Repetición en el desarrollo del software ¿Cuántas veces en los últimos 6 meses has escrito código para buscar un elemento en una colección?
Naturaleza repetitiva de la programación (ordenar, buscar, recorrer, …)
¿Por qué no es frecuente? Dificultades técnicas y no técnicas
Dificultades técnicas Diseñar código reutilizable es difícil. Hacemos las mismas cosas pero no de la misma forma. Difícil captura de las similitudes. Permitir adaptación
Ejemplo Rutina genérica para “búsqueda en una colección” FUNCTION buscar (x: Elemento; c: Coleccion): BOOLEAN VAR pos : Posicion; BEGIN pos:= Comenzar (x,c); WHILE not Completa (pos,c) and not Encontrado (pos, x, c) DO pos:= Siguiente (pos, x, c); buscar:= not Completa (pos,c); END;
Requisitos de los módulos para facilitar la reutilización 1. Variación en tipos Aplicable a diferentes tipos de elementos x: Elemento FUNCTION buscar (x: Elemento; c: Coleccion): BOOLEAN VAR pos : Posicion; BEGIN pos:= Comenzar (x,c); WHILE not Completa (pos,c) and not Encontrado (pos, x, c) DO pos:= Siguiente (pos, x, c); buscar:= not Completa (pos,c); END;
Requerimientos de los módulos para facilitar la reutilización 2. Variación en estructuras de datos y algoritmos El tipo Coleccion puede estar implementado de diferentes formas y Siguiente(pos,x,c) puede estar ligado a diferentes rutinas: FAMILIAS DE MODULOS relacionados FUNCTION buscar (x: Elemento; c: Coleccion): BOOLEAN VAR pos : Posicion; BEGIN pos:= Comenzar (x,c); WHILE not Completa (pos,c) and not Encontrado (pos, x, c) DO pos:= Siguiente (pos, x, c); buscar:= not Completa (pos,c); END;
Requerimientos de los módulos para facilitar la reutilización 3. Independencia de la representación Se puede usar una operación sin conocer su implementación siguiente(pos,x,c), comenzar(x,c), encontrado(pos,c), completa(pos,c) FUNCTION buscar (x: Elemento; c: Coleccion): BOOLEAN VAR pos : Posicion; BEGIN pos:= Comenzar (x,c); WHILE not Completa (pos,c) and not Encontrado (pos, x, c) DO pos:= Siguiente (pos, x, c); buscar:= not Completa (pos,c); END;
Independencia de la representación Alternativa:
if “c es de tipo A” then “aplicar algoritmo de búsqueda A” elseif “c es de tipo B” then “aplicar algoritmo de búsqueda B” elseif …
Este código sería incluido en: Un único módulo: Grande y sujeto a constantes cambios Código cliente: Dificulta la extensibilidad
Requerimientos de los módulos para facilitar la reutilización. 4. Factorizar comportamientos comunes dentro de una familia de implementaciones 5. Rutinas relacionadas FUNCTION buscar (x: Elemento; c: Coleccion): BOOLEAN VAR pos : Posicion; BEGIN pos:= Comenzar (x,c); WHILE not Completa (pos,c) and not Encontrado (pos, x, c) DO pos:= Siguiente (pos, x, c); buscar:= not Completa (pos,c); END;
La operación “búsqueda” se escribe una sola vez. Ejemplo: Factorizar comportamientos comunes Fichero Secuencial
Una nueva variante sólo tiene que especificar cómo implementar estas cuatro rutinas
Estructuras modulares tradicionales Rutinas Paquetes o Módulos
¿Por qué no son suficientes?
Posibles soluciones para darles flexibilidad: Sobrecarga Genericidad
¿cubre los requisitos de módulos reutilizables?
Rutinas Unidad de software que puede llamar a otras unidades para ejecutar un cierto algoritmo.
Enfoque de reutilización: librerías de rutinas
Adecuadas en áreas donde pueden ser identificado un conjunto de problemas individuales con las siguientes limitaciones:
1. Admiten especificación simple: pequeño conjunto de parámetros. 2. No estén implicadas estructuras de datos complejas. 3. Problemas claramente diferenciados.
Limitaciones de las rutinas Soluciones para: "Búsqueda en una colección secuencial”: 1) Una rutina: "CASE" enorme. Muchos argumentos. 2) Conjunto de rutinas: Rutinas muy similares (? factorizar comportamiento) Cliente debe buscar en un laberinto de rutinas. Conclusión: Un módulo reutilizable debe estar abierto a la adaptación y, la única forma de adaptación de una rutina es pasarle diferentes argumentos. Las rutinas no son suficientemente flexibles
Paquetes/Módulos Son unidades de descomposición de software que: Cumplen el principio de Unidad Lingüística Modular Contienen variables y rutinas relacionadas = características del `paquete Admiten la Ocultación de la Información (módulos abstractos) Permite la implementación de tipos definidos por el programador Los módulos sólo resuelven ”rutinas relacionadas” facilita depuración y cambio al proveedor es más fácil para los clientes encontrar y usar los servicios de los módulos
Ejemplo: Paquetes/Módulos Package TablaEnteros; type ArbolBinEnteros record info: Integer izq, der: ArbolBinEnteros end;
new: ArbolBinEnteros begin … end; añadir(t:ArbolBinEnteros; x: Integer) begin … end; existe(t:ArbolBinEnteros; x: Integer): Boolean begin .. end …. end (Gp:) DECLARACIÓN DE TIPO
OPERACIONES SOBRE EL TIPO PAQUETE
Sobrecarga Identificador con más de un significado.
Ejemplo: Sobrecarga de rutinas
FUNCTION Búsqueda (x:Cuenta; t: ListaCuentas): Boolean; FUNCTION Búsqueda (x:CHAR; t: ARRAY [CHAR]): Boolean; FUNCTION Búsqueda (x:REAL; t: ARRAY[REAL]): Boolean; Facilidad sintáctica orientada a los clientes.
Permite escribir el mismo código cliente usando diferentes implementaciones de cierto concepto.
¿Qué nos proporciona la sobrecarga? ¿ Resuelve “Variación en estructuras de datos y algoritmos”?
¿Resuelve “Independencia de la representación”?
En cada invocación “Busqueda(x,t)” cliente y compilador saben de que versión se trata.
“Independencia en la representación” exige poder escribir “Busqueda(x,t)” significando:
“Busca x en t usando el algoritmo adecuado, cualesquiera que sea la clase de colección ligada a t en tiempo de ejecución”
Genericidad Posibilidad de definir módulos parametrizados, cuyos parámetros representan tipos.
Facilidad orientada a los creadores de módulos permite escribir el mismo código cuando se usa la misma implementación de cierto concepto, aplicado a diferentes tipos de objetos” Ej: Array [T], Lista[T]
Los módulos cliente deben instanciar el módulo genérico Ej: Array [Real], Lista[Figura],
Resuelve “variación en tipos”
Ejemplo de Genericidad Package Tabla[T]; type ArbolBinario record info: T izq, der: ArbolBinEnteros end;
new: ArbolBinario begin … end; añadir(t:ArbolBinario; x: T) begin … end; existe(t:ArbolBinario; x: T): Boolean begin .. end …. end
La genericidad resuelve: Variación en tipos. Los paquetes/modulos resuelve: Rutinas relacionadas. No se resuelve: Variación en estructuras de datos y algoritmos. Independencia de la representación. Capturar similitudes entre un subgrupo de un conjunto de posibles implementaciones. Conclusión
Descomposición Funcional (Gp:) A (Gp:) B (Gp:) C (Gp:) D (Gp:) E (Gp:) H (Gp:) G (Gp:) F
Secuencia Bucle Condicional
Inconvenientes de la Descomposición Funcional Función principal: “Cima del sistema” El “programa principal” es una propiedad volátil Sistemas reales no tienen “cima” Mejor la visión de un “conjunto de servicios” Centrado en la interfaz Primera pregunta: ¿Que hará el sistema? La arquitectura del software debe basarse en propiedades más profundas. Ordenación temporal prematura
Inconvenientes de la Descomposición Funcional No favorece la reutilización Se desarrollan elementos software para satisfacer necesidades específicas de otro elemento del nivel superior. “Cultura del proyecto actual” Las estructuras de datos son descuidadas Funciones y datos deben jugar un papel complementario Cuando un sistema evoluciona los datos son más estables que los procesos.
Ventajas de la Descomposición Funcional Técnica simple, fácil de aplicar Util para pequeños programas y describir algoritmos. Buena para documentar diseños. Facilita desarrollo sistemático de sistemas Adecuada para dominar la complejidad
Descomposición basada en objetos Los objetos son más estables que las funciones cuando el sistema evoluciona (Extensibilidad). Tipos de objetos equipados con las operaciones asociadas (Reutilización). El diseñador lista las operaciones aplicables a cierto tipo de objetos, especificando su efecto. Se retrasa todo lo posible el orden en que se ejecutan las operaciones.
Desarrollo software OO 1. Encontrar tipos de objetos relevantes 2. Encontrar operaciones para tipos de objetos 3. Describir tipos de objetos 4. Encontrar relaciones entre objetos 5. Usar tipos de objetos para estructurar software
Conceptos Clave POO Clase y Objeto Clase: Atributos y métodos Creación de clases: constructores e instanciación Invocación de métodos Atributos y métodos de clase Ocultación de información Tipos referencia, asignación, aliasing y copia de objetos Concepto de Metaclase Relaciones entre clases: clientela y herencia Tipos de herencia Polimorfismo y ligadura dinámica
Clases y Objetos Una clase es un módulo y un tipo de dato: Módulo (concepto sintáctico) Mecanismo para organizar el software (sintáctico) Encapsula componentes software Tipo (concepto semántico) Mecanismo de definición de nuevos tipos de datos: describe una estructura de datos (objetos) para representar valores de un dominio y las operaciones aplicables.
Combinación módulo-tipo “Los servicios proporcionados por una clase, vista como un módulo, son precisamente las operaciones disponibles sobre las instancias de la clase, vista como un tipo”.
Como cada módulo es un tipo, cada operación del módulo es relativa a cierta instancia del tipo
TAD y Clase Teoría TAD {Operaciones: Sintaxis y Semántica} Software Clase {Elegir representación e implementar operaciones}
Clases: Ejemplo Al modelar un banco, encontramos objetos “cuenta”. Todos los objetos “cuenta” tienen unas propiedades comunes: saldo, titular, código, reintegro, ingreso, …
Definimos una clase Cuenta. Clases del dominio y clases de diseño/implementación
Componentes de un clase Atributos Determinan una estructura de almacenamiento para cada objeto de la clase Rutinas (Métodos) Operaciones aplicables a los objetos Único modo de acceder a los atributos
Ejemplo: Al modelar un banco, encontramos objetos “cuenta”. Todos los objetos “cuenta” tienen propiedades comunes: atributos: saldo, titular, … operaciones: reintegro, ingreso, …
Definimos una clase CUENTA.
Cada objeto es instancia de una clase (Gp:) Clase Cuenta
(Gp:) Objeto Cuenta (Gp:) Objeto Cuenta (Gp:) Objeto Cuenta (Gp:) Objeto Cuenta
(Gp:) Instanciación
Cada objeto es instancia directa de una clase. Una clase es una factoría de objetos Estructura de datos Cuenta oc oc = new Cuenta() Código
Constructores (C++ y Java) Realizan la inicialización de un objeto tras la creación. Un constructor procedimiento especial con el mismo nombre que la clase. Se debe invocar cuando se crea un objeto de la clase con el operador new En C++ también cuando se declara una variable. Pueden tener modificadores de acceso
Mensajes Mecanismo básico de la computación OO.
Invocación de la aplicación de un método sobre un objeto.
La modificación o consulta del estado de un objeto se realiza mediante mensajes.
Formado por tres partes
Objeto receptor Selector o identificador del método a aplicar Argumentos
Semántica mensajes Sea el mensaje x.f, su significado es:
“Aplicar el método f sobre el receptor x, efectuando el paso de parámetros”
¡NO CONFUNDIR CON LA INVOCACIÓN DE UN PROCEDIMIENTO!
Variables y métodos de Clase Compartida por todas las instancias de una clase. Registrar valor común a todas las instancias Ejemplos para una clase Cuenta: Interés, Coste tarjeta, Último código asignado ¿Cuándo se inicializa? Puede ser accedida por métodos de instancia y de clase Los métodos de clase no deberían acceder a variables de instancia
Clases y Ocultación de Información Ocultamiento información importante para conseguir arquitecturas flexibles y coherentes.
Interface vs. Implementación: Un cliente sólo conoce la interface. Sólo los métodos de la clase deberían poder acceder a sus atributos.
Cada lenguaje OO (Eiffel, C++, Java, Smalltalk) presenta diferencias en cuanto al ocultamiento de información.
Tipos referencia Los posibles valores de una entidad (atributo, parámetro, …) son referencias a objetos potenciales que pueden ser creados en tiempo de ejecución a través, siempre, de instrucciones de creación explícitas. Una referencia puede encontrarse en uno de dos estados posibles No ligada: Void (Eiffel) o null (Java) Ligada a un objeto Las referencias son “punteros domesticados”. Void es un estado (null es un literal) mientras que “nil” (en Pascal) o “null” (en C) son valores de tipo puntero.
Ventajas de los tipos referencia Más eficiente para manejar objetos complejos. Soporte para definir estructuras de datos recursivas. Soporte del polimorfismo. Los objetos son creados cuando son necesarios. Permite la compartición de un objeto (integridad semántica). DESVENTAJA: “Aliasing”
¡Cuidado con el Aliasing! (Gp:) oa (Gp:) ob
oa:= ob (Gp:) ob (Gp:) oa
La asignación no implica copia de valores sino de referencias Asignación
Solución: Copia de objetos Copia superficial Se copian los valores de cada campo del objeto origen oy en el objeto destino ox; ox y oy comparten referencias. Soportada por defecto y puede redefinirse para una clase concreta. Copia profunda Se crea un objeto con una estructura idéntica al objeto origen. No hay compartición de referencias No suele ser soportada por defecto
Metaclases Una clase puede ser considerada un objeto: ¿Cuál es su clase? Metaclase Clase que describe clases, sus instancias son clases. Propiedades: lista de atributos, lista de variables de clase, lista de métodos, lista de métodos de clase. Java y Smalltalk tienen metaclases Útil en programación avanzada, cuando se manejan entidades software, p.e. depuradores, inspectores, browsers,..
Relaciones entre clases Clientela Una clase A es cliente de una clase B, si A contiene una declaración en la que se establezca que cierta entidad (atributo, parámetro, variable local) e es de tipo B (e:B) Ejemplo: (Gp:) titular: Persona (Gp:) CUENTA (Gp:) PERSONA (Gp:) “Cuenta es cliente de Persona”
Herencia Una clase es una versión especializada de otra existente
Ejemplo: (Gp:) Cuenta (Gp:) CuentaAhorro (Gp:) CuentaCorriente
Herencia (Gp:) PUBLICACION (Gp:) LIBRO (Gp:) REVISTA (Gp:) LIBRO_TEXTO (Gp:) INVESTIGACION (Gp:) MAGAZINE
(Gp:) FIGURA (Gp:) POLIGONO (Gp:) CIRCULO (Gp:) RECTANGULO
La herencia organiza las clases en una estructura jerárquica: Jerarquías de clases Ejemplos: No es tan solo un mecanismo para compartir código.
Consistente con el sistema de tipos del lenguaje
Herencia Puede existir una clase “raíz” en la jerarquía de la cual heredan las demás directa o indirectamente.
Incluye todas las características comunes a todas las clases
Eiffel: clase ANY Smalltalk: clase Object Java: clase Object C++: no existe
Herencia Si B hereda de A entonces B incorpora la estructura (atributos) y comportamiento (métodos) de la clase A, pero puede incluir adaptaciones:
-B puede añadir nuevos atributos -B puede añadir nuevos métodos
-B puede REDEFINIR métodos
-B puede renombrar atributos o métodos – B puede implementar un método diferido en A … Adaptaciones dependientes del lenguaje (Redefinición disponible en cualquier LOO) (Gp:) Refinamiento: Extender el uso original Reemplazo: Mejorar la implementación
Polimorfismo Es restringido por la herencia
Importante para escribir código genérico
Sea las declaraciones: ox: X; rutina1 (oy:Y)
En un lenguaje con monomorfismo (Pascal, Ada, ..) en t.e. ox y oy denotarán valores de los tipos X e Y, respectivamente.
En un lenguaje con polimorfismo (Eiffel, C++, ..) en t.e. ox y oy podrán estar asociados a objetos de varios tipos diferentes: tipo estático vs. tipo dinámico
Tipo estático y tipo dinámico Tipo estático: Tipo asociado en la declaración Tipo dinámico: Tipo correspondiente a la clase del objeto conectado a la entidad en tiempo de ejecución Conjunto de tipos dinámicos: Conjunto de posibles tipos dinámicos de una entidad oa: A; ob: B; oc; C; te(oa) = A ctd(oa) = {A,B,C,D,E,F} te(ob) = B ctd(ob) = {B, D, E} te(oc) = C ctd(oc) = {C,F} (Gp:) A (Gp:) E (Gp:) D (Gp:) C (Gp:) B (Gp:) F
Ejemplo:
Conexión polimorfa Cuando el origen y el destino tiene tipos diferentes: a) asignación: p := r; — p es una entidad polimorfa
b) paso de parámetros: f (p:POLIGONO) is do … end — f es una rutina polimorfa
Sólo se permite para entidades destino de tipo referencia (Gp:) (POLIGONO) (Gp:) p (Gp:) (antes) (Gp:) (después) (Gp:) (RECTANGULO) (Gp:) r (Gp:) ?
p:POLIGONO; r:RECTANGULO
Tipos de polimorfismo Real Paramétrico (“lista de T”) Inclusión: Basado en la herencia una función y varias interpretaciones diferentes Aparente Sobrecarga varias funciones todas con el mismo nombre
Ejemplo polimorfismo paramétrico: long (l:lista): integer if l=nil then long:=1 else long:= 1 + long(cola(l))
Sobrecarga Es el nombre de la función lo que es polimórfico
Se resuelve en tiempo de compilación, según la signatura de la rutina.
No es necesario que exista similitud semántica.
En los lenguajes OO puede existir sobrecarga dentro de una clase entre clases no relacionadas (es fundamental)
Polimorfismo y código genérico Estructuras de datos polimórficas: Pueden contener instancias de una jerarquía de clases
Ejemplo: fig: ARRAY [FIGURA] p: POLIGONO; r: RECTANGULO; c: CIRCULO; t:TRIANGULO;
!!p; !!r; !!c; !!t;
fig.put (p,1); fig.put (r,2); fig.put (c,3); fig.put (t,4); … (Gp:) 1 (Gp:) 2 (Gp:) 3 (Gp:) 4
fig
Genericidad ¿Cómo escribir una clase que represente una estructura de datos y que sea posible almacenar objetos de cualquier tipo?
Pila-Enteros Pila_Libros ? Pila de ? Pila_Figuras …. Necesidad de reconciliar reutilización con el uso de un lenguaje tipado.
Herencia ColeccionEntero ListaEntero ListaCircularEntero ColeccionTarea GrafoTarea RedTarea
class ListaEntero inherit ColeccionEntero feature numElements: Integer is do .. añadir (i: Integer, v:Integer) is do .. iesimo (i:Integer): Integer is do .. buscar (v:Integer): Boolean is do .. … end ¿Cómo asociar a v un tipo pero sin hacer que la clase sea dependiente del tipo de objeto almacenado?
Genericidad Coleccion [G] Lista [G] ListaCircular [G]
class Lista [G] feature numElements. Integer is do .. añadir (i: Integer, v:G) is do .. iesimo (i:Integer): G is do .. buscar (v:G): Boolean is do .. … end miLista1: Lista [Integer] miLista2: Lista [Punto]
Genericidad Posibilidad de parametrizar las clases; los parámetros son tipos de datos.
Facilidad útil para las clases que representan estructuras de datos generales: TIPO BASE ES UN PARAMETRO
class ARRAY [G], class PILA [G], class LISTA [G], …
Orientada a los creadores de clases
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