Lenguajes de Programación Tema 4. Paradigma Orientado a Objetos Pedro García López pgarcia@etse.urv.es/

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Indice Introducción Paradigma Orientado a Objetos Estudio de caso: Java Conclusiones

Paradigma Orientado a Objetos Conceptos generales Clases y Objetos Herencia Polimorfismo

Problemas en la creación del software ¿Hay crisis del software? Gran complejidad Número de estados posibles es muy elevado Conexiones entre entidades Complejidad arbitraria que surge de instituciones humanas Sujeto a continuos cambios No tiene representación gráfica Especificación de requisitos Comunicación del equipo

Calidad del Software Factores Externos Factores Internos Corrección Robustez Extensibilidad Reutilización Compatibilidad Eficiencia Portabilidad Facilidad de uso Funcionalidad Factores Internos Modularidad Legibilidad

Mantenimiento del software Parte noble: MODIFICACION Parte no noble: DEPURACION Se le dedica el 70 % del coste del software Distribución coste según [Lientz79]: Cambios solicitados por los usuarios (41.8%) Cambios en los formatos de los datos (17.4%) Cambios de emergencia (12.4%) Depuración rutinaria (9%) Costes de documentación (5.5%)

Mantenimiento del software Conclusiones del estudio: Ausencia de extensibilidad Estructura física de los datos dispersa por muchas partes del sistema No se hace documentación a posteriori Cuando el sistema funciona no se buscan mejoras en eficiencia.

En los Sistemas Software interesa ... Acoplamiento mínimo: Numero de conexiones sea mínimo Flujo de información sea mínimo Comunicaciones explícitas Cohesión interna: Cohesión de datos Cohesión funcional

Reutilización del software ¿Por qué el software no es como el hardware? ¿Por qué cada nuevo proyecto software arranca de la nada? Librerías de software Software-IC

Repetición en el desarrollo del software ¿Cuántas veces en los últimos 6 meses has escrito código para buscar un elemento en una colección? Naturaleza repetitiva de la programación (ordenar, buscar, recorrer, ...) ¿Por qué no es frecuente? Dificultades técnicas y no técnicas

Dificultades técnicas Diseñar código reutilizable es difícil. Hacemos las mismas cosas pero no de la misma forma. Difícil captura de las similitudes. Permitir adaptación

Rutina genérica para “búsqueda en una colección” Ejemplo FUNCTION buscar (x: Elemento; c: Coleccion): BOOLEAN VAR pos : Posicion; BEGIN pos:= Comenzar (x,c); WHILE not Completa (pos,c) and not Encontrado (pos, x, c) DO pos:= Siguiente (pos, x, c); buscar:= not Completa (pos,c); END; Rutina genérica para “búsqueda en una colección”

Requisitos de los módulos para facilitar la reutilización FUNCTION buscar (x: Elemento; c: Coleccion): BOOLEAN VAR pos : Posicion; BEGIN pos:= Comenzar (x,c); WHILE not Completa (pos,c) and not Encontrado (pos, x, c) DO pos:= Siguiente (pos, x, c); buscar:= not Completa (pos,c); END; 1. Variación en tipos Aplicable a diferentes tipos de elementos x: Elemento

Requerimientos de los módulos para facilitar la reutilización FUNCTION buscar (x: Elemento; c: Coleccion): BOOLEAN VAR pos : Posicion; BEGIN pos:= Comenzar (x,c); WHILE not Completa (pos,c) and not Encontrado (pos, x, c) DO pos:= Siguiente (pos, x, c); buscar:= not Completa (pos,c); END; 2. Variación en estructuras de datos y algoritmos El tipo Coleccion puede estar implementado de diferentes formas y Siguiente(pos,x,c) puede estar ligado a diferentes rutinas: FAMILIAS DE MODULOS relacionados

Requerimientos de los módulos para facilitar la reutilización FUNCTION buscar (x: Elemento; c: Coleccion): BOOLEAN VAR pos : Posicion; BEGIN pos:= Comenzar (x,c); WHILE not Completa (pos,c) and not Encontrado (pos, x, c) DO pos:= Siguiente (pos, x, c); buscar:= not Completa (pos,c); END; 3. Independencia de la representación Se puede usar una operación sin conocer su implementación siguiente(pos,x,c), comenzar(x,c), encontrado(pos,c), completa(pos,c)

Independencia de la representación Alternativa: if “c es de tipo A” then “aplicar algoritmo de búsqueda A” elseif “c es de tipo B” then “aplicar algoritmo de búsqueda B” elseif … Este código sería incluido en: Un único módulo: Grande y sujeto a constantes cambios Código cliente: Dificulta la extensibilidad

Requerimientos de los módulos para facilitar la reutilización. FUNCTION buscar (x: Elemento; c: Coleccion): BOOLEAN VAR pos : Posicion; BEGIN pos:= Comenzar (x,c); WHILE not Completa (pos,c) and not Encontrado (pos, x, c) DO pos:= Siguiente (pos, x, c); buscar:= not Completa (pos,c); END; 4. Factorizar comportamientos comunes dentro de una familia de implementaciones 5. Rutinas relacionadas

Ejemplo: Factorizar comportamientos comunes Fichero Secuencial La operación “búsqueda” se escribe una sola vez.

Una nueva variante sólo tiene que especificar cómo implementar estas cuatro rutinas

Estructuras modulares tradicionales Rutinas Paquetes o Módulos ¿Por qué no son suficientes? Posibles soluciones para darles flexibilidad: Sobrecarga Genericidad ¿cubre los requisitos de módulos reutilizables?

Rutinas Unidad de software que puede llamar a otras unidades para ejecutar un cierto algoritmo. Enfoque de reutilización: librerías de rutinas Adecuadas en áreas donde pueden ser identificado un conjunto de problemas individuales con las siguientes limitaciones: 1. Admiten especificación simple: pequeño conjunto de parámetros. 2. No estén implicadas estructuras de datos complejas. 3. Problemas claramente diferenciados.

Limitaciones de las rutinas Soluciones para: "Búsqueda en una colección secuencial”: 1) Una rutina: "CASE" enorme. Muchos argumentos. 2) Conjunto de rutinas: Rutinas muy similares ( factorizar comportamiento) Cliente debe buscar en un laberinto de rutinas. Conclusión: Un módulo reutilizable debe estar abierto a la adaptación y, la única forma de adaptación de una rutina es pasarle diferentes argumentos. Las rutinas no son suficientemente flexibles

Paquetes/Módulos Son unidades de descomposición de software que: Cumplen el principio de Unidad Lingüística Modular Contienen variables y rutinas relacionadas = características del `paquete Admiten la Ocultación de la Información (módulos abstractos) Permite la implementación de tipos definidos por el programador Los módulos sólo resuelven ”rutinas relacionadas” facilita depuración y cambio al proveedor es más fácil para los clientes encontrar y usar los servicios de los módulos

Ejemplo: Paquetes/Módulos Package TablaEnteros; type ArbolBinEnteros record info: Integer izq, der: ArbolBinEnteros end; new: ArbolBinEnteros begin … end; añadir(t:ArbolBinEnteros; x: Integer) begin … end; existe(t:ArbolBinEnteros; x: Integer): Boolean begin .. end …. end DECLARACIÓN DE TIPO OPERACIONES SOBRE EL TIPO

Sobrecarga Identificador con más de un significado. Ejemplo: Sobrecarga de rutinas FUNCTION Búsqueda (x:Cuenta; t: ListaCuentas): Boolean; FUNCTION Búsqueda (x:CHAR; t: ARRAY [CHAR]): Boolean; FUNCTION Búsqueda (x:REAL; t: ARRAY[REAL]): Boolean; Facilidad sintáctica orientada a los clientes. Permite escribir el mismo código cliente usando diferentes implementaciones de cierto concepto.

¿Qué nos proporciona la sobrecarga? ¿ Resuelve “Variación en estructuras de datos y algoritmos”? ¿Resuelve “Independencia de la representación”? En cada invocación “Busqueda(x,t)” cliente y compilador saben de que versión se trata. “Independencia en la representación” exige poder escribir “Busqueda(x,t)” significando: “Busca x en t usando el algoritmo adecuado, cualesquiera que sea la clase de colección ligada a t en tiempo de ejecución”

Genericidad Posibilidad de definir módulos parametrizados, cuyos parámetros representan tipos. Facilidad orientada a los creadores de módulos permite escribir el mismo código cuando se usa la misma implementación de cierto concepto, aplicado a diferentes tipos de objetos” Ej: Array [T], Lista[T] Los módulos cliente deben instanciar el módulo genérico Ej: Array [Real], Lista[Figura], Resuelve “variación en tipos”

Ejemplo de Genericidad Package Tabla[T]; type ArbolBinario record info: T izq, der: ArbolBinEnteros end; new: ArbolBinario begin … end; añadir(t:ArbolBinario; x: T) begin … end; existe(t:ArbolBinario; x: T): Boolean begin .. end …. end

Conclusión La genericidad resuelve: Los paquetes/modulos resuelve: Variación en tipos. Los paquetes/modulos resuelve: Rutinas relacionadas. No se resuelve: Variación en estructuras de datos y algoritmos. Independencia de la representación. Capturar similitudes entre un subgrupo de un conjunto de posibles implementaciones.

Descomposición Funcional B C D E H G F Secuencia Condicional Bucle

Inconvenientes de la Descomposición Funcional Función principal: “Cima del sistema” El “programa principal” es una propiedad volátil Sistemas reales no tienen “cima” Mejor la visión de un “conjunto de servicios” Centrado en la interfaz Primera pregunta: ¿Que hará el sistema? La arquitectura del software debe basarse en propiedades más profundas. Ordenación temporal prematura

Inconvenientes de la Descomposición Funcional No favorece la reutilización Se desarrollan elementos software para satisfacer necesidades específicas de otro elemento del nivel superior. “Cultura del proyecto actual” Las estructuras de datos son descuidadas Funciones y datos deben jugar un papel complementario Cuando un sistema evoluciona los datos son más estables que los procesos.

Ventajas de la Descomposición Funcional Técnica simple, fácil de aplicar Util para pequeños programas y describir algoritmos. Buena para documentar diseños. Facilita desarrollo sistemático de sistemas Adecuada para dominar la complejidad

Descomposición basada en objetos Los objetos son más estables que las funciones cuando el sistema evoluciona (Extensibilidad). Tipos de objetos equipados con las operaciones asociadas (Reutilización). El diseñador lista las operaciones aplicables a cierto tipo de objetos, especificando su efecto. Se retrasa todo lo posible el orden en que se ejecutan las operaciones.

Desarrollo software OO 1. Encontrar tipos de objetos relevantes 2. Encontrar operaciones para tipos de objetos 3. Describir tipos de objetos 4. Encontrar relaciones entre objetos 5. Usar tipos de objetos para estructurar software

Conceptos Clave POO Clase y Objeto Clase: Atributos y métodos Creación de clases: constructores e instanciación Invocación de métodos Atributos y métodos de clase Ocultación de información Tipos referencia, asignación, aliasing y copia de objetos Concepto de Metaclase Relaciones entre clases: clientela y herencia Tipos de herencia Polimorfismo y ligadura dinámica

Clases y Objetos Una clase es un módulo y un tipo de dato: Módulo (concepto sintáctico) Mecanismo para organizar el software (sintáctico) Encapsula componentes software Tipo (concepto semántico) Mecanismo de definición de nuevos tipos de datos: describe una estructura de datos (objetos) para representar valores de un dominio y las operaciones aplicables.

Combinación módulo-tipo “Los servicios proporcionados por una clase, vista como un módulo, son precisamente las operaciones disponibles sobre las instancias de la clase, vista como un tipo”. Como cada módulo es un tipo, cada operación del módulo es relativa a cierta instancia del tipo

TAD y Clase Teoría TAD {Operaciones: Sintaxis Software Clase y Semántica} Software Clase {Elegir representación e implementar operaciones}

Clases: Ejemplo Al modelar un banco, encontramos objetos “cuenta”. Todos los objetos “cuenta” tienen unas propiedades comunes: saldo, titular, código, reintegro, ingreso, … Definimos una clase Cuenta. Clases del dominio y clases de diseño/implementación

Componentes de un clase Atributos Determinan una estructura de almacenamiento para cada objeto de la clase Rutinas (Métodos) Operaciones aplicables a los objetos Único modo de acceder a los atributos Ejemplo: Al modelar un banco, encontramos objetos “cuenta”. Todos los objetos “cuenta” tienen propiedades comunes: atributos: saldo, titular, ... operaciones: reintegro, ingreso, … Definimos una clase CUENTA.

Cada objeto es instancia de una clase Estructura de datos Código Objeto Cuenta Clase Cuenta Instanciación Cuenta oc oc = new Cuenta() Cada objeto es instancia directa de una clase. Una clase es una factoría de objetos

Constructores (C++ y Java) Realizan la inicialización de un objeto tras la creación. Un constructor procedimiento especial con el mismo nombre que la clase. Se debe invocar cuando se crea un objeto de la clase con el operador new En C++ también cuando se declara una variable. Pueden tener modificadores de acceso

Mensajes Mecanismo básico de la computación OO. Invocación de la aplicación de un método sobre un objeto. La modificación o consulta del estado de un objeto se realiza mediante mensajes. Formado por tres partes Objeto receptor Selector o identificador del método a aplicar Argumentos

Semántica mensajes Sea el mensaje x.f, su significado es: “Aplicar el método f sobre el receptor x, efectuando el paso de parámetros” ¡NO CONFUNDIR CON LA INVOCACIÓN DE UN PROCEDIMIENTO!

Variables y métodos de Clase Compartida por todas las instancias de una clase. Registrar valor común a todas las instancias Ejemplos para una clase Cuenta: Interés, Coste tarjeta, Último código asignado ¿Cuándo se inicializa? Puede ser accedida por métodos de instancia y de clase Los métodos de clase no deberían acceder a variables de instancia

Clases y Ocultación de Información Ocultamiento información importante para conseguir arquitecturas flexibles y coherentes. Interface vs. Implementación: Un cliente sólo conoce la interface. Sólo los métodos de la clase deberían poder acceder a sus atributos. Cada lenguaje OO (Eiffel, C++, Java, Smalltalk) presenta diferencias en cuanto al ocultamiento de información.

Tipos referencia Los posibles valores de una entidad (atributo, parámetro, …) son referencias a objetos potenciales que pueden ser creados en tiempo de ejecución a través, siempre, de instrucciones de creación explícitas. Una referencia puede encontrarse en uno de dos estados posibles No ligada: Void (Eiffel) o null (Java) Ligada a un objeto Las referencias son “punteros domesticados”. Void es un estado (null es un literal) mientras que “nil” (en Pascal) o “null” (en C) son valores de tipo puntero.

Ventajas de los tipos referencia Más eficiente para manejar objetos complejos. Soporte para definir estructuras de datos recursivas. Soporte del polimorfismo. Los objetos son creados cuando son necesarios. Permite la compartición de un objeto (integridad semántica). DESVENTAJA: “Aliasing”

¡Cuidado con el Aliasing! Asignación oa ob oa:= ob ob oa La asignación no implica copia de valores sino de referencias ¡Cuidado con el Aliasing!

Solución: Copia de objetos Copia superficial Se copian los valores de cada campo del objeto origen oy en el objeto destino ox; ox y oy comparten referencias. Soportada por defecto y puede redefinirse para una clase concreta. Copia profunda Se crea un objeto con una estructura idéntica al objeto origen. No hay compartición de referencias No suele ser soportada por defecto

Metaclases Una clase puede ser considerada un objeto: Metaclase ¿Cuál es su clase? Metaclase Clase que describe clases, sus instancias son clases. Propiedades: lista de atributos, lista de variables de clase, lista de métodos, lista de métodos de clase. Java y Smalltalk tienen metaclases Útil en programación avanzada, cuando se manejan entidades software, p.e. depuradores, inspectores, browsers,..

Relaciones entre clases Clientela Una clase A es cliente de una clase B, si A contiene una declaración en la que se establezca que cierta entidad (atributo, parámetro, variable local) e es de tipo B (e:B) titular: Persona CUENTA PERSONA “Cuenta es cliente de Persona” Ejemplo: Herencia Una clase es una versión especializada de otra existente Cuenta CuentaAhorro CuentaCorriente Ejemplo:

Herencia La herencia organiza las clases en una estructura jerárquica: Jerarquías de clases Ejemplos: PUBLICACION LIBRO REVISTA LIBRO_TEXTO INVESTIGACION MAGAZINE FIGURA POLIGONO CIRCULO RECTANGULO No es tan solo un mecanismo para compartir código. Consistente con el sistema de tipos del lenguaje

Herencia Puede existir una clase “raíz” en la jerarquía de la cual heredan las demás directa o indirectamente. Incluye todas las características comunes a todas las clases Eiffel: clase ANY Smalltalk: clase Object Java: clase Object C++: no existe

(Redefinición disponible en cualquier LOO) Herencia Si B hereda de A entonces B incorpora la estructura (atributos) y comportamiento (métodos) de la clase A, pero puede incluir adaptaciones: -B puede añadir nuevos atributos -B puede añadir nuevos métodos -B puede REDEFINIR métodos -B puede renombrar atributos o métodos - B puede implementar un método diferido en A … Adaptaciones dependientes del lenguaje (Redefinición disponible en cualquier LOO) Refinamiento: Extender el uso original Reemplazo: Mejorar la implementación

Polimorfismo Es restringido por la herencia Importante para escribir código genérico Sea las declaraciones: ox: X; rutina1 (oy:Y) En un lenguaje con monomorfismo (Pascal, Ada, ..) en t.e. ox y oy denotarán valores de los tipos X e Y, respectivamente. En un lenguaje con polimorfismo (Eiffel, C++, ..) en t.e. ox y oy podrán estar asociados a objetos de varios tipos diferentes: tipo estático vs. tipo dinámico

Tipo estático y tipo dinámico Tipo asociado en la declaración Tipo dinámico: Tipo correspondiente a la clase del objeto conectado a la entidad en tiempo de ejecución Conjunto de tipos dinámicos: Conjunto de posibles tipos dinámicos de una entidad Ejemplo: A E D C B F oa: A; ob: B; oc; C; te(oa) = A ctd(oa) = {A,B,C,D,E,F} te(ob) = B ctd(ob) = {B, D, E} te(oc) = C ctd(oc) = {C,F}

p:POLIGONO; r:RECTANGULO Conexión polimorfa (POLIGONO) p (antes) (después) (RECTANGULO) r  p:POLIGONO; r:RECTANGULO Cuando el origen y el destino tiene tipos diferentes: a) asignación: p := r; -- p es una entidad polimorfa b) paso de parámetros: f (p:POLIGONO) is do ... end -- f es una rutina polimorfa Sólo se permite para entidades destino de tipo referencia

Tipos de polimorfismo Real Aparente Paramétrico (“lista de T”) Inclusión: Basado en la herencia una función y varias interpretaciones diferentes Aparente Sobrecarga varias funciones todas con el mismo nombre Ejemplo polimorfismo paramétrico: long (l:lista): integer if l=nil then long:=1 else long:= 1 + long(cola(l))

Sobrecarga Es el nombre de la función lo que es polimórfico Se resuelve en tiempo de compilación, según la signatura de la rutina. No es necesario que exista similitud semántica. En los lenguajes OO puede existir sobrecarga dentro de una clase entre clases no relacionadas (es fundamental)

Polimorfismo y código genérico Estructuras de datos polimórficas: Pueden contener instancias de una jerarquía de clases Ejemplo: fig: ARRAY [FIGURA] 1 2 3 4 p: POLIGONO; r: RECTANGULO; c: CIRCULO; t:TRIANGULO; !!p; !!r; !!c; !!t; fig.put (p,1); fig.put (r,2); fig.put (c,3); fig.put (t,4); ... fig

Genericidad ¿Cómo escribir una clase que represente una estructura de datos y que sea posible almacenar objetos de cualquier tipo? Pila-Enteros Pila_Libros  Pila de ? Pila_Figuras …. Necesidad de reconciliar reutilización con el uso de un lenguaje tipado.

Herencia ColeccionEntero ColeccionTarea ListaEntero GrafoTarea ListaCircularEntero RedTarea

¿Cómo asociar a v un tipo pero sin hacer que class ListaEntero inherit ColeccionEntero feature numElements: Integer is do .. añadir (i: Integer, v:Integer) is do .. iesimo (i:Integer): Integer is do .. buscar (v:Integer): Boolean is do .. ... end ¿Cómo asociar a v un tipo pero sin hacer que la clase sea dependiente del tipo de objeto almacenado?

Genericidad Coleccion [G] Lista [G] ListaCircular [G]

miLista1: Lista [Integer] miLista2: Lista [Punto] class Lista [G] feature numElements. Integer is do .. añadir (i: Integer, v:G) is do .. iesimo (i:Integer): G is do .. buscar (v:G): Boolean is do .. ... end miLista1: Lista [Integer] miLista2: Lista [Punto]

Genericidad Posibilidad de parametrizar las clases; los parámetros son tipos de datos. Facilidad útil para las clases que representan estructuras de datos generales: TIPO BASE ES UN PARAMETRO class ARRAY [G], class PILA [G], class LISTA [G], ... Orientada a los creadores de clases