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PARTE I FUNDAMENTOSDE PROGRAMACIÓN 2.
3 Programación en C++. Algoritmos, estructuras de datos y objetos CAPÍTULO 1 Introducción a la ciencia de la computación y a la programación Contenido 1.1. ¿Qué es una computadora? 1.8. Sistema operativo 1.2. Organización física de una computadora 1.9. Lenguajes de programación (hardware) 1.10. C: El origen de C++ como lenguaje univer- 1.3. Representación de la información en las sal computadoras 1.11. El lenguaje C++: Historia y características 1.4. Concepto de algoritmo 1.12. El lenguaje unificado de modelado UML 1.5. Programación estructurada 2.0 1.6. Programación orientada a objetos REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Y LECTURAS RE- 1.7. El software (los programas) COMENDADAS INTRODUCCIÓNLas computadoras electrónicas modernas son uno de los resolución de problemas con computadoras y con unaproductos más importantes de los siglos XX y XXI Y espe- herramienta denominada C++.cialmente la actual década. Son una herramienta esencial En el capítulo se describirá el concepto y organizaciónen muchas áreas: industria, gobierno, ciencia, educa- física (hardware) y lógica (software) de una computadoración..., en realidad en casi todos los campos de nuestras junto con las formas diferentes de representación de lavidas. El papel de los programas de computadoras es información. El concepto de algoritmo como herramientaesencial; sin una lista de instrucciones a seguir, la compu- de resolución de problemas es otro de los temas que setadora es virtualmente inútil. Los lenguajes de programa- abordan en el capítulo.ción nos permiten escribir esos programas y por consi- Las dos paradigmas más populares y que soporta elguiente comunicarnos con las computadoras. lenguaje de programación C++ son: programación estruc- En esta obra, usted comenzará a estudiar la ciencia de turada y programación orientada a objetos. Junto con lasla computación o informática a través de uno de los len- características de los diferentes tipos de software —enguajes de programación más versátiles disponibles hoy particular el sistema operativo— y de los lenguajes dedía: el lenguaje C++. Este capítulo le introduce a la programación y, en particular, C++ y UML 2.0 se articulacomputadora y sus componentes, así como a los lengua- la segunda parte del contenido del capítulo.jes de programación, y a la metodología a seguir para la CONCEPTOS CLAVE• Algoritmo. • DVD. • Memoria.• CD-ROM, CDR/W. • DVD alta definición. • Memoria auxiliar.• Compilador. • Hardware. • Memoria central.• Computadora. • Intérprete. • Microprocesador.• Diagrama de flujo. • Lenguaje de máquina. • Módem.• Diagrama N-S. • Lenguaje de programación. • Software.• Disquete. • Lenguaje ensamblador. • Unidad central de proceso. 3 3.
4 Programación en C++. Algoritmos, estructuras de datos y objetos1.1. ¿QUÉ ES UNA COMPUTADORA? Una computadora1 es un dispositivo electrónico utilizado para procesar información y obtener resulta- dos. Los datos y la información se pueden introducir en la computadora por la entrada (input) y a con- tinuación se procesan para producir una salida (output, resultados), como se observa en la Figura 1.1. La computadora se puede considerar como una unidad en la que se ponen ciertos datos, entrada de datos, procesa estos datos y produce unos datos de salida. Los datos de entrada y los datos de salida pueden ser realmente cualquier cosa, texto, dibujos o sonido. El sistema más sencillo de comunicarse una per- sona con la computadora es esencialmente mediante un ratón (mouse), un teclado y una pantalla (moni- tor). Hoy día existen otros dispositivos muy populares tales como escáneres, micrófonos, altavoces, cá- maras de vídeo, cámaras digitales, etc.; de igual manera, mediante módems, es posible conectar su computadora con otras computadoras a través de redes, siendo la más importante, la red Internet. COMPUTADORA Programa Datos de Datos de entrada salida Figura 1.1. Proceso de información en una computadora. Los componentes físicos que constituyen la computadora, junto con los dispositivos que realizan las tareas de entrada y salida, se conocen con el término hardware. El conjunto de instrucciones que hacen funcionar a la computadora se denomina programa, que se encuentra almacenado en su memoria; a la persona que escribe programas se llama programador y al conjunto de programas escritos para una computadora se llama software. Este libro se dedicará casi exclusivamente al software, pero se hará una breve revisión del hardware como recordatorio o introducción según sean los conocimientos del lector en esta materia. En el Anexo A de la página oficial del libro (www.mhe.es/joyanes) puede encon- trar una amplia información de “Introducción a las computadoras”, si desea ampliar este apartado.1.2. ORGANIZACIÓN FÍSICA DE UNA COMPUTADORA (HARDWARE) La mayoría de las computadoras, grandes o pequeñas, están organizadas como se muestra en la Figu- ra 1.2. Constan fundamentalmente de tres componentes principales: Unidad Central de Proceso (UCP) o procesador (compuesta de la UAL, Unidad Aritmética y Lógica, y la UC, Unidad de Control); la me- moria principal o central y el programa. 1 En España está muy extendido el término ordenador para referirse a la traducción de la palabra inglesa computer. 4.
Introducción a la ciencia de la computación y a la programación 5 Procesador (CPU) Memoria principal UAL Unidad de control, UC Programa Entrada Salida de datos de datos Figura 1.2. Organización física de una computadora. Si a la organización física de la Figura 1.2 se le añaden los dispositivos para comunicación con la computadora, aparece la estructura típica de un sistema de computadora: dispositivos de entrada, dispo- sitivos de salida, memoria externa y el procesador/memoria central con su programa (Fig.1.3). UCP (Procesador) Unidad de control Dispositivos bus Dispositivos de entrada bus de salida Memoria central Dispositivos bus Memoria externa de entrada/ Unidad (almacenamiento salida bus aritmética permanente) y lógica Figura 1.3. Organización física de una computadora.1.2.1. Dispositivos de Entrada/Salida (E/S) Los dispositivos de Entrada/Salida (E/S) (en inglés, Input/Output I/O) o periféricos permiten la comu- nicación entre la computadora y el usuario. 5.
6 Programación en C++. Algoritmos, estructuras de datos y objetos Los dispositivos de entrada, como su nombre indica, sirven para introducir datos (información) en la computadora para su proceso. Los datos se leen de los dispositivos de entrada y se almacenan en la memoria central o interna. Los dispositivos de entrada convierten la información de entrada en señales eléctricas que se almacenan en la memoria central. Dispositivos de entrada típicos son teclados, lectores de tarjetas perforadas —ya en desuso—, lápices ópticos, palancas de mando (joystick), lectores de códigos de barras, escáneres, micrófonos, lectores de tarjetas digitales, lectores RFID (tarjetas de identificación por radio frecuencia), etc. Hoy día tal vez el dispositivo de entrada más popular es el ratón (mouse) que mueve un puntero gráfico (electrónico) sobre la pantalla que facilita la interacción usuario- máquina2. Los dispositivos de salida permiten representar los resultados (salida) del proceso de los datos. El dispositivo de salida típico es la pantalla (CRT)3 o monitor. Otros dispositivos de salida son: impreso- ras (imprimen resultados en papel), trazadores gráficos (plotters), reconocedores (sintetizadores) de voz, altavoces, etc. Dispositivos de entrada/salida y dispositivos de almacenamiento masivo o auxiliar (memoria exter- na) son: unidad de discos (disquetes, CD-ROM, DVD, cintas, discos duros, etc.), videocámaras, memo- rias flash, USB, etc. Figura 1.4. Dispositivo de salida (Impresora HP Color LaserJet 2600n).1.2.2. La memoria central (interna) La memoria central o simplemente memoria (interna o principal) se utiliza para almacenar informa- ción (RAM, Random, Access Memory). En general, la información almacenada en memoria puede ser de dos tipos: instrucciones, de un programa y datos con los que operan las instrucciones. Por ejemplo, para que un programa se pueda ejecutar (correr, rodar, funcionar..., en inglés, run), debe ser situado en la memoria central, en una operación denominada carga (load) del programa. Después, cuando se eje- cuta (se realiza, funciona) el programa, cualquier dato a procesar por el programa se debe llevar a la memoria mediante las instrucciones del programa. En la memoria central, hay también datos diversos y espacio de almacenamiento temporal que necesita el programa cuando se ejecuta a fin de poder fun- cionar. 2 Todas las acciones a realizar por el usuario se realizarán con el ratón con la excepción de las que se requieren de la escri- tura de datos por teclado. 3 Cathode Ray Tube: Tubo de rayos catódicos. 6.
Introducción a la ciencia de la computación y a la programación 7 Ejecución Cuando un programa se ejecuta (realiza, funciona) en una computadora, se dice que se ejecuta. Con el objetivo de que el procesador pueda obtener los datos de la memoria central más rápidamen-te, normalmente todos los procesadores actuales (muy rápidos) utilizan una memoria denominada cachéque sirve para almacenamiento intermedio de datos entre el procesador y la memoria principal. La me-moria caché —en la actualidad— se incorpora casi siempre al procesador.Organización de la memoriaLa memoria central de una computadora es una zona de almacenamiento organizada en centenares omillares de unidades de almacenamiento individual o celdas. La memoria central consta de un conjuntode celdas de memoria (estas celdas o posiciones de memoria se denominan también palabras, aunqueno “guardan” analogía con las palabras del lenguaje). El número de celdas de memoria de la memoriacentral, dependiendo del tipo y modelo de computadora; hoy día el número suele ser millones (512,1.024, etc.). Cada celda de memoria consta de un cierto número de bits (normalmente 8, un byte). La unidad elemental de memoria se llama byte (octeto). Un byte tiene la capacidad de almacenar uncarácter de información, y está formado por un conjunto de unidades más pequeñas de almacenamientodenominadas bits, que son dígitos binarios (0 o 1). Figura 1.5. Computadora portátil digital. Por definición, se acepta que un byte contiene ocho bits. Por consiguiente, si se desea almacenar lafrase:Hola Mortimer todo va bienla computadora utilizará exactamente 27 bytes consecutivos de memoria. Obsérvese que, además de lasletras, existen cuatro espacios en blanco y un punto (un espacio es un carácter que emplea también unbyte). De modo similar, el número del pasaporteP57487891ocupará 9 bytes, pero si se almacena comoP5-748-7891ocupará 11. Estos datos se llaman alfanuméricos, y pueden constar de letras del alfabeto, dígitos o in-cluso caracteres especiales (símbolos: $, #, *, etc.). 7.
8 Programación en C++. Algoritmos, estructuras de datos y objetos Mientras que cada carácter de un dato alfanumérico se almacena en un byte, la información numé- rica se almacena de un modo diferente. Los datos numéricos ocupan 2, 4 e incluso 8 bytes consecutivos, dependiendo del tipo de dato numérico (se verá en el Capítulo 12). Existen dos conceptos importantes asociados a cada celda o posición de memoria: su dirección y su contenido. Cada celda o byte tiene asociada una única dirección que indica su posición relativa en me- moria y mediante la cual se puede acceder a la posición para almacenar o recuperar información. La información almacenada en una posición de memoria es su contenido. La Figura 1.6 muestra una me- moria de computadora que consta de 1.000 posiciones en memoria con direcciones de 0 a 999. El con- tenido de estas direcciones o posiciones de memoria se llaman palabras, de modo que existen palabras de 8, 16, 32 y 64 bits. Por consiguiente, si trabaja con una máquina de 32 bits, significa que en cada posición de memoria de su computadora puede alojar 32 bits, es decir, 32 dígitos binarios, bien ceros o unos. Direcciones 999 998 Contenido de la 997 325 dirección 997 . . . 3 2 1 0 Figura 1.6. Memoria central de una computadora. Siempre que se almacena una nueva información en una posición, se destruye (desaparece) cualquier información que en ella hubiera y no se puede recuperar. La dirección es permanente y única, el conte- nido puede cambiar mientras se ejecuta un programa. La memoria central de una computadora puede tener desde unos centenares de millares de bytes hasta millones de bytes. Como el byte es una unidad elemental de almacenamiento, se utilizan múltiplos de potencia de 2 para definir el tamaño de la memoria central: Kilo-byte (KB o Kb) igual a 1.024 bytes (210) —prácticamente se consideran 1.000—; Megabyte (MB o Mb) igual a 1.024 × 1.024 bytes = = 1.048.576 (220) —prácticamente se consideran 1.000.000; Gigabyte (GB o Gb) igual a 1.024 MB (230), 1.073.741.824 = prácticamente se consideran 1.000 millones de MB. Tabla 1.1. Unidades de medida de almacenamiento. Byte Byte (B) equivale a 8 bits Kilobyte Kbyte (KB) equivale a 1.024 bytes Megabyte Mbyte (MB) equivale a 1.024 Kbytes Gigabyte Gbyte (GB) equivale a 1.024 Mbytes Terabyte Tbyte (TB) equivale a 1.024 Gbytes 1 Tb = 1.024 Gb = 1.024 × 1.024 Mb = 1.048.576 Kb = 1.073.741.824 B 8.
Introducción a la ciencia de la computación y a la programación 9 En la actualidad las computadoras personales tipo PC suelen tener memorias centrales de 512 MB a 2 GB, aunque ya es muy frecuente verlas con memorias de 4 GB y hasta 8 GB. La memoria principal es la encargada de almacenar los programas y datos que se están ejecutando y su principal característica es que el acceso a los datos o instrucciones desde esta memoria es muy rápido. En la memoria principal se almacenan: • Los datos enviados para procesarse desde los dispositivos de entrada. • Los programas que realizarán los procesos. • Los resultados obtenidos preparados para enviarse a un dispositivo de salida. Tipos de memoria principal En la memoria principal se pueden distinguir dos tipos de memoria: RAM y ROM. La memoria RAM (Random Access Memory, Memoria de acceso aleatorio) almacena los datos e instrucciones a procesar. Es un tipo de memoria volátil (su contenido se pierde cuando se apaga la computadora); esta memoria es, en realidad, la que se suele conocer como memoria principal o de trabajo; en esta memoria se pueden escribir datos y leer de ella. La memoria ROM (Read Only Memory, Memoria de sólo lectura) es una memoria permanente en la que no se puede escribir (viene pregrabada por el fabricante); es una memo- ria de sólo lectura. Los programas almacenados en ROM no se pierden al apagar la computadora y cuando se enciende, se lee la información almacenada en esta memoria. Al ser esta memoria de sólo lectura, los programas almacenados en los chips ROM no se pueden modificar y suelen utilizarse para almacenar los programas básicos que sirven para arrancar la computadora.1.2.3. La Unidad Central de Proceso (UCP): el Procesador La Unidad Central de Proceso, UCP (Central Processing Unit, CPU, en inglés), dirige y controla el proceso de información realizado por la computadora. La UCP procesa o manipula la información al- macenada en memoria; puede recuperar información desde memoria (esta información son datos o ins- trucciones: programas). También puede almacenar los resultados de estos procesos en memoria para su uso posterior. La UCP consta de dos componentes: unidad de control (UC) y unidad aritmética-lógica (UAL) (Figura 1.7). La unidad de control (Control Unit, CU) coordina las actividades de la computadora y determina qué operaciones se deben realizar y en qué orden; asimismo controla y sincroniza todo el proceso de la computadora. La unidad aritmético-lógica (Arithmetic-Logic Unit, ALU) realiza opera- ciones aritméticas y lógicas, tales como suma, resta, multiplicación, división y comparaciones. Los datos en la memoria central se pueden leer (recuperar) o escribir (cambiar) por la UCP.1.2.4. El microprocesador El microprocesador es un chip (un circuito integrado) que controla y realiza las funciones y operacio- nes con los datos. Se suele conocer como procesador y es el cerebro y corazón de la computadora. En realidad el microprocesador representa a la Unidad Central de Proceso de una computadora. El primer microprocesador comercial, el Intel 4004 fue presentado el 15 de noviembre de 1971. Existen diferentes fabricantes de microprocesadores, como Intel, Zilog, AMD, Motorola; Cyrix, etc. Microprocesadores históricos de 8 bits son el Intel 8080, Zilog Z80 o Motorola 6800; otros microproce- sadores muy populares han sido: 8086, 8088 de Intel o el Motorola MC68000. En la década de los ochenta eran populares: Intel 80286, 80386, 80486; Motorola, MC 68020, MC68400; AMD 80386, 80486. 9.
10 Programación en C++. Algoritmos, estructuras de datos y objetos Unidad central de proceso Unidad lógica Memoria central y aritmética Unidad de control Programa Datos Datos de entrada de salida Figura 1.7. Unidad central de proceso. En el año 1993 aparecieron el Intel Pentium y durante esa década, Intel Pentium Pro, Intel Pentium II/III y AMD K6. En 2000, Intel y AMD controlan el mercado con Intel Pentium IV, Intel Titanium, Intel Pentium D o bien AMD Athlon XP, AMD Duxor. En los años 2005 y 2006 aparecen las nuevas tecnologías Intel Core Duo, AMD Athlon 64, etc. Dispositivos Memoria Unidad de entrada principal de control Unidad Dispositivos Dispositivos aritmético de salida de E/S y lógica Microprocesador Figura 1.8. Organización física de una computadora con un microprocesador.1.2.5. Memoria externa: almacenamiento masivo Cuando un programa se ejecuta, se debe situar primero en memoria central de igual modo que los datos. Sin embargo, la información almacenada en la memoria se pierde (borra) cuando se apaga (desconecta de la red eléctrica) la computadora, y por otra parte la memoria central es limitada en capacidad. Por esta razón, para poder disponer de almacenamiento permanente, tanto para programas como para datos, se necesitan dispositivos de almacenamiento secundario, auxiliar o masivo (“mass storage” o “secondary storage”). Los dispositivos de almacenamiento o memorias auxiliares (externas o secundarias) más común- mente utilizados son: cintas magnéticas, discos magnéticos, discos compactos (CD-ROM, Compact Disk Read Only Memory) y videodiscos digitales (DVD). Las cintas son utilizadas principalmente por 10.
Introducción a la ciencia de la computación y a la programación 11sistemas de computadores grandes similares a las utilizadas en los equipos de audio. Los discos y dis-quetes magnéticos se utilizan por todas las computadoras, especialmente las medias y pequeñas —lascomputadoras personales. Los discos pueden ser duros, de gran capacidad de almacenamiento (su capa-cidad actual oscila entre 40 GB y 500 GB), disquetes o discos flexibles (“floppy disk”), ya casi en des-uso. Aunque todavía se suelen comercializar lectoras de disquetes para compatibilidad con equipos an-tiguos. El disquete, ya casi en desuso, es de 3,5’’ y de 1,44 MB de capacidad.Figura 1.9. Memorias auxiliares: Tarjeta compact flash (izquierda), memoria flash USB (centro) y disco duro (derecha). Los discos compactos (conocidos popularmente como CD) son soportes digitales ópticos utilizadospara almacenar cualquier tipo de información (audio, vídeo, documentos...). Se desarrolló en 1980 y co-menzó a comercializarse en 1982. Existen diferentes modelos CD-ROM (de sólo lectura), CD-R (graba-ble), CD-RW (reescribible). Su capacidad de almacenamiento va de 650 MB a 875 MB e incluso 215 MB. Los DVD constituyen un formato multimedia de almacenamiento óptico y que se puede usar paraguardar datos, incluyendo películas de alta calidad de vídeo y audio. Los formatos más populares son:DVD–ROM, DVD±R, DVD±RW, DVD±RAM, y sus capacidades de almacenamiento van desde 4,7 GBy 8,5 GB hasta 17,1 GB, según sean de una cara, de dos caras y de una capa simple o capa doble. Los últimos discos ópticos presentados en el mercado durante 2006 son: Blu-ray y HD DVD. Estosdiscos son de alta definición y su capacidad de almacenamiento es muy grande de 15 GB a 50 GB ypodrá llegar en el futuro hasta 200 GB. La información almacenada en la memoria central es volátil (desaparece cuando se apaga la compu-tadora) mientras que la información almacenada en la memoria externa (masiva) es permanente. Esta información se organiza en unidades independientes llamadas archivos (ficheros, file en inglés).Los resultados de los programas se pueden guardar como archivos de datos y los programas que se escri-ben se guardan como archivos de programas, ambos en la memoria auxiliar. Cualquier tipo de archivo sepuede transferir fácilmente desde la memoria auxiliar hasta la memoria central para su proceso posterior. En el campo de las computadoras es frecuente utilizar la palabra memoria y almacenamiento o me-moria externa, indistintamente. En este libro —y recomendamos su uso— se utilizará el término memo-ria sólo para referirse a la memoria central. Comparación de la memoria central y la memoria externa La memoria central o principal es mucho más rápida y cara que la memoria externa. Se deben transferir los datos desde la memoria externa hasta la memoria central, antes de que puedan ser procesados. Los datos en memoria central son: volátiles y desaparecen cuando se apaga la computadora. Los datos en memoria externa son permanentes y no desaparecen cuando se apaga la computadora. Las computadoras modernas necesitan comunicarse con otras computadoras. Si la computadora seconecta con una tarjeta de red se puede conectar a una red de datos locales (red de área local). De este 11.
12 Programación en C++. Algoritmos, estructuras de datos y objetos modo se puede acceder y compartir a cada una de las memorias de disco y otros dispositivos de entrada y salida. Si la computadora tiene un módem, se puede comunicar con computadoras lejanas. Se pueden conectar a una red de datos o enviar correo electrónioco a través de las redes corporativas Intranet/Ex- tranet o la propia red Internet. Las redes inalámbricas permiten conexiones a Internet desde númerosos lugares, siempre que su PC disponga de tarjetas o conexiones inalámbricas.1.2.6. La computadora personal ideal para programación Hoy día el estudiante de informática o de computación y mucho más el profesional, dispone de un amplio abanico de computadoras a precios asequibles y con prestaciones altas. En el segundo semestre de 2006 se pueden encontrar computadoras personales (PC) con 1.024 MB de memoria, grabadoras de DVD de doblecapa, procesador Pentium de 3.00/3.20 GH2 y un monitor plano 17", disco duro de 200/400 GB por 800 a 1.000 € e incluso más económicos. En computadoras pórtatíles se pueden encontrar modelos de 1024 MB, 60-80 GB, procesadores Intel Pentium de 1,736 GHz, 1,83 GHz, pantalla de 15,4" y con precios de 800 a 1200 €. La Tabla 1.2 resume nuestra propuesta y recomendación de características me- dias para un/una PC, a mediados de 2006. Tabla 1.2. Características medias de una computadora portatil (laptop). Procesador Intel Centrino 1.6 a 1,73/2.0 GHz; Intel CorneDuo (1.73/1.83 GHz; AMD Turion 64). Memoria 512 MB a 1.0 GB/2 GB. Disco duro 60-120 GB. Internet Tarjeta de red; modem 56 Kbps; red inalámbrica 802,11 b/g; Bluetooth. Vídeo Memoria de vídeo de 128 a 512 MB. Pantalla 15", 15,4" o 17" (se comercializan también de 11", 12" y 13"). Almacenamiento Grabadora DVD +/– RW de doble capa. Puertos 3/4 puertos USB 2.0, 1 IEEE, lector de tarjetas. Marcas HP, Compaq, Dell, IBM, EI System, Gateways, Acer, Toshiba, Sony, Cofiman...1.3. REPRESENTACIÓN DE LA INFORMACIÓN EN LAS COMPUTADORAS Una computadora es un sistema para procesar información de modo automático. Un tema vital en el proceso de funcionamiento de una computadora es estudiar la forma de representación de la información en dicha computadora. Es necesario considerar cómo se puede codificar la información en patrones de bits que sean fácilmente almacenables y procesables por los elementos internos de la computadora. Las formas de información más significativas son: textos, sonidos, imágenes y valores numéricos y, cada una de ellas presentan peculiaridades distintas. Otros temas importantes en el campo de la progra- mación se refieren a los métodos de detección de errores que se puedan producir en la transmisión o almacenamiento de la información y a las técnicas y mecanismos de comprensión de información al objeto de que ésta ocupe el menor espacio en los dispositivos de almacenamiento y sea más rápida su transmisión.1.3.1. Representación de textos La información en formato de texto se representa mediante un código en el que cada uno de los distintos símbolos del texto (tales como letras del alfabeto o signos de puntuación) se asignan a un único patrón de bits. El texto se representa como una cadena larga de bits en la cual los sucesivos patrones represen- tan los sucesivos símbolos del texto original. 12.
Introducción a la ciencia de la computación y a la programación 13 En resumen, se puede representar cualquier información escrita (texto) mediante caracteres. Loscaracteres que se utilizan en computación suelen agruparse en cinco categorías: 1. Caracteres alfabéticos (letras mayúsculas y minúsculas, en una primera versión del abecedario inglés). A, B, C, D, E, ... X, Y, Z, a, b, c, ... , X, Y, Z 2. Caracteres numéricos (dígitos del sistema de numeración). 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 sistema decimal 3. Caracteres especiales (símbolos ortográficos y matemáticos no incluidos en los grupos ante- riores). { } Ñ ñ ! ? & > # ç ... 4. Caracteres geométricos y gráficos (símbolos o módulos con los cuales se pueden representar cuadros, figuras geométricas, iconos, etc. — — | | | ♠ ... 5. Caracteres de control (representan órdenes de control como el carácter para pasar a la siguien- te línea [NL] o para ir al comienzo de una línea [RC, retorno de carro, «carriage return, CR»] emitir un pitido en el terminal [BEL], etc.). Al introducir un texto en una computadora, a través de un periférico, los caracteres se codifican segúnun código de entrada/salida de modo que a cada carácter se le asocia una determinada combinación den bits. Los códigos más utilizados en la actualidad son: EBCDIC, ASCII y Unicode. • Código EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Inter Change Code). Este código utiliza n = 8 bits de forma que se puede codificar hasta m = 28 = 256 símbolos di- ferentes. Éste fue el primer código utilizado para computadoras, aceptado en principio por IBM. • Código ASCII (American Standard Code for Information Interchange). El código ASCII básico utiliza 7 bits y permite representar 128 caracteres (letras mayúsculas y minúsculas del alfabeto inglés, símbolos de puntuación, dígitos 0 a 9 y ciertos controles de infor- mación tales como retorno de carro, salto de línea, tabulaciones, etc.). Este código es el más utili- zado en computadoras, aunque el ASCII ampliado con 8 bits permite llegar a 28 (256) caracteres distintos, entre ellos ya símbolos y caracteres especiales de otros idiomas como el español. • Código Unicode Aunque ASCII ha sido y es dominante en los caracteres se leen como referencia, hoy día se requiere de la necesidad de representación de la información en muchas otras lenguas, como el portugués, español, chino, el japonés, el árabe, etc. Este código utiliza un patrón único de 16 bits para representar cada símbolo, que permite 216 bits o sea hasta 65.536 patrones de bits (símbolos) diferentes. Desde el punto de vista de unidad de almacenamiento de caracteres, se utiliza el archivo (fichero).Un archivo consta de una secuencia de símbolos de una determinada longitud codificados utilizandoASCII o Unicode y que se denomina archivo de texto. Es importante diferenciar entre archivos de tex-to simples que son manipulados por los programas de utilidad denominados editores de texto y los ar-chivos de texto más elaborados que se producen por los procesadores de texto, tipo Microsoft Word.Ambos constan de caracteres de texto, pero mientras el obtenido con el editor de texto, es un archivo detexto puro que codifica carácter a carácter, el archivo de texto producido por un procesador de textoscontiene números, códigos que representan cambios de formato, de tipos de fuentes de letra y otros, eincluso pueden utilizar códigos propietarios distintos de ASCII o Unicode. 13.
14 Programación en C++. Algoritmos, estructuras de datos y objetos1.3.2. Representación de valores númericos El almacenamiento de información como caracteres codificados es ineficiente cuando la información se registra como numérica pura. Veamos esta situación con la codificación del número 65; si se almacena como caracteres ASCII utilizando un byte por símbolo, se necesita un total de 16 bits, de modo que el número mayor que se podía almacenar en 16 bits (dos bytes) sería 99. Sin embargo, si utilizamos nota- ción binaria para almacenar enteros, el rango puede ir de 0 a 65.535 (216 – 1) para números de 16 bits. Por consiguiente, la notación binaria (o variantes de ellas) es la más utilizada para el almacenamiento de datos numéricos codificados. La solución que se adopta para la representación de datos numéricos es la siguiente: al introducir un número en la computadora se codifica y se almacena como un texto o cadena de caracteres, pero dentro del programa a cada dato se le envía un tipo de dato específico y es tarea del programador asociar cada dato al tipo adecuado correspondiente a las tareas y operaciones que se vayan a realizar con dicho dato. El método práctico realizado por la computadora es que una vez definidos los datos numéricos de un programa, una rutina (función interna) de la biblioteca del compilador (traductor) del lenguaje de pro- gramación se encarga de transformar la cadena de caracteres que representa el número en su notación binaria. Existen dos formas de representar los datos numéricos: números enteros o números reales. Representación de enteros Los datos de tipo entero se representan en el interior de la computadora en notación binaria. La memoria ocupada por los tipos enteros depende del sistema, pero normalmente son dos, bytes (en las versiones de MS-DOS y versiones antiguas de Windows y cuatro bytes en los sistemas de 32 bits como Windows o Linux). Por ejemplo, un entero almacenado en 2 bytes (16 bits): 1000 1110 0101 1011 Los enteros se pueden representar con signo (signed, en C++) o sin signo (unsigned, en C++); es decir, números positivos o negativos. Normalmente, se utiliza un bit para el signo. Los enteros sin signo al no tener signo pueden contener valores positivos más grandes. Normalmente, si un entero no se especifica «con/sin signo» se suele asignar con signo por defecto u omisión. El rango de posibles valores de enteros depende del tamaño en bytes ocupado por los números y si se representan con signo o sin signo (la Tabla 1.3 resume características de tipos estándar en C++). Representación de reales Los números reales son aquellos que contienen una parte decimal como 2,6 y 3,14152. Los reales se representan en notación científica o en coma flotante; por esta razón en los lenguajes de programación, como C++, se conocen como números en coma flotante. Existen dos formas de representar los números reales. La primera se utiliza con la notación del pun- to decimal (ojo en el formato de representación español de números decimales, la parte decimal se re- presenta por coma). Ejemplos 12.35 99901.32 0.00025 9.0 La segunda forma para representar números en coma flotante en la notación científica o exponencial, conocida también como notación E. Esta notación es muy útil para representar números muy grandes o muy pequeños. 14.
Introducción a la ciencia de la computación y a la programación 15 Se puede utilizar el E Opcional (signo +/–) Signo +/o u omitido +6.45 E+15 { Ningún espacio Punto decimal opcional Notación exponencial Exponente E N = M · B Base de numeración (10, 2...) Mantisa Ejemplos 2.52 e + 8 8.34 E – 4 equivale a 8.34/104 = 0.000834 7E5 –18.35e15 5.95E25 9.11e – 31 equivale a 0.000000000000000000000000000000911 Representación de caracteres Un documento de texto se escribe utilizando un conjunto de caracteres adecuado al tipo de documento. En los lenguajes de programación se utilizan, principalmente, dos códigos de caracteres. El más común es ASCII (American Standard Code for Information Interchange) y algunos lenguajes, tal como Java, utilizan Unicode (www.unicode.org). Ambos códigos se basan en la asignación de un código numé- rico a cada uno de los tipos de caracteres del código. En C++, los caracteres se procesan normalmente usando el tipo char, que asocia cada carácter a un código numérico que se almacena en un byte. El código ASCII básico que utiliza 7 bits (128 caracteres distintos) y el ASCII ampliado a 8 bits (256 caracteres distintos) son los códigos más utilizados. Así se pueden representar caracteres tales como A, B, c, $, 4, 5, etc. En el caso de C++ se considera un dato de tipo carácter denominado wchar_t que sirve para repre- sentar caracteres de tipo internacional para manejar lenguajes extranjeros. La Tabla 1.3, recoge los tipos enteros, reales y carácter utilizados en C++, la memoria utilizada (nú- mero de bytes ocupados por el dato) y el rango de números.1.3.3. Representación de imágenes Las imágenes se adquieren mediante periféricos especializados tales como escáneres, cámaras digitales de vídeo, cámaras fotográficas, etc. Una imagen, al igual que otros tipos de información, se representan por patrones de bits, generados por el periférico correspondiente. Existen dos métodos básicos para re- presentar imágenes: mapas de bits y mapas de vectores. 15.
16 Programación en C++. Algoritmos, estructuras de datos y objetos Tabla 1.3. Tipos enteros reales, en C++. Carácter y bool Tipo Tamaño Rango short (short int) 2 bytes –32.738..32.767 int 4 bytes –2.147.483.648 a 2.147.483.647 long (long int) 4 bytes –2.147.483.648 a 2.147.483.647 float (real) 4 bytes 10–38 a 1038 (aproximadamente) double 8 bytes 10–308 a 10308 (aproximadamente) long double 10 bytes 10–4932 a 104932 (aproximadamente) char (carácter) 1 byte Todos los caracteres ASCII bool 1 byte True (verdadero) y false (falso) En las técnicas de mapas de bits, una imagen se considera como una colección de puntos, cada uno de los cuales se llama pixel (abreviatura de «picture element»). Una imagen en blanco y negro se repre- senta como una cadena larga de bits que representan las filas de píxeles en la imagen, donde cada bit es bien 1 o bien 0, dependiendo de que el pixel correspondiente sea blanco o negro. En el caso de imágenes en color, cada pixel se representa por una combinación de bits que indican el color de los pixel. Cuando se utilizan técnicas de mapas de bits, el patrón de bits resultante se llama mapa de bits, significando que el patrón de bits resultante que representa la imagen es poco más que un mapa de la imagen. Muchos de los periféricos de computadora —tales como cámaras de vídeo, escáneres, etc.— con- vierten imágenes de color en formato de mapa de bits. Los formatos más utilizados en la representación de imágenes se muestran en la Tabla 1.4. Tabla 1.4. Mapas de bits. Formato Origen y descripción BMP Microsoft. Formato sencillo con imágenes de gran calidad pero con el inconveniente de ocu- par mucho (no útil para la web). JPEG Grupo JPEG. Calidad aceptable para imágenes naturales. Incluye compresión. Se utiliza en la web. GIF CompuServe. Muy adecuado para imágenes no naturales (logotipos, banderas, dibujos ani- dados...). Muy usuado en la web. Mapas de vectores. Otros métodos de representar una imagen se fundamentan en descomponer la imagen en una colección de objetos tales como líneas, polígonos y textos con sus respectivos atributos o detalles (grosor, color, etc.). Tabla 1.5. Mapas de vectores. Formato Descripción IGES ASME/ANSI. Estándar para intercambio de datos y modelos de (AutoCAD,...). Pict Apple Computer. Imágenes vectoriales. EPS Adobe Computer. TrueType Apple y Microsoft para EPS. 16.
Introducción a la ciencia de la computación y a la programación 171.3.4. Rrepresentación de sonidos La representación de sonidos ha adquirido una importancia notable debido esencialmente a la infinidad de aplicaciones multimedia tanto autónomas como en la web. El método más genérico de codificación de la información de audio para almacenamiento y manipu- lación en computadora es mostrar la amplitud de la onda de sonido en intervalos regulares y registrar las series de valores obtenidos. La señal de sonido se capta mediante micrófonos o dispositivos similares y produce una señal analógica que puede tomar cualquier valor dentro de un intervalo continuo determi- nado. En un intervalo de tiempo continuo se dispone de infinitos valores de la señal analógica, que es necesario almacenar y procesar, para lo cual se recurre a una técnica de muestreo. Las muestras obteni- das se digitalizan con un conversor analógico-digital, de modo que la señal de sonido se representa por secuencias de bits (por ejemplo, 8 o 16) para cada muestra. Esta técnica es similar a la utilizada, histó- ricamente, por las comunicaciones telefónicas a larga distancia. Naturalmente, dependiendo de la calidad de sonido que se requiera, se necesitarán más números de bits por muestra, frecuencias de muestreo más altas y lógicamente más muestreos por períodos de tiempo4. Como datos de referencia puede considerar que para obtener reproducción de calidad de sonido de alta fidelidad para un disco CD de música, se suele utilizar, al menos, una frecuencia de muestreo de 44.000 muestras por segundo. Los datos obtenidos en cada muestra se codifican en 16 bits (32 bits para grabaciones en estéreo). Como dato anecdótico, cada segundo de música grabada en estéreo requiere más de un millón de bits. Un sistema de codificación de música muy extendido en sintetizadores musicales es MIDI (Musical Instruments Digital Interface) que se encuentra en sintetizadores de música para sonidos de videojuegos, sitios web, teclados electrónicos, etc.1.4. CONCEPTO DE ALGORITMO El objetivo fundamental de este texto es enseñar a resolver problemas mediante una computadora. El programador de computadora es antes que nada una persona que resuelve problemas, por lo que para llegar a ser un programador eficaz se necesita aprender a resolver problemas de un modo riguroso y sistemático. A lo largo de todo el libro nos referiremos a la metodología necesaria para resolver proble- mas mediante programas, concepto que se denomina metodología de la programación. El eje central de esta metodología es el concepto, ya tratado, de algoritmo. Un algoritmo es un método para resolver un problema. Aunque la popularización del término ha llegado con el advenimiento de la era informática, algoritmo proviene de Mohammed al-Khowârizmi, matemático persa que vivió durante el siglo IX y alcanzó gran reputación por el enunciado de las reglas paso a paso para sumar, restar, multiplicar y dividir números decimales; la traducción al latín del apellido en la palabra algorismus derivó posteriormente en algoritmo. Euclides, el gran matemático griego (del siglo IV antes de Cristo) que inventó un método para encontrar el máximo común divisor de dos números, se considera con Al-Khowârizmi el otro gran padre de la algoritmia (ciencia que trata de los algoritmos). El profesor Niklaus Wirth —inventor de Pascal, Modula-2 y Oberon— tituló uno de sus más famo- sos libros, Algoritmos + Estructuras de datos = Programas, significándonos que sólo se puede llegar a realizar un buen programa con el diseño de un algoritmo y una correcta estructura de datos. Esta ecuación será una de las hipótesis fundamentales consideradas en esta obra. La resolución de un problema exige el diseño de un algoritmo que resuelva el problema propuesto. 4 En las obras del profesor Alberto Prieto, Schaum «Conceptos de Informática e Introducción a la Informática», publicadas en McGraw-Hill, puede encontrar una excelente referencia sobre estos conceptos y otros complementarios de este capítulo in- troductorio. 17.
18 Programación en C++. Algoritmos, estructuras de datos y objetos Diseño Programa Problema del algoritmo de computadora Figura 1.10. Resolución de un problema. Los pasos para la resolución de un problema son: 1. Diseño del algoritmo, que describe la secuencia ordenada de pasos —sin ambigüedades— que conducen a la solución de un problema dado. (Análisis del problema y desarrollo del algoritmo.) 2. Expresar el algoritmo como un programa en un lenguaje de programación adecuado. (Fase de codificación.) 3. Ejecución y validación del programa por la computadora. Para llegar a la realización de un programa es necesario el diseño previo de un algoritmo, de modo que sin algoritmo no puede existir un programa. Los algoritmos son independientes tanto del lenguaje de programación en que se expresan como de la computadora que los ejecuta. En cada problema el algoritmo se puede expresar en un lenguaje dife- rente de programación y ejecutarse en una computadora distinta; sin embargo, el algoritmo será siempre el mismo. Así, por ejemplo, en una analogía con la vida diaria, una receta de un plato de cocina se pue- de expresar en español, inglés o francés, pero cualquiera que sea el lenguaje, los pasos para la elabora- ción del plato se realizarán sin importar el idioma del cocinero. En la ciencia de la computación y en la programación, los algoritmos son más importantes que los lenguajes de programación o las computadoras. Un lenguaje de programación es tan sólo un medio para expresar un algoritmo y una computadora es sólo un procesador para ejecutarlo. Tanto el lenguaje de programación como la computadora son los medios para obtener un fin: conseguir que el algoritmo se ejecute y se efectúe el proceso correspondiente. Dada la importancia del algoritmo en la ciencia de la computación, un aspecto muy importante será el diseño de algoritmos. A la enseñanza y práctica de esta tarea denominada algoritmia se dedica gran parte de este libro. El diseño de la mayoría de los algoritmos requiere creatividad y conocimientos profundos de la téc- nica de la programación. En esencia, la solución de un problema se puede expresar mediante un algo- ritmo.1.4.1. Características de los algoritmos Las características fundamentales que debe cumplir todo algoritmo son: • Un algoritmo debe ser preciso e indicar el orden de realización de cada paso. • Un algoritmo debe estar definido. Si se sigue un algoritmo dos veces, se debe obtener el mismo resultado cada vez. • Un algoritmo debe ser finito. Si se sigue un algoritmo, se debe terminar en algún momento; o sea, debe tener un número finito de pasos. La definición de un algoritmo debe describir tres partes: Entrada, Proceso y Salida. En el algoritmo de receta de cocina citado anteriormente se tendrá: Entrada: ingredientes y utensilios empleados. Proceso: elaboración de la receta en la cocina. Salida: terminación del plato (por ejemplo, cordero). 18.
Introducción a la ciencia de la computación y a la programación 19Ejemplo 1.1Un cliente ejecuta un pedido a una fábrica. La fábrica examina en su banco de datos la ficha del clien-te; si el cliente es solvente entonces la empresa acepta el pedido; en caso contrario, rechazará el pedido.Redactar el algoritmo correspondiente.Los pasos del algoritmo son: 1. Inicio. 2. Leer el pedido. 3. Examinar la ficha del cliente. 4. Si el cliente es solvente, aceptar pedido; en caso contrario, rechazar pedido. 5. Fin.Ejemplo 1.2Se desea diseñar un algoritmo para saber si un número es primo o no.Un número es primo si sólo puede dividirse por sí mismo y por la unidad (es decir, no tiene más diviso-res que él mismo y la unidad). Por ejemplo, 9, 8, 6, 4, 12, 16, 20, etc., no son primos, ya que son divi-sibles por números distintos a ellos mismos y a la unidad. Así, 9 es divisible por 3, 8 lo es por 2, etc. El algoritmo de resolución del problema pasa por dividir sucesivamente el número por 2, 3, 4, etc. 1. Inicio. 2. Poner X igual a 2 (x = 2, x variable que representa a los divisores del número que se busca N). 3. Dividir N por X (N/X). 4. Si el resultado de N/X es entero, entonces N es un número primo y bi- furcar al punto 7; en caso contrario, continuar el proceso. 5. Suma 1 a X (X ← X + 1). 6. Si X es igual a N, entonces N es un número primo; en caso contrario, bifurcar al punto 3. 7. Fin. Por ejemplo, si N es 131, los pasos anteriores serían: 1. Inicio. 2. X = 2. 3 y 4. 131/X. Como el resultado no es entero, se continúa el proceso. 5. X ← 2 + 1, luego X = 3. 6. Como X no es 131, se bifurca al punto 3. 3 y 4. 131/X resultado no es entero. 5. X ← 3 + 1, X = 4. 6. Como X no es 131 bifurca al punto 3. 3 y 4.131/X..., etc. 7. Fin. 19.
20 Programación en C++. Algoritmos, estructuras de datos y objetos Ejemplo 1.3 Realizar la suma de todos los números pares entre 2 y 1.000. El problema consiste en sumar 2 + 4 + 6 + 8 ... + 1.000. Utilizaremos las palabras SUMA y NUMERO (variables, serán denominadas más tarde) para representar las sumas sucesivas (2+4), (2+4+6), (2+4+6+8), etcétera. La solución se puede escribir con el siguiente algoritmo: 1. Inicio. 2. establecer SUMA a 0. 3. establecer NUMERO a 2. 4. Sumar NUMERO a SUMA. El resultado será el nuevo valor de la suma (SUMA). 5. Incrementar NUMERO en 2 unidades. 6. Si NUMERO =< 1.000 bifurcar al paso 4; 7. en caso contrario, escribir el último valor de SUMA y terminar el pro- ceso. 8. Fin.1.5. PROGRAMACIÓN ESTRUCTURADA La programación orientada a objetos se desarrolló para tratar de paliar diversas limitaciones que se en- contraban en anteriores enfoques de programación. Para apreciar las ventajas de la POO, es preciso constatar las limitaciones citadas y cómo se producen con los lenguajes de programación tradicionales. C, Pascal y FORTRAN, y lenguajes similares, se conocen como lenguajes procedimentales (por procedimientos). Es decir, cada sentencia o instrucción señala al compilador para que realice alguna tarea: obtener una entrada, producir una salida, sumar tres números, dividir por cinco, etc. En resumen, un programa en un lenguaje procedimental es un conjunto de instrucciones o sentencias. En el caso de pequeños programas, estos principios de organización (denominados paradigma) se demuestran eficien- tes. El programador sólo tiene que crear esta lista de instrucciones en un lenguaje de programación, compilar en la computadora y ésta, a su vez, ejecuta estas instrucciones. Cuando los programas se vuelven más grandes, cosa que lógicamente sucede cuando aumenta la complejidad del problema a resolver, la lista de instrucciones aumenta considerablemente, de modo tal que el programador tiene muchas dificultades para controlar ese gran número de instrucciones. Los pro- gramadores pueden controlar, de modo normal, unos centenares de líneas de instrucciones. Para resolver este problema los programas se descompusieron en unidades más pequeñas que adoptaron el nombre de funciones (procedimientos, subprogramas o subrutinas en otros lenguajes de programación). De este modo en un programa orientado a procedimientos se divide en funciones, de modo que cada función tiene un propósito bien definido y resuelve una tarea concreta, y se diseña una interfaz claramente defi- nida (el prototipo o cabecera de la función) para su comunicación con otras funciones. Con el paso de los años, la idea de romper en programa en funciones fue evolucionando y se llegó al agrupamiento de las funciones en otras unidades más grandes llamadas módulos (normalmente, en el caso de C, denominadas archivos o ficheros); sin embargo, el principio seguía siendo el mismo: agrupar componentes que ejecutan listas de instrucciones (sentencias). Esta característica hace que a medida que los programas se hacen más grandes y complejos, el paradigma estructurado comienza a dar señales de debilidad y resultando muy difícil terminar los programas de un modo eficiente. Existen varias razones de la debilidad de los programas estructurados para resolver problemas complejos. Tal vez las dos razo- nes más evidentes son éstas. Primero, las funciones tienen acceso ilimitado a los datos globales. Segun- do, las funciones inconexas y datos, fundamentos del paradigma procedimental proporcionan un mode- lo pobre del mundo real. 20.
Introducción a la ciencia de la computación y a la programación 211.5.1. Datos locales y datos globales En un programa procedimental, por ejemplo escrito en C, existen dos tipos de datos. Datos locales que son ocultos en el interior de la función y son utilizados, exclusivamente, por la función. Estos datos lo- cales están estrechamente relacionados con sus funciones y están protegidos de modificaciones por otras funciones. Otro tipo de datos son los datos globales a los cuales se puede acceder desde cualquier función del programa. Es decir, dos o más funciones pueden acceder a los mismos datos siempre que estos datos sean globales. En la Figura 1.11 se muestra la disposición de variables locales y globales en un programa procedimental. Un programa grande (Figura 1.12) se compone de numerosas funciones y datos globales y ello con- lleva una multitud de conexiones entre funciones y datos que dificulta su comprensión y lectura. Todas estas conexiones múltiples originan diferentes problemas. En primer lugar, hacen difícil con- ceptuar la estructura del programa. En segundo lugar, el programa es difícil de modificar ya que cambios en datos globales pueden necesitar la reescritura de todas las funciones que acceden a los mismos. Tam- bién puede suceder que estas modificaciones de los datos globales pueden no ser aceptadas por todas o algunas de las funciones. Variables globales Accesibles, por cualquier función Variables locales Variables locales Función A Función B Accesible sólo por función A Accesible sólo por función B Figura 1.11. Datos locales y globales. Datos Datos Datos globales globales globales Función Función Función Función Figura 1.12. Un programa procedimental. 21.
22 Programación en C++. Algoritmos, estructuras de datos y objetos1.5.2 Modelado del mundo real Un segundo problema importante de la programación estructurada reside en el hecho de que la disposi- ción separada de datos y funciones no se corresponden con los modelos de las cosas del mundo real. En el mundo físico se trata con objetos físicos tales como personas, autos o aviones. Estos objetos no son como los datos ni como las funciones. Los objetos complejos o no del mundo real tienen atributos y comportamiento. Los atributos o características de los objetos son, por ejemplo: en las personas, su edad, su profesión, su domicilio, etc.; en un auto, la potencia, el número de matrícula, el precio, número de puertas, etc; en una casa, la superficie, el precio, el año de construcción, la dirección, etc. En realidad, los atributos del mundo real tienen su equivalente en los datos de un programa; tienen un valor específico, tal como 200 metros cuadrados, 20.000 dólares, cinco puertas, etc. El comportamiento es una acción que ejecutan los objetos del mundo real como respuesta a un de- terminado estímulo. Si usted pisa los frenos en un auto, el coche (carro) se detiene; si acelera, el auto aumenta su velocidad, etc. El comportamiento, en esencia, es como una función: se llama a una función para hacer algo (visualizar la nómina de los empleados de una empresa). Por estas razones, ni los datos ni las funciones, por sí mismas, modelan los objetos del mundo real de un modo eficiente. La programación estructurada mejora la claridad, fiabilidad y facilidad de mantenimiento de los programas; sin embargo, para programas grandes o a gran escala, presentan retos de difícil solución.1.6. PROGRAMACIÓN ORIENTADA A OBJETOS La programación orientada a objetos, tal vez el paradigma de programación más utilizado en el mundo del desarrollo de software y de la ingeniería de software del siglo XXI, trae un nuevo enfoque a los retos que se plantean en la programación estructurada cuando los problemas a resolver son complejos. Al contrario que la programación procedimental que enfatiza en los algoritmos, la POO enfatiza en los da- tos. En lugar de intentar ajustar un problema al enfoque procedimental de un lenguaje, POO intenta ajustar el lenguaje al problema. La idea es diseñar formatos de datos que se correspondan con las carac- terísticas esenciales de un problema. La idea fundamental de los lenguajes orientados a objetos es combinar en una única unidad o módu- lo, tanto los datos como las funciones que operan sobre esos datos. Tal unidad se llama un objeto. Las funciones de un objeto se llaman funciones miembro en C++ o métodos (éste es el caso de Sma- lltalk, uno de los primeros lenguajes orientados a objetos), y son el único medio para acceder a sus datos. Los datos de un objeto, se conocen también como atributos o variables de instancia. Si se desea leer datos de un objeto, se llama a una función miembro del objeto. Se accede a los datos y se devuelve un valor. No se puede acceder a los datos directamente. Los datos son ocultos, de modo que están protegi- dos de alteraciones accidentales. Los datos y las funciones se dice que están encapsulados en una única entidad. El encapsulamiento de datos y la ocultación de los datos son términos clave en la descripción de lenguajes orientados a objetos. Si se desea modificar los datos de un objeto, se conoce exactamente cuáles son las funciones que interactúan con las funciones miembro del objeto. Ninguna otra función puede acceder a los datos. Esto simplifica la escritura, depuración y mantenimiento del programa. Un programa C++ se compone nor- malmente de un número de objetos que se comunican unos con otros mediante la llamada a otras fun- ciones miembro. La organización de un programa en C++ se muestra en la Figura 1.13. La llamada a una función miembro de un objeto se denomina enviar un mensaje a otro objeto. 22.
Introducción a la ciencia de la computación y a la programación 23 Objeto Datos Función miembro (método) Función miembro (método) Objeto Objeto Datos Datos Función miembro Función miembro (método) (método) Función miembro Función miembro (método) (método) Figura 1.13. Organización típica de un programa orientado a objetos En el paradigma orientado a objetos, el programa se organiza como un conjunto finito de obje- tos que contiene datos y operaciones (funciones miembro en C++) que llaman a esos datos y que se comunican entre sí mediante mensajes.1.6.1. Propiedades fundamentales de la orientación a objetos Existen diversas características ligadas a la orientación a objetos. Todas las propiedades que se suelen considerar, no son exclusivas de este paradigma, ya que pueden existir en otros paradigmas, pero en su conjunto definen claramente los lenguajes orientados a objetos. Estas propiedades son: • Abstracción (tipos abstractos de datos y clases). • Encapsulado de datos. • Ocultación de datos. • Herencia. • Polimorfismo. C++ soporta todas las características anteriores que definen la orientación a objetos, aunque hay numerosas discusiones en torno a la consideración de C++ como lenguaje orientado a objetos. La razón es que en contraste con lenguajes tales como Smalltalk, Java o C#, C++ no es un lenguaje orientado a objetos puro. C++ soporta orientación a objetos pero es compatible con C y permite que programas C++ se escriban sin utilizar características orientadas a objetos. De hecho, C++ es un lenguaje multiparadig- ma que permite programación estructurada, procedimental, orientada a objetos y genérica. 23.
24 Programación en C++. Algoritmos, estructuras de datos y objetos1.6.2. Abstracción La abstracción es la propiedad de los objetos que consiste en tener en cuenta sólo los aspectos más im- portantes desde un punto de vista determinado y no tener en cuenta los restantes aspectos. El término abstracción que se suele utilizar en programación se refiere al hecho de diferenciar entre las propiedades externas de una entidad y los detalles de la composición interna de dicha entidad. Es la abstracción la que permite ignorar los detalles internos de un dispositivo complejo tal como una computadora, un au- tomóvil, una lavadora o un horno de microondas, etc., y usarlo como una única unidad comprensible. Mediante la abstracción se diseñan y fabrican estos sistemas complejos en primer lugar y, posteriormen- te, los componentes más pequeños de los cuales están compuestos. Cada componente representa un nivel de abstracción en el cual el uso del componente se aísla de los detalles de la composición interna del componente. La abstracción posee diversos grados denominados niveles de abstracción. En consecuencia, la abstracción posee diversos grados de complejidad que se denominan niveles de abstracción que ayudan a estructurar la complejidad intrínseca que poseen los sistemas del mundo real. En el modelado orientado a objetos de un sistema esto significa centrarse en qué es y qué hace un obje- to y no en cómo debe implementarse. Durante el proceso de abstracción es cuando se decide qué carac- terísticas y comportamiento debe tener el modelo. Aplicando la abstracción se es capaz de construir, analizar y gestionar sistemas de computadoras complejos y grandes que no se podrían diseñar si se tratara de modelar a un nivel detallado. En cada nivel de abstracción se visualiza el sistema en términos de componentes, denominados herramientas abstractas, cuya composición interna se ignora. Esto nos permite concentrarnos en cómo cada compo- nente interactúa con otros componentes y centrarnos en la parte del sistema que es más relevante para la tarea a realizar en lugar de perderse a nivel de detalles menos significativos. En estructuras o registros, las propiedades individuales de los objetos se pueden almacenar en los miembros. Para los objetos es de interés cómo están organizados sino también qué se puede hacer con ellos. Es decir, las operaciones que forman la internan de un objeto son también importantes. El primer concepto en el mundo de la orientación a objetos nació con los tipos abstractos de datos (TAD). Un tipo abstracto de datos describe no sólo los atributos de un objeto, sino también su comportamiento (las ope- raciones). Esto puede incluir también una descripción de los estados que puede alcanzar un objeto. Un medio de reducir la complejidad es la abstracción. Las características y los procesos se reducen a las propiedades esenciales, son resumidas o combinadas entre sí. De este modo, las características complejas se hacen más manejables. Ejemplo 1.4 Diferentes modelos de abstracción del término coche (carro). • Un coche (carro) es la combinación (o composición) de diferentes partes, tales como motor, carrocería, cuatro ruedas, cinco puertas, etc. • Un coche (carro) es un concepto común para diferentes tipos de coches. Pueden clasificarse por el nombre del fabricante (Audi, BMW, SEAT, Toyota, Chrisler...), por su categoría (turismo, deportivo, todoterreno...), por el carburante que utilizan (gasolina, gasoil, gas, híbrido…). La abstracción coche se utilizará siempre que la marca, la categoría o el carburante no sean signi- ficativos. Así, un carro (coche) se utilizará para transportar personas o ir de Carchelejo a Cazorla.1.6.3. Encapsulación y ocultación de datos El encapsulado o encapsulación de datos es el proceso de agrupar datos y operaciones relacionadas bajo la misma unidad de programación. En el caso de los objetos que poseen las mismas características y 24.
Introducción a la ciencia de la computación y a la programación 25 comportamiento se agrupan en clases, que no son más que unidades o módulos de programación que encapsulan datos y operaciones. La ocultación de datos permite separar el aspecto de un componente, definido por su interfaz con el exterior, de sus detalles internos de implementación. Los términos ocultación de la información (information hiding) y encapsulación de datos (data encapsulation) se suelen utilizar como sinónimos, pero no siempre es así, y muy al contrario, son términos similares pero distintos. En C++ no es lo mismo, ya los datos internos están protegidos del exterior y no se pueden acceder a ellos más que desde su propio interior y por tanto, no están ocultos. El acceso al objeto está restringido sólo a través de una interfaz bien definida. El diseño de un programa orientado a objetos contiene, al menos, los siguientes pasos; 1. Identificar los objetos del sistema. 2. Agrupar en clases a todos objetos que tengan características y comportamiento comunes. 3. Identificar los datos y operaciones de cada una de las clases. 4. Identificar las relaciones que pueden existir entre las clases. En C++, un objeto es un elemento individual con su propia identidad; por ejemplo, un libro, un au- tomóvil... Una clase puede describir las propiedades genéricas de un ejecutivo de una empresa (nombre, título, salario, cargo...) mientras que un objeto representará a un ejecutivo específico (Luis Mackoy, di- rector general). En general, una clase define qué datos se utilizan para representar un objeto y las ope- raciones que se pueden ejecutar sobre esos datos. Cada clase tiene sus propias características y comportamiento; en general, una clase define los datos que se utilizan y las operaciones que se pueden ejecutar sobre esos datos. Una clase describe un objeto. En el sentido estricto de programación, una clase es un tipo de datos. Diferentes variables se pueden crear de este tipo. En programación orientada a objetos, éstas se llaman instancias. Las instancias son, por consiguiente, la realización de los objetos descritos en una clase. Estas instancias constan de datos o atributos descritos en la clase y se pueden manipular con las operaciones definidas dentro de ellas. Los términos objeto e instancia se utilizan frecuentemente como sinónimos (especialmente en C++). Si una variable de tipo Carro se declara, se crea un objeto Carro (una instancia de la clase Carro). Las operaciones definidas en los objetos se llaman métodos. Cada operación llamada por un objeto se interpreta como un mensaje al objeto, que utiliza un método específico para procesar la operación. En el diseño de programas orientados a objetos se realiza en primer lugar el diseño de las clases que representan con precisión aquellas cosas que trata el programa. Por ejemplo, un programa de dibujo, puede definir clases que representan rectángulos, líneas, pinceles, colores, etc. Las definiciones de clases, incluyen una descripción de operaciones permisibles para cada clase, tales como desplazamiento de un círculo o rotación de una línea. A continuación se prosigue el diseño de un programa utilizando objetos de las clases. El diseño de clases fiables y útiles puede ser una tarea difícil. Afortunadamente, los lenguajes POO facilitan la tarea ya que incorporan clases existentes en su propia programación. Los fabricantes de soft- ware proporcionan numerosas bibliotecas de clases, incluyendo bibliotecas de clases diseñadas para simplificar la creación de programas para entornos tales como Windows, Linux, Macintosh o Unix. Uno de los beneficios reales de C++ es que permite la reutilización y adaptación de códigos existentes y ya bien probados y depurados.1.6.4. Objetos El objeto es el centro de la programación orientada a objetos. Un objeto es algo que se visualiza, se uti- liza y juega un rol o papel. Si se programa con enfoque orientado a objetos, se intentan descubrir e im- plementar los objetos que juegan un rol en el dominio del problema y en consecuencia programa. La estructura interna y el comportamiento de un objetivo, en una primera fase, no tiene prioridad. Es im- portante que un objeto tal como un carro o una casa juegan un rol. 25.
26 Programación en C++. Algoritmos, estructuras de datos y objetos Dependiendo del problema, diferentes aspectos de un aspecto son relevantes. Un carro puede ser ensamblado de partes tales como un motor, una carrocería, unas puertas o puede ser descrito utilizando propiedades tales como su velocidad, su kilometraje o su fabricante. Estos atributos indican el objeto. De modo similar una persona, también se puede ver como un objeto, del cual se disponen de diferentes atributos. Dependiendo de la definición del problema, esos atributos pueden ser el nombre, apellido, dirección, número de teléfono, color del cabello, altura, peso, profesión, etc. Un objeto no necesariamente ha de realizar algo concreto o tangible. Puede ser totalmente abstracto y también puede describir un proceso. Por ejemplo, un partido de baloncesto o de rugby puede ser des- crito como un objeto. Los atributos de este objeto pueden ser los jugadores, el entrenador, la puntuación y el tiempo transcurrido de partido. Cuando se trata de resolver un problema con orientación a objetos, dicho problema no se descompone en funciones como en programación estructurada tradicional, caso de C, sino en objetos. El pensar en tér- minos de objetos tiene una gran ventaja: se asocian los objetos del problema a los objetos del mundo real. ¿Qué tipos de cosas son objetos en los programas orientados a objetos? La respuesta está limitada por su imaginación aunque se pueden agrupar en categorías típicas que facilitarán su búsqueda en la definición del problema de un modo más rápido y sencillo. • RecursosHumanos: — Empleados. — Estudiantes. — Clientes. — Vendedores. — Socios. • Colecciones de datos: — Arrays (arreglos). — Listas. — Pilas. — Árboles. — Árboles binarios. — Grafos. • Tipos de datos definidos por usuarios: — Hora. — Números complejos. — Puntos del plano. — Puntos del espacio. — Ángulos. — Lados. • Elementos de computadoras: — Menús. — Ventanas. — Objetos gráficos (rectángulos, círculos, rectas, puntos,…). — Ratón (mouse). — Teclado. — Impresora. — USB. — Tarjetas de memoria de cámaras fotográficas. • Objetos físicos: — Carros. — Aviones. 26.
Introducción a la ciencia de la computación y a la programación 27 — Trenes. — Barcos. — Motocicletas. — Casas. • Componentes de videojuegos: — Consola. — Mandos. — Volante. — Conectores. — Memoria. — Acceso a Internet. La correspondencia entre objetos de programación y objetos del mundo real es el resultado eficiente de combinar datos y funciones que manipulan esos datos. Los objetos resultantes ofrecen una mejor solución al diseño del programa que en el caso de los lenguajes orientados a procedimientos. Un objeto se puede definir desde el punto de vista conceptual como una entidad individual de un sistema y que se caracteriza por un estado y un comportamiento. Desde el punto de vista de implemen- tación un objeto es una entidad que posee un conjunto de datos y un conjunto de operaciones (funciones o métodos). El estado de un objeto viene determinado por los valores que toman sus datos, cuyos valores pueden tener las restricciones impuestas en la definición del problema. Los datos se denominan también atribu- tos y componen la estructura del objeto y las operaciones —también llamadas métodos— representan los servicios que proporciona el objeto. La representación gráfica de un objeto en UML se muestra en la Figura 1.14. Un objeto: Clase X Un objeto: Clase X (a) Notación completa de un objeto (b) Notación reducida de un objeto Toyota: Carro Mackoy: Persona (c) Un objeto Toyota de la clase Carro (d) Un objeto Mackoy de la clase Persona Figura 1.14. Representación de objetos en UML (Lenguaje Unificado de Modelado).1.6.5. Clases En POO los objetos son miembros de clases. En esencia, una clase es un tipo de datos al igual que cual- quier otro tipo de dato definido en un lenguaje de programación. La diferencia reside en que la clase es un tipo de dato que contiene datos y funciones. Una clase contiene muchos objetos y es preciso definir- la, aunque su definición no implica creación de objetos. 27.
28 Programación en C++. Algoritmos, estructuras de datos y objetos Nombre de la clase Nombre de la clase Atributos Métodos Excepciones, etc. (a) Notación completa de un objeto (b) Notación abreviada de un objeto Carro Persona Marca Modelo Año de matrícula Carro Potencia Acelerar ( ) Frenar ( ) Girar ( ) Avión (c) Clase Carro (d) Clases Persona, Carro y Avión Figura 1.15. Representación de clases en UML. Una clase es, por consiguiente, una descripción de un número de objetos similares. Madonna, Sting, Prince, Juanes, Carlos Vives o Juan Luis Guerra son miembros u objetos de la clase “músicos de rock”. Un objeto concreto, Juanes o Carlos Vives, son instancias de la clase "músicos de rock". En C++ una clase es una estructura de dato o tipo de dato que contiene funciones (métodos) como miembros y datos. Una clase es una descripción general de un conjunto de objetos similares. Por defi- nición todos los objetos de una clase comparten los mismos atributos (datos) y las mismas operaciones (métodos). Una clase encapsula las abstracciones de datos y operaciones necesarias para describir una entidad u objeto del mundo real. Una clase se representa en UML mediante un rectángulo que contiene en una banda con el nombre de la clase y opcionalmente otras dos bandas con el nombre de sus atributos y de sus operaciones o mé- todos (Figura 1.16).1.6.6. Generalización y especialización: herencia La generalización es la propiedad que permite compartir información entre dos entidades evitando la redundancia. En el comportamiento de objetos existen con frecuencia propiedades que son comunes en diferentes objetos y esta propiedad se denomina generalización. Por ejemplo, máquinas lavadoras, frigoríficos, hornos de microondas, tostadoras, lavavajillas, etc., son todos electrodomésticos (aparatos del hogar). En el mundo de la orientación a objetos, cada uno de estos aparatos es un subclase de la clase Electrodoméstico y a su vez Electrodoméstico es una superclase de todas las otras clases (máquinas lavadoras, frigoríficos, hornos de mi- croondas, tostadoras, lavavajillas,...). El proceso inverso de la generalización por el cual se definen nuevas clases a partir de otras ya existentes se denomina especialización 28.
Introducción a la ciencia de la computación y a la programación 29 Perro Jugador de Baloncesto Nombre Nombre Edad Altura Peso Peso Altura Edad Correr ( ) Lanzar ( ) Dormir ( ) Saltar ( ) … Figura 1.16. Representación de clases en UML con atributos y métodos. En orientación a objetos, el mecanismo que implementa la propiedad de generalización se denominaherencia. La herencia permite definir nuevas clases a partir de otras clases ya existentes, de modo quepresentan las mismas características y comportamiento de éstas, así como otras adicionales. La idea de clases conduce a la idea de herencia. Clases diferentes se pueden conectar unas con otrasde modo jerárquico. Como ya se ha comentado anteriormente con las relaciones de generalización yespecialización, en nuestras vidas diarias se utiliza el concepto de clases divididas en subclases. La cla-se animal se divide en anfibios, mamíferos, insectos, pájaros, etc., y la clase vehículo encarros, motos, camiones, buses, etc. El principio de la división o clasificación es que cada subclase comparte características comunes conla clase de la que procede o se deriva. Los carros, motos, camiones y buses tiene ruedas, motores y ca-rrocerías; son las características que definen a un vehículo. Además de las características comunes conlos otros miembros de la clase, cada subclase tiene sus propias características. Por ejemplo los camionestienen una cabina independiente de la caja que transporta la carga; los buses tienen un gran número deasientos independientes para los viajeros que ha de transportar, etc. En la Figura 1.17 se muestran clasespertenecientes a una jerarquía o herencia de clases. De modo similar una clase se puede convertir en padre o raíz de otras subclases. En C++ la claseoriginal se denomina clase base y las clases que se derivan de ella se denominan clases derivadas ysiempre son una especialización o concreción de su clase base. A la inversa, la clase base es la genera-lización de la clase derivada. Esto significa que todas las propiedades (atributos y operaciones) de laclase base se heredan por la clase derivada, normalmente suplementada con propiedades adicionales. Animal Reptil Mamífero Anfibio Serpiente Caballo Rana Figura 1.17. Herencia de clases en UML. 29.
30 Programación en C++. Algoritmos, estructuras de datos y objetos1.6.7 Reusabilidad Una vez que una clase ha sido escrita, creada y depurada, se puede distribuir a otros programadores para utilizar en sus propios programas. Esta propiedad se llama reusabilidad 5 o reutilización. Su concepto es similar a las funciones incluidas en las bibliotecas de funciones de un lenguaje procedimental como C que se pueden incorporar en diferentes programas. En C++, el concepto de herencia proporciona una extensión o ampliación al concepto de reusabili- dad. Un programador puede considerar una clase existente y sin modificarla, añadir competencias y propiedades adicionales a ella. Esto se consigue derivando una nueva clase de una ya existente. La nue- va clase heredará las características de la clase antigua, pero es libre de añadir nuevas características propias. La facilidad de reutilizar o reusar el software existente es uno de los grandes beneficios de la POO: muchas empresas consiguen con la reutilización de clase en nuevos proyectos la reducción de los costes de inversión en sus presupuestos de programación. ¿En esencia cuales son las ventajas de la herencia? Primero, se utiliza para consistencia y reducir código. Las propiedades comunes de varias clases sólo necesitan ser implementadas una vez y sólo necesitan modificarse una vez si es necesario. La otra ven- taja es que el concepto de abstracción de la funcionalidad común está soportada.1.6.8. Polimorfismo Además de las ventajas de consistencia y reducción de código, la herencia, aporta también otra gran ventaja: facilitar el polimorfismo. Polimorfismo es la propiedad de que un operador o una función actúen de modo diferente en función del objeto sobre el que se aplican. En la practica, el polimorfismo signifi- ca la capacidad de una operación de ser interpretada sólo por el propio objeto que lo invoca. Desde un punto de vista práctico de ejecución del programa, el polimorfismo se realiza en tiempo de ejecución ya que durante la compilación no se conoce qué tipo de objeto y por consiguiente que operación ha sido llamada. En el capítulo 14 se describirá en profundidad la propiedad de polimorfismo y los diferentes modos de implementación del polimorfismo. La propiedad de polimorfismo es aquella en que una operación tiene el mismo nombre en diferentes clases, pero se ejecuta de diferentes formas en cada clase. Así, por ejemplo, la operación de abrir se puede dar en diferentes clases: abrir una puerta, abrir una ventana, abrir un periódico, abrir un archivo, abrir una cuenta corriente en un banco, abrir un libro, etc. En cada caso se ejecuta una operación dife- rente aunque tiene el mismo nombre en todos ellos “abrir”. El polimorfismo es la propiedad de una operación de ser interpretada sólo por el objeto al que pertenece. Existen diferentes formas de imple- mentar el polimorfismo y variará dependiendo del lenguaje de programación. Veamos el concepto con ejemplos de la vida diaria. En un taller de reparaciones de automóviles existen numerosos carros, de marcas diferentes, de mo- delos diferentes, de tipos diferentes, potencias diferentes, etc. Constituyen una clase o colección hetero- génea de carros (coches). Supongamos que se ha de realizar una operación común “cambiar los frenos del carro”. La operación a realizar es la misma, incluye los mismos principios, sin embargo, dependien- do del coche, en particular, la operación será muy diferente, incluirá diferentes acciones en cada caso. Otro ejemplo a considerar y relativo a los operadores “+” y “*” aplicados a números enteros o números complejos; aunque ambos son números, en un caso la suma y multiplicación son operaciones simples, mientras que en el caso de los números complejos al componerse de parte real y parte imaginaria, será necesario seguir un método específico para tratar ambas partes y obtener un resultado que también será un número complejo. El uso de operadores o funciones de forma diferente, dependiendo de los objetos sobre los que están actuando se llama polimorfismo (una cosa con diferentes formas). Sin embargo, cuando un operador 5 El término proviene del concepto ingles reusability. La traducción no ha sido aprobada por la RAE, pero se incorpora al texto por su gran uso y difusión entre los profesionales de la informática. 30.
Introducción a la ciencia de la computación y a la programación 31 existente, tal como + o =, se le permite la posibilidad de operar sobre nuevos tipos de datos, se dice en- tonces que el operador está sobrecargado. La sobrecarga es un tipo de polimorfismo y una característica importante de la POO. En el Capítulo 10 se ampliará, también en profundidad, este nuevo concepto.1.7. EL SOFTWARE (LOS PROGRAMAS) El software de una computadora es un conjunto de instrucciones de programa detalladas que controlan y coordinan los componentes hardware de una computadora y controlan las operaciones de un sistema informático. El auge de las computadoras en el siglo pasado y en el actual siglo XXI, se debe esencial- mente, al desarrollo de sucesivas generaciones de software potentes y cada vez más amistosas (“fáciles de utilizar”). Las operaciones que debe realizar el hardware son especificadas por una lista de instrucciones, lla- madas programas, o software. Un programa de software es un conjunto de sentencias o instrucciones al computador. El proceso de escritura o codificación de un programa se denomina programación y las personas que se especializan en esta actividad se denominan programadores. Existen dos tipos impor- tantes de software: software del sistema y software de aplicaciones. Cada tipo realiza una función dife- rente. Software del sistema es un conjunto generalizado de programas que gestiona los recursos del com- putador, tal como el procesador central, enlaces de comunicaciones y dispositivos periféricos. Los pro- gramadores que escriben software del sistema se llaman programadores de sistemas. Software de aplicaciones son el conjunto de programas escritos por empresas o usuarios individuales o en equipo y que instruyen a la computadora para que ejecute una tarea específica. Los programadores que escriben software de aplicaciones se llaman programadores de aplicaciones. Los dos tipos de software están relacionados entre sí, de modo que los usuarios y los programadores pueden hacer así un uso eficiente del computador. En la Figura 1.18 se muestra una vista organizacional de un computador donde muestran los diferentes tipos de software a modo de capas de la computadora desde su interior (el hardware) hasta su exterior (usuario): Las diferentes capas funcionan gracias a las instrucciones específicas (instrucciones máquina) que forman parte del software del sistema y llegan al software de aplicación, programado por los programadores de aplicaciones, que es utilizado por el usua- rio que no requiere ser un especialista. Programas de la aplicación Programas del sistema Figura 1.18. Relación entre programas de aplicación y programas del sistema. Recommended
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