Capítulo 1
Principios de la orientación a objetos. Comparación con la programación estructurada
Contenido
2. Programación estructurada y orientación a objetos
3. Ocultación de información (information hiding)
4. El Tipo Abstracto de Datos (ADT). Encapsulado de datos
El desarrollo de una aplicación es un proceso con el que se pretende dar solución a una necesidad a través de una herramienta de software, obteniendo como resultado una serie de programas informáticos.
Al igual que ocurre en otras disciplinas, para construir un producto de calidad es necesario seguir un proceso de desarrollo adecuado, que habitualmente se inicia con un análisis de las necesidades a cubrir y un diseño del producto que se pretende conseguir.
La forma en que se lleva a cabo el proceso de desarrollo de software ha ido cambiando con el tiempo, pasando de la programación estructurada a una organización por módulos y, finalmente, a la programación orientada a objetos.
A la hora de iniciar un desarrollo de software, es necesario determinar el tipo de enfoque que quiere aplicarse, ya que no es lo mismo aplicar una programación estructurada que una orientación a objetos.
Esta decisión no solo afecta a la programación, sino que determina en gran medida las técnicas que han de aplicarse en el análisis previo.
La programación estructurada se organiza de forma lineal, utilizando únicamente instrucciones secuenciales, alternativas y repetitivas; todo el código es gestionado en un único bloque, por lo que es poco flexible y difícil de mantener en programas más complejos.
Para solventar estas carencias, surge la programación modular, que añade nuevas características a las técnicas utilizadas hasta el momento. El objetivo es separar en módulos las partes más complejas del programa, para que sean diseñados y desarrollados de forma independiente.
Nota
Cuando en los desarrollos actuales se aplica una programación estructurada, de manera implícita se asume que se está llevando a cabo de forma modular.
Con este enfoque, se toma el problema de partida y se realiza un proceso de descomposición en problemas más pequeños, proceso que se repite hasta llegar a problemas elementales que pueden ser solventados mediante funciones más simples. Finalmente, se realizan diferentes llamadas entre estas funciones, de forma que den solución al problema de partida.
Definición
Función
Conjunto de sentencias escritas en un lenguaje de programación, que utilizan unos parámetros para producir un resultado.
La Programación Orientada a Objetos (POO) no consiste simplemente en nuevas características añadidas a las técnicas de programación estructurada y modular, es una nueva forma de pensar sobre el desarrollo de software y el proceso de descomposición de problemas.
Con la orientación a objetos el proceso se centra en simular los elementos de la realidad que están asociados al problema, ajustándose más al pensamiento humano que al comportamiento de la máquina, por lo que está más cercana a cómo se expresarían las cosas en la vida real.
Grady Booch, autor de Análisis y diseño orientado a objetos, define la Programación Orientada a Objetos como:
Un método de implementación en el que los programas son organizados como colecciones cooperativas de objetos, cada uno de los cuales representa una instancia de alguna clase, y cuyas clases son miembros de jerarquías de clases unidas a través de una relación de herencia.
Las aplicaciones orientadas a objetos están formadas por un conjunto de objetos que interaccionan entre sí enviándose mensajes. Los objetos similares se abstraen en clases, que son las que definen su comportamiento. Se dice que un objeto es una instancia de una clase.
Importante
Los valores que se asignan a los atributos de un determinado objeto hacen que ese objeto sea único.
La clase define su comportamiento y sus características generales.
La POO es un método de implementación en el que los programas están organizados como colecciones de objetos, pertenecientes a alguna clase. Una clase es la representación de un concepto y contiene toda la información necesaria para abstraer dicho concepto:
Recuerde
En la programación estructurada, los datos y los procesos están separados, ya que el objetivo es el procesamiento de unos datos de entrada para obtener como resultado una información de salida.
En la POO, los objetos agrupan los datos y los procesos (que actúan sobre esos datos).
La POO presenta estas ventajas respecto a la programación estructurada:
Por el contrario, tiene los siguientes inconvenientes:
Actividades
1. ¿Qué ventajas de la programación orientada a objetos considera más importantes?
2. Además de los inconvenientes indicados, ¿ha identificado algún otro?
Un concepto muy importante de la orientación a objetos es la ocultación de la información, que permite definir de qué forma son accesibles los atributos y métodos de una clase.
De una forma básica, la ocultación consistiría en aislar la información (atributos) de forma que solo pueda ser modificada mediante las operaciones definidas para la clase (métodos).
Con la ocultación, se consigue proteger la información, evitando que se haga un mal uso de ella. La información no podrá ser modificada directamente, ya que cualquier cambio se realizará a través de alguno de los métodos definidos para la clase. Estos métodos incluirán las comprobaciones necesarias para asegurar que la información se modifica de forma adecuada.
Definición
Array
Permite contener elementos del mismo tipo en una zona de almacenamiento continuo.
Ejemplo
Una aplicación pretende registrar la nota media de cada uno de los 25 alumnos de un curso, para lo que define un array de 25 posiciones que pueda almacenar valores numéricos con decimales.
Al utilizar un enfoque orientado a objetos, se define la clase “curso”, con el atributo “nota_media” que se corresponde con el array de notas. Habría dos opciones:
Aplicando la ocultación, se consigue que la aplicación sea más robusta, ya que cualquier información que se quiera leer o escribir debe utilizar alguno de los métodos definidos, que contendrán las validaciones necesarias para evitar que se introduzcan valores erróneos (negativos o demasiado grandes) o que se muestren valores que aún no han sido informados (no inicializados o nulos).
La ocultación da lugar a que en las clases puedan identificarse dos partes bien diferenciadas:
Existen distintos niveles de ocultación, que definen el tipo de acceso que se permite a atributos y métodos:
Definición
Clase derivada
Concepto que está relacionado con el de herencia, donde parte de la funcionalidad ha sido definida en otra clase (clase base o padre) y es reutilizada en la clase derivada (clase hija).
Al definir la visibilidad de una clase, habrá que tener en cuenta:
Recuerde
Los objetos de una clase son cajas negras, ya que no es posible saber cómo llevan a cabo internamente las operaciones, basta con saber cómo utilizarlos.
Al crear objetos de una clase, solo se conoce su interfaz, pero no su implementación; por tanto, un cambio en la implementación de una clase (si no se modifica su interfaz) es transparente para los programas que la utilizan.
Ejemplo
La clase “curso” utilizada en el ejemplo anterior podría tener el método “listar” para mostrar todas las notas ordenadas de mayor a menor.
Este método funciona correctamente, pero se ha detectado que su ejecución es un poco lenta.
Sería posible modificar la implementación de este método para aplicar algún otro algoritmo de ordenación más eficiente y, como no es necesario modificar su interfaz (nombre del método, parámetros y valor de retorno), este cambio no afectará a los objetos de la aplicación que lo utilicen.
Actividades
3. Amplíe información sobre los distintos niveles de ocultación, identificando si existe algún otro tipo menos utilizado.
Con los lenguajes de programación estructurados surgió el concepto de tipos de datos (también llamados tipos de datos primitivos), que definen el conjunto de valores que pueden ser almacenados. Los más comunes son: enteros, decimales, cadenas alfanuméricas, fechas, etc. Pero estos tipos de datos primitivos empezaron a ser insuficientes, ya que los desarrolladores tenían la necesidad de definir los suyos propios.
Los Tipos Abstractos de Datos, cuyo acrónimo es TAD (o ADT si se utiliza la nomenclatura inglesa), son tipos de datos que pueden ser definidos por el programador para agrupar características y comportamientos similares, por lo que aplican el principio de abstracción.
Definición
Abstracción
En informática, la abstracción consiste en aislar un elemento de su contexto o del resto de los elementos que lo acompañan.
De la misma forma que se crean variables a partir de los tipos de datos primitivos, también pueden crearse variables a partir de los TAD definidos en el propio programa. Un TAD no define solo el conjunto de valores que puede almacenar, sino también las operaciones que pueden realizarse sobre ellos.
Importante
La abstracción es la base de la orientación a objetos, ya que permite la creación de un conjunto de clases para modelar el problema que se desea solventar.
El encapsulado de datos permite agrupar a un mismo nivel de abstracción todos los elementos que están relacionados con una misma entidad. De esta forma, se consigue aumentar la cohesión y robustez de los elementos que forman el sistema.
Ejemplo
La aplicación que se ha utilizado anteriormente como ejemplo para el registro de la nota media del alumnado podría haberse desarrollado siguiendo una estructura tradicional:
Pero con un enfoque orientado a objetos se realizaría un encapsulado de todos los elementos que estén relacionados, definiendo la clase “curso”, que agrupa tanto los datos como las operaciones que se realizan sobre esos datos.
El encapsulado de datos y la ocultación de información permiten reducir el número de errores que pueden producirse en una aplicación, ya que en un sistema orientado a objetos estos dependen unos de otros y, si uno de ellos falla, bastará con modificar su implementación y no será necesario modificar los demás objetos.
Sabía que…
Es habitual confundir el concepto de encapsulamiento con el de ocultación, ya que ambos son utilizados de manera conjunta.
Al encapsular los datos y las operaciones, también se debería realizar una ocultación de aquellos que deban ser protegidos del mundo exterior.
Actividades
4. Explique la diferencia que existe entre los tipos abstractos de datos y las variables y detalle qué tipo de relación tienen.
5. ¿Qué elementos de la programación orientada a objetos serían los equivalentes a los tipos abstractos de datos y las variables?
Aplicación práctica
Se está iniciando el diseño de una aplicación para gestionar las facturas que se emiten a los clientes de una ferretería. En una primera reunión con los responsables de la empresa, se ha decido utilizar un enfoque orientado a objetos y que la próxima semana se plantee un borrador inicial de cómo podría ser la estructura de la aplicación.
SOLUCIÓN
Como se está en una etapa muy temprana del diseño, solo es posible identificar las clases más importantes y algunos de sus métodos y atributos más importantes. Cuando se tenga mayor detalle de la funcionalidad a implementar, se podrá completar el diseño de las clases.
En primer lugar, se deben abstraer los elementos que van a componer la aplicación, encapsulando sus datos y operaciones. De esta forma, se identificarán las clases que van a componer el sistema:
Con la orientación a objetos, las aplicaciones están formadas por un conjunto de objetos que interaccionan entre sí. Al indicar a un objeto que ejecute una operación sobre otro objeto, se dice que se le pasa un mensaje.
Un objeto se comunica con otros mediante mensajes. Cada mensaje implica la ejecución de un método sobre el objeto de destino, que ejecutará la operación correspondiente.
Importante
Los mensajes son la vía de conexión de un objeto con el mundo exterior, lo que le permite comunicarse con otros objetos del sistema.
Los objetos realizan acciones cuando reciben mensajes y solo es posible acceder a estos objetos a través de su interfaz pública.
Los métodos son procedimientos que son invocados cuando un objeto recibe un mensaje. En la programación tradicional, un mensaje se correspondería con la llamada a una función.
Nota
Mientras que un método es el procedimiento o función que es invocado para actuar sobre un objeto, el mensaje se refiere a la petición realizada.
Un mensaje es la petición de un objeto a otro, al que se le solicita ejecutar uno de sus métodos, por lo que se establece el convenio de denominar “emisor” al objeto que envía la petición y “receptor” al que la recibe.
En la estructura de un mensaje, se identifican los siguientes elementos:
Una vez que el receptor acepta el mensaje, ejecuta la acción que corresponda y, en algunos casos, retornará un valor.
El emisor solo necesita saber la estructura de los mensajes que aceptará el receptor, es decir, el nombre de sus métodos, los valores que recibe y los que devuelve; no es necesario conocer cómo se ejecutarán las acciones que dan respuesta a la petición. Una vez que el receptor acepta un mensaje, es el responsable de llevarlo a cabo.
La principal diferencia de un mensaje con respecto a la llamada a una función de la programación tradicional está en la obligación que tienen los mensajes de identificar al objeto receptor; de hecho, la interpretación del mensaje será diferente dependiendo del receptor.
Aunque haya objetos de diferentes clases que tengan métodos con el mismo nombre y parámetros, las acciones a ejecutar podrán ser diferentes. El mismo mensaje originará acciones distintas en función de a quién vaya dirigido.
Ejemplo
De la clase “curso” podrán instanciarse tantos objetos como cursos se deseen gestionar. Para el curso de “Contabilidad Financiera” se creará el objeto “contabilidad”, para el de “Gestión de Redes” el objeto “redes”, etc.
Todos estos objetos son instancias de la misma clase, por lo que tienen los mismos métodos y atributos (con valores diferentes); pero reciben mensajes diferentes, ya que cambia el objeto receptor del mensaje.
Un mismo objeto también recibe mensajes diferentes al ejecutar cada uno de sus métodos.
También es posible ejecutar un método con distintos parámetros, por lo que cambiará el correspondiente mensaje.
La orientación a objetos aporta un nuevo enfoque al desarrollo de software, ya que obliga a cambiar la forma de pensar para realizar la descomposición del problema y el diseño de la aplicación.
Los programas se estructuran como colecciones de objetos que interactúan entre sí. Cada objeto es una instancia de una clase, que encapsula los datos y las operaciones para abstraer un determinado concepto.
La ocultación de la información va a permitir que pueda definirse el tipo de acceso a los elementos de una clase, haciendo posible diferenciar la interfaz pública de su implementación interna.
Los objetos se comunican entre sí a través de mensajes. Cada mensaje se corresponde con la ejecución de un método sobre el objeto de destino, que será el responsable de ejecutar la operación correspondiente y generar una respuesta.
Ejercicios de repaso y autoevaluación
1. En relación a la orientación a objetos, ¿qué afirmación es la más adecuada?
2. De las siguientes afirmaciones, indique cuál es verdadera o falsa.
3. Complete la siguiente frase.
Las aplicaciones orientadas a objetos están formadas por un conjunto de _____________ que interaccionan entre sí enviándose _____________. Los objetos similares se abstraen en _____________, que son las que definen su comportamiento. Se dice que un _____________ es una instancia de una _____________.
4. ¿Qué término define el concepto de aislar un elemento de su contexto o del resto de los elementos que lo acompañan?
5. A la hora de definir la visibilidad de los elementos de una clase, indique la recomendación que es incorrecta.
6. De las siguientes afirmaciones, marque la incorrecta.
7. Una ventaja de la programación orientada a objetos, con respecto a la programación estructurada presenta es que…
8. En relación con las ventajas de la orientación a objetos, asocie cada término con su correspondiente definición.
9. Defina los conceptos de interfaz e implementación.
10. Complete la siguiente frase.
El tipo de acceso que se permite a _____________ y _____________ hace que se definan distintos niveles de ocultación. El _____________ hace que solo sean accesibles desde operaciones de la propia clase, el _____________ permite el acceso desde la propia clase o desde clases derivadas y el _____________ permite el acceso desde cualquier clase y desde cualquier parte del programa.
11. Si un atributo ha sido definido como “protected”, ¿desde dónde se puede acceder a la información que contiene?
12. De los siguientes elementos, marque el que no pertenezca a la estructura de un mensaje.
13. Complete la siguiente frase.
La principal diferencia de un mensaje con respecto a la llamada a una _____________ de la programación tradicional está en la _____________ que tienen los mensajes de identificar al objeto _____________; de hecho, la interpretación del mensaje será diferente dependiendo del _____________.
14. En relación a los Tipos Abstractos de Datos, indique la afirmación incorrecta.
15. Las instrucciones secuenciales, alternativas y repetitivas…