objetivo de Ada no es acrecentar el reino de las cosas que se pueden hacer con las computadoras, sino el de ofrecer una sola forma de hacer las cosas que hacen muchos lenguajes incompatibles pero parecidos.


La complejidad de las capacidades de Ada suele obscurecer el hecho de que Ada es, básicamente, un lenguaje convencional. Ada no tiene nada que pueda sorprender a un usuario de C, Pascal o FORTRAN que esté acostumbrado a la multitarea y a la gestión de excepciones que se han pegado al lenguaje base mediante bibliotecas de subrutinas.

Ada es un lenguaje con comprobación estricta de tipos que lleva a cabo todo el enlazado en el momento de la compilación. Los tipos de todos los datos se declaran explícitamente; es el compilador el que toma todas las decisiones en el momento de la compilación, y no los objetos durante la ejecución.


Según las definiciones de Smalltalk, un objeto son unos datos privados más el grupo de procedimientos que pueden acceder a esos datos. Esta encapsulación de datos y procedimientos se logra haciendo que los mensajes sean la única forma en que se puede acceder a cualquier objeto. Dado que la ligadura se retrasa hasta el momento en que se envía el mensaje, no hay dificultad para trabajar con colecciones débilmente acopladas que contengan objetos de distintos tipos.

Datos privados


objeto



Datos privados




Datos privados


Mensaje


En Ada, el mecanismo de encapsulación lo proporciona en su totalidad el compilador, y ha desaparecido antes de la ejecución. Esta es la ventaja de Ada, y también su inconveniente. Es una ventaja para el propósito para el que se diseñó Ada: eliminar la necesidad de múltiples lenguajes convencionales para construir aplicaciones convencionales.

Es mejor para construir colecciones fuertemente acopladas en las cuales el tipo de cada componente pueda ser conocido y especificado por adelantado, porque el compilador puede comprobar que cada uno de los componentes sea el tipo especificado.


Es un inconveniente en problemas en que el cambio no se pueda gestionar editando el fuente y el recompilando. El factor clave para la distinción es el grado hasta el cual se puede tratar el cambio al principio de diseño, antes de que el programa llegue al compilador.

En Ada, el proveedor de una nueva capacidad la ofrece definiendo un paquete. El paquete contiene algunas partes que serán propiedad privada del proveedor, y otras que deben ser publicadas para el código del consumidor. Típicamente, el código y la distribución precisa de los campos dentro del objeto son privados, pero esto no es necesario en modo alguno. El proveedor decide lo que ha de publicarse, y lo que no.

Paquetes

Por ejemplo, el proveedor de un paquete de gráficos podría definir un nuevo tipo de datos, vector, para manejar coordenadas bidimencionales.

package PaqueteGeometriaBiDimensional is type vector is record x : integer; y : integer; end record function “+” (a,b: in vector) return vector; function “-” (a,b: in vector) return vector;end PaqueteGeometriaBiDimensional;

Paquetes

Este paquete define una interfaz entre el consumidor y el proveedor pero no la realización que subyace a esta interfaz. Esto se describe por separado, en el cuerpo del paquete:

package body PaqueteGeometriaBiDimensional is function “+” (a,b : in vector) return vector is begin -- instrucciones end function “-” (a,b : in vector) begin -- instrucciones end begin -- instrucciones para la iniciación end PaqueteGeometriaBiDimensional

Paquetes

El consumidor indica al compilador que utilice un paquete mediante una sentencia with, dando lugar a que las partes públicas del paquete sean conocidas para el código del consumidor. El consumidor puede utilizar los servicios del paquete en cualquier forma que haya previsto el proveedor. Por ejemplo:

with PaqueteGeometriaBiDimensional; origen, extension, esquina: vector; esquina = origen + extension;

Datos privados

a + b a - b

PaqueteGeometriaBiDimensional

Paquetes

Obsérvese que Ada permite la sobrecarga de operadores, de tal modo que los operadores de nombres convencionales, como +, pueden recibir significados especiales para tipos de datos definidos por el usuario. El compilador es capaz de apreciar que:

esquina = origen + extension;

No debe tratarse de la misma forma que:

suma = 2 + 2

Porque el compilador sabe que origen y extension son del tipo vector, y que un paquete ha invalidado el significado convencional del símbolo + para este tipo. Aunque las ventajas de la sobrecarga de operadores son evidentes para los símbolos matemáticos convencionales como +, también es aplicable a nombres de funciones convencionales, como sqrt, calcCorreccionGisroscopio, o aceleraAMaximoImpulso

Discusión

La aproximación de Ada a la programación orientada a objetos, tiene sus ventajas y sus inconvenientes, y no es correcto afirmar con ademán categórico y aire ofendido que “Esto es una ventaja” o que “Eso es un inconveniente”, sin dejar claro “¿con respecto a qué alternativa?” o bien ¿Es el contexto de qué problema?”

Una de las decisiones claves de Ada es que la semántica de un programa dado debería quedar determinada estáticamente. Ada lleva la ligadura estática más allá que los lenguajes de programación anteriores, como C. Pero para aquellos programas que no puedan ser especificados estáticamente, Ada sólo ofrece tipos de acceso. Los tipos de acceso son únicamente punteros; son trucos que permiten al programador realizar colecciones débilmente acopladas de la misma manera que se haría en C, realizando manualmente la ligadura dinámica con ligadura por parte del consumidor.

Discusión

Una de las causas de desilución de Ada son las limitaciones a la hora de definir tipos nuevos reutilizando algún tipo existente. Aunque Ada proporciona tipos y subtipos derivados, esto no es sino una forma de restringir tipos generales, como el integer, para limitarlos a un cierto intervalo o propósito específico, como diaDeLaSemana. Ninguno de ellos posibilita la extensión de un tipo preexistente añadiendo cambios y operaciones adicionales.

Esto es un problema serio, porque elimina la posibilidad, incluso, de tener tipos de herencia limitados, y obliga al desarrollador de cada tipo nuevo a duplicar un código que está contenido en tipos más generales.

Discusión

El concepto de paquete (package) es una verdadera mejora con respecto a los lenguajes convencionales como C. Pero su importancia es difícil de cuantificar. Su mejora es comparable a la mejora consistente en pasar de un lenguaje no estructurado como FORTRAN a un lenguaje estructurdo como C, pero de importancia menor que la obtenida al pasar del lenguaje ensamblador a FORTRAN. Otras partes de la filosofía de Ada, sobre todo la insistencia en que haya un único lenguaje para todos los desarrollos de software, tienen mayor probabilidad de proporcionar ventajas realmente significativas.

Discusión

La ligadura estática obtiene su eficiencia acoplando las decisiones realizadas por el proveedor con las del consumidor en el momento de la compilación, exactamente igual que sucede en los lenguajes convencionales que el DOD había estado utilizando por décadas. Ada ofrece posibilidades nuevas para hacer disminuir este acoplamiento, pero, ciertamente ofrece un excelente apoyo para gestionar el acoplamiento fuerte de una manera cómoda. Y quizás esto sea para bien, porque Ada ya es demasiado grande y demasiadocomplicado para su propio bien. ¿por qué vamos a lamentar el hecho de que sólo admita la ligadura estática, cuando se puede añadir la ligadura dinámica?

C++

C++ es una mejora evolutiva del lenguaje C desarrollado en Bell Laboratories. C++ es particularmente interesante en vista del énfasis que haremos en C objetivo, porque hace contrastar lo que se puede lograr redefiniendo el lenguaje de programación en sí, frente a lo que se consigue añadiendo capacidades orientadas a objetos a un lenguaje base inmutable.

C-Objetivo añade objetos ligados dinámicamente, clases y herencia al lenguaje C estándar. Esto añade justamente las capacidades sificientes para admitir la encapsulación y la herencia, lo suficiente para que se pueda aplicar la tecnología de software integrado a problemas de construcción de sistemas y nopara mejorar el lenguaje de programación en sí.

Laboratorios Bell

C++ fue evolucionando en los Laboratorios Bell para alcanzar los objetivos siguientes:

1.- Mantener la extremadamente alta eficiencia y transportabilidad por las cuales es famoso C

2.- Mantener la compatibilidad entre C++ y C

3.- Corregir algunos fallos de largo tiempo soportados, concretamente la lasitud de C a efectos del tratamiento de tipos. C ha sido criticado desde hace mucho tiempo por su débil comprobación de tipos, incluso dentro de una función dada, y por no hacer comprobación de tipos entre funciones, ni siquiera dentro del mismo archivo.

4.- Actualizar a C para adecuarlo a los modernos principios de ocultación de información.

Laboratorios Bell

C++ es casi un superconjunto puro del lenguaje C, con unas pocas incompatibilidades de escasa importancia. Entre sus mejoras se cuenta la posibilidad de definir nuevos tipos de datos (clases), operaciones con esos tipos (operadores y funciones), y un amplio conjunto de maneras de controlar las operaciones que se hagan con esos tipos, entre las que se incluye la sobrecarga de operadores, los constructores y los destructores.

Clases

Los nuevos tipos de datos se definen mediante la sentencia class, que es una generalización de la vieja sentencia struct, a la cual sustituye, pero que se mantiene a efectos de compatibilidad hacia atrás (struct se trata como un caso especial de class, en el cual todos los miembros son públicos). Por ejemplo, lo que sigue es equivalente a la declaración de una struct:

class ostream {public: FILE *file; int nextchar; char buff[128];};

Clases

Los nuevos tipos de datos se definen mediante la sentencia class, que es una generalización de la vieja sentencia struct, a la cual sustituye, pero que se mantiene a efectos de compatibilidad hacia atrás (struct se trata como un caso especial de class, en el cual todos los miembros son públicos). Por ejemplo, lo que sigue es equivalente a la declaración de una struct:

class ostream {public: FILE *file; int nextchar; char buff[128];};

Así se declara una clase nueva, ostream, con tres miembros: file, nextchar y buf. La palabra reservada public: hace que estos nombres sean públicos, y que pueda acceder a ellos cualquier programa que contenga esta declaración. La única diferencia entre una class y una struct es que los miembros de la struct son públicos por omisión, mientras que los miembros de la class son privados (private) a no ser que se indique explícitamente lo contrario.

Aunque las structs solo podían tener a datos como miembros, las clases también pueden tener miembros de procedimientos, o funciones. Estas funciones pueden ser de dos tipos: funciones friend y funciones member.

Funciones friend

Las funciones friend son funciones convencionales de C. No tienen relación especial con la clase, salvo que se les permite hacer referencia a cualquier miembro que sea un dato y haya sido declarado private (por aparecer delante del marcador public:)

class fecha {int dia, mes, agno;public: friend void fijaFecha(fecha*, int, int, int); friend void siguienteFecha(fecha*); friend void siguienteHoy(); friend void imprimirFecha(fecha*);}

Funciones friend



Esto hace que la realización de las fechas sea privada (private), y que sólo se pueda acceder a ellas

mediante las cuatro funciones friend.

Funciones friend





Los tipos de los argumentos que admiten estas funciones también se declaran; estos tipos no sólo son comprobados por el compilador, sino que, además, se utilizan también para guiar las decisiones de enlazado.

Funciones friend



Esta clase podría utilizarse, por tanto, como sigue:fecha miCumpleagnos, hoy;fijarFecha(&miCumpleagnos,30,12,1980);fijarFecha(&hoy,12,11,2004);imprimirFecha(&hoy);siguienteFecha(&hoy);



Los tipos de los argumentos que admiten estas funciones también se declaran; estos tipos no sólo son comprobados por el compilador, sino que, además, se utilizan también para guiar las decisiones de enlazado.

Funciones miembro

Aunque las funciones friend son funciones convencionales, las funciones miembro, sin embargo, están asociadas a la clase en el mismo sentido en lo que lo están los miembros que son datos. Las funciones miembro son las que dan a C++ su aroma orientado a objetos. Sirven para realizar operaciones en una instancia de alguna clase, mientras que las funciones friend no son más que funciones estándar de C a las que se les permite hacer referencia a los nombres de los miembros privados. Las funciones miembro se declaran mencionando su declaración dentro de la declaración de la clase, junto con la declaración de las variables miembro:

class fecha { int dia, mes, agno; /* la realizacion de las fechas*/public: void fijar(int int, int, int) /* la interfaz de las fechas*/ void siguiente(); void imprimir();};

Funciones miembro

Las funciones miembro se invocan mediante una sintaxis que refleja su papel de operaciones realizadas por un cierto objeto, y sigue la pauta de la forma en que se accede a los miembros de una estructura:

miCumpleagnos.imprimir();hoy.siguiente();

Para definir una función miembro, es preciso proporcionar también el nombre de su clase:

void fecha.siguiente(){ dia=dia + 1; if(mes== FEB && dia > 28) ...}

Tales funciones reciben siempre un argumento implícito, this, que identifica al objeto que lleva a cabo la acción. En este ejemplo, el campo dia se piede identificar tanto en la forma dia como en la forma this->dia.

Clases derivadas

C++ también proporciona la posibilidad de definir subclases con herencia, describiendo la forma en que la clase nueva (derivada) difiere de alguna superclase anterior (a la que hereda). Esta técnica es distinta en ciertos detalles de la empleada por Objective-C, y pierde generalidad y espacio en memoria para ganar una mayor comprobación de tipos en el momento de la compilación y una cierta cantidad de eficiencia. Por ejemplo, una clase de formas se podría definir como sigue:

class forma{ vector centro; int color; int color; forma *siguiente;public: void mover(vector); /* cambiar la posicion de una forma */ vector donde(); /* responde con la posicion de la forma*/ virtual void rotar(int); /* rotar una forma */ virtual void dibujar(); /* mostrar una forma */}

Clases derivadas

Las funciones virtuales son funciones que no se podrían realizar sin conocer la forma concreta de que se trate, y que deben ser invalidadas, por tanto en cada subclase:

class circulo{ float radio;public: void rotar(int){ ; } /* como se rota un circulo */ void dibujar(); /* como se dibuja un circulo */ ...};

La palabra reservada virtual indica que éstas funciones deben enlazarse dinámicamente, y fuerza al compilador a añadir un miembro invisible a cada instancia que indica explícitamente su clase en el momento de la ejecución.

Clases derivadas

Ahora es posible definir subclases que obedezcan a un protocolo común, de tal modo que se puede dbujar cualquier forma mediante:

cualquierInstancia.dibujar();

C++ permite derivar una clase nueva a partir de múltiples superclases (herencia múltiple). Los conflictos que surgen como consecuencia de que la clase nueva herede miembros con los mismos nombres de más de una clase se resuelven según un cierto conjunto de reglas del lenguaje.

Clases derivadas

Por ejemplo, para derivar una clase llamada plato a partir de las clases círculo y recipiente, que ya existían con anterioridad, se crearía la declaración siguiente:

class plato: public circulo, recipiente { /* ... */ };

Clases derivadas

Además de mostrar que plato debe realizarse copiando las variables y métodos de círculo y recipiente, esta sentencia indica también el tipo de acceso a los miembros de las clases base circulo y recipiente que tendrá un usuario de plato. La palabra reservada public que va delante de circulo indica que los usuarios de plato comparten los mismos privilegios de acceso a los miembros protegidos y públicos de circulo que posee el propio plato.

Por otra parte, la ausencia de una palabra reservada delante de recipiente lo identifica como privado. El acceso a los miembros públicos y protegidos de circulo está limitado únicamente a plato; los usuarios de plato no pueden acceder en absoluto a los miembros de recipiente. Este mecanismo permite al diseñador de clases restringir de manera selectiva el acceso a sus superclases.

Datos protegidos

Cuando se deriva una clase nueva de una clase vieja, surge la duda: ¿a qué debería tener acceso la clase derivada? en C++ el acceso de la clase derivada a los miembros de la clase base es gestionado por el creador de la clase base. El creador puede especificar que los miembros de la clase sean de acceso público, privado o protegido. Supongamos que variamos la definición de la clase forma para que quede como sigue:

class forma{private: forma *siguiente;protected: vector centro; int color;public: ....}

Las funciones miembro y las funciones friend de las clases derivadas podrían acceder a los miembros “centro” y “color” de la clase forma, puesto que se ha indicado que son protected. Sin embargo, no podrían acceder al miembro “siguiente”, puesto que ha sido marcado como private

Sobrecarga de operadores

LAs capacidades descritas para las funciones son aplicables también a otros operadores. Anteponiendo al símbolo de un operador la palabra reservada operator, es posible ofrecer una nueva realización de ese operador. Por ejemplo, el último par de declaraciones que se ven a continuación definen la forma en que debe comportarse “+” para la clase vectores:

class vector{ int x,y;public vector(int xc, int yc){x= xc; y= yc;} /* constructor */ vector(int xc){ x= xc; y=0; } /* constructor */ vector(vector p){ x= p.x; y=p.y;} /* constructor */

friend vector operator+(vector, vector); /* sumar dos vectores */ friend vector operator+(vector, int); /* sumar un vector y un entero */ ...}


Las capacidades descritas para las funciones son aplicables también a otros operadores. Anteponiendo al símbolo de un operador la palabra reservada operator, es posible ofrecer una nueva realización de ese operador. Por ejemplo, el último par de declaraciones que se ven a continuación definen la forma en que debe comportarse “+” para la clase vectores:

class vector{ int x,y;public vector(int xc, int yc){x= xc; y= yc;} /* constructor */ vector(int xc){ x= xc; y=0; } /* constructor */ vector(vector p){ x= p.x; y=p.y;} /* constructor */

friend vector operator+(vector, vector); /* sumar dos vectores */ friend vector operator+(vector, int); /* sumar un vector y un entero */ ...}


Esto define vectores en unplano bidimensional de coordenadas enteras. Las tres funciones llamadas vector son constructores. Los constructores definen la forma en que se construyen los nuevos vectores cuando aparecen en sentencias de iniciación y también cuando se construyen muevos vectores en la pila al llamar a una función.

Dado que la declaración también contiene la realización de estos operadores, la realización se expandirá en línea, y no se incurrirá en un gasto adicional de tiempo para dar valores iniciales a los vectores. Esa característica de expansión en línea se aplica a cualquier tipo de operador que pueda ser declarado en una clase, no sólo en los constructores


Los tres operadores restantes definen la forma en que funciona el operador + cuando los dos lados son vectores, o cuando el lado derecho es un entero. La declaración podría extenderse, para construir una clase de vectores completa, con productos por escalares, productos vectoriales, productos tensoriales, etc.

vector este = (1), norte = (0, 1);vector norEste = norte + este;

Administración de la memoria

En C++ es posible asignar dinámicamente nuevos objetos en el montículo (heap), y después se accede a ellos mediante sus direcciones. También se pueden reservar objetos estáticamente, y se accede a ellos por su nombre, como en el caso de los tres vectores que se han mostrado en el ejemplo anterior. En el momento de la ejecución, el espacio correspondiente a los objetos conocidos por sus nombres debe recibir valores iniciales siempre que su nombre quede dentro del ámbito. Por ejemplo:


1.- Los objetos que se pasen como argumentos a funciones, y los objetos que se declares como variables locales (auto), deben recibir valores iniciales cuando se llamen a esa función.

2.- Los objetos que porporcionan las funciones deben recibir valores iniciales cuando retorne la función.

3.- Los objetos que estén en la pila de llamada a la función (los argumentos y variables locales) deben ser destruidos cuando la función retorne y se retraiga la pila.


C++ ofrece un camino para que el desarrollador de la clase especifique lo que debería suceder en estos casos. El ejemplo del vector muestra cómo se especifican los operadores de construcción. La inversa es una operación destructor, cuyo nombre será el nombre de la clase precedido por el símbolo “~”. Por ejemplo, una clase de cadenas podría ser:

class cadena { int longitud; char *bytes; cadena(char *); /*constructor de cadenas */ ~cadena(){ delete bytes }; /* destructor de cadenas */public: int longitud(){ return longitud } char *texto(){ return bytes }};

cadena.cadena(char *c){ longitud=strlen(c); bytes = new char[longitud +1]; strcpy(bytes, c);}


Esto garantiza que todas las instancias de cadenas que se creen cuando las cadenas se pasen a funciones, y cuando éstas las proporcionen, sean una sola copia. Pero no se gestionan las referencias múltiples que se crean cuando se asigna explícitamente una cadena a otra en una sentencia de asignación. Esto se puede lograr invalidando el operador de asignación.


Obsérvese que, aun cuando esto no sustituye a la recolección automática de basura, puede, a veces, disminuir la necesidad de llevarla a cabo. La recolección automática de basura sigue siendo deseable cuando se hacen múltiples referencias a los objetos a través de punteros. Copiando los objetos cada vez que se necesitan, no existen las referencias múltiples, a sí que es posible liberar los objetos siempre que quedan fuera de nuestro ámbito. Por ejemplo, la realización de cadenas que se muestra aquí implica la reserva e iniciación de una copia cada vez que se pasa la cadena a una función, y el tiempo adicional requerido podría fácilmente resultar inadmisible. C++ no ofrece recolección automática de basura.

Compilación por separado

Cada compilación se realiza de modo aislado, C++ no recuerda las compilaciones anteriores, así que todas las declaraciones acerca de clases externas deben ser incorporadas manualmente a cada archivo fuente. C++ no ofrece más ayuda para hacer esto que la habitual sentencia #include. No impone restricciones a la forma en que se haga esto, ni realiza ninguna comprobación para asegurarse de que la información sea congruente entre compilaciones.

Compilación por separado

En la práctica, para cada clase se preparan dos archivos. El primero es un archivo de declaraciones, que debe ser incluído en todos los archivos que utilicen esa clase. El segundo es un archivo de definiciones, que se compila y se archiva, y que el enlazador combina para formar la imagen ejecutable. Todo el contenido del primer archivo es, por tanto, información pública, mientras que el segundo es verdaderamente privado sólo cuando se compila en forma binaria. Esto hace que las distinciones entre público y privado que ofrece la declaración de las clases induzcan a la confusión. El archivo se puede leer desde fuera del lenguaje; se puede, incluso, copiar y modificar para hacer que el código de un consumidor pueda acceder a la información privada.

¿Qué significa “orientado a objetos”?

Hemos empezado este capítulo preguntándonos ¿Qué significa orientado a objetos? Incluso después de estudiar varios lenguajes diferentes que son orientados a objetos, queda todavía una incertidumbre considerable acerca de lo que significa este calificativo.

Nadie se siente confuso cuando se emplean adjetivos como “pequeño” o “rápido”. Pero con respecto al desarrollo de SW es muy fácil perder la orientación. Por tanto para entender el significado de cualquier calificativo, y especialmente “orientado a objetos”, debemos poner especialmente cuidado para especificar el contexto en que se aplica.

Abdiel E. Cáceres GonzálezCentro de Investigación y de Estudios Avanzados - IPN

México D.F., México.2004

Contacto:

[email protected]@mazatlan.udo.mx

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