Programacion Orientada a Objetos

Historia de la Programación

Gottfried Wilheml von Leibniz (1646-1716), quien aprendió matemáticas de forma autodidacta (método no aconsejable en programación) construyó una máquina similar a la de Pascal, aunque algo más compleja, podía dividir, multiplicar y resolver raíces cuadradas.

Pero quien realmente influyó en el diseño de los primeros computadores fue Charles Babbage (1793-1871). 

Con la colaboración de la hija de Lord Byron, Lady Ada Countess of Lovelace (1815-1852), a la que debe su nombre el lenguaje ADA creado por el DoD (Departamento de defensa de Estados Unidos) en los años 70. Babbage diseñó y construyó la "máquina diferencial" para el cálculo de polinomios. Más tarde diseñó la "máquina analitica" de propósito general, capaz de resolver cualquier operación matemática. Murió sin poder terminarla, debido al escepticismo de sus patrocinadores y a que la tecnología de la época no era lo suficientemente avanzada. Un equipo del Museo de las Ciencias de Londres, en 1991, consiguió construir la máquina analítica de Babbage, totalmente funcional, siguiendo sus dibujos y especificaciones.

Un hito importante en la historia de la informática fueron las tarjetas perforadas como medio para "alimentar" los computadores. Lady Ada Lovelace propuso la utilización de las tarjetas perforadas en la máquina de Babbage. Para que se enteren todos esos machistas desaprensivos, el primer programador/a fue una mujer. En 1880 el censo en Estados Unidos tardó más de 7 años en realizarse. Es obvio que los datos no eran muy actualizados. Un asistente de la oficina del censo llamado Herman Hollerit (1860-1929) desarrolló un sistema para automatizar la pesada tarea del censo. Mediante tarjetas perforadas y un sistema de circuitos eléctricos, capaz de leer unas 60 tarjetas por minuto realizó el censo de 1890 en 3 años ahorrando tiempo y dinero. Más tarde fundó la Tabulating Machine Company y en 1924 tras alguna que otra fusión nació la Internacional Bussines Machines, IBM.

Las computadoras de hoy en día se sustentan en la lógica matemática basada en unsistema binario. Dicho sistema se implementa sobre dispositivos electrónicos que permiten, o no, pasar la corriente, con lo que se consiguen los 2 estados binarios: 0 y 1. A mediados del siglo XX, cuando se empezaron a construir las primeras computadoras digitales, se utilizaban tubos de vacío para implementar los 2 estados binarios, pero ¿ cómo aparecieron estos conceptos ? Alan Mathison Turing (1912-1954) diseñó una calculadora universal para resolver cualquier problema, la "máquina de Turing". Tuvo mucha influencia en el desarrollo de la lógica matemática. En 1937 hizo una de sus primeras contribuciones a la lógica matemática y en 1943 plasmó sus ideas en una computadora que utilizaba tubos de vacío. George Boole (1815-1864) también contribuyó al algebra binaria y a los sistemas de circuitos de computadora, de hecho, en su honor fue bautizada el álgebra booleana.

La primera computadora digital electrónica patentada fue obra de John Vincent Atanasoff (1903-1995). Conocedor de las inventos de Pascal y Babbage, y ayudado por Clifford Berry (1918-1963), construyó el Atanasoff Berry Computer (ABC). El ABC se desarrolló entre 1937 y 1942. Consistía en una calculadora electrónica que utilizaba tubos de vacío y estaba basada en el sistema binario (sistema numérico en el que se combinan los valores verdadero y falso, o 0 y 1).

Entre 1939 y 1944, Howard Aiken (1900-1973) de la universidad de Harvard en colaboración con IBM desarrolló el Mark 1. Era una computadora electromecánica de 16 metros de largo y más de dos de alto. Tenía 700.000 elementos móviles y varios centenares de kilómetros de cables. Podía realizar las cuatro operaciones básicas y trabajar con información almacenada en forma de tablas.

Por desgracia, los avances tecnológicos suelen producirse gracias a los militares que se aprovechan de la ciencia para perfeccionar sus armas. En la Moore School de la Universidad de Pensilvania se estaba trabajando en un proyecto militar para realizar unas tablas de tiro para armas balísticas. Los cálculos eran enormes y se tardaban semanas en realizarlos. Parece ser que John W. Mauchly (1907-1980), quien dirigía el departamento de física del Ursine College de Filadelfia vivió en casa de Atanasoff durante cuatro días a partir del 13 de Junio de 1941, lo que seguramente aprovechó para conocer las ideas de Atanasoff.

Junto a John Presper Eckert (1919-1995), Mauchly desarrolló una computadora electrónica completamente operacional a gran escala, para acelerar los complicados cálculos del proyecto militar de la universidad Moore. Se terminó en 1946 y se llamó Electronic Numerical Integrator And Computer (ENIAC). El ENIAC tenía 18.000 tubos electrónicos integrados en un volumen de 84 metros cúbicos. Pesaba unas 30 toneladas y consumía alrededor de 100.000 vatios. Su capacidad de cálculo era de 5.000 operaciones por segundo, aunque tenía que programarse manualmente conectándola a 3 tableros que contenían más de 6000 interruptores. Cargar un programa podía ser una tarea de varios días. El calor dispado por semejante monstruo debía ser importante, y se necesitaba una instalación de aire acondicionado. En definitiva, un ordenador portátil... más o menos.

Puede que no os suene, pero quien conozca de "los entresijos de la informática" seguro que considera importante nombrar a Johann Ludwig Von Neumann (1903-1957), genio de las matemáticas, quien tuvo el honor de asistir a las clases de Albert Einstein en la universidad de Berlín. Autor de trabajos de lógica simbólica, matemática pura y aplicada, física y tecnología, publicó un artículo acerca del almacenamiento de los programas, en 1945. Proponía que los programas se guardaran en memoria al igual que los datos, en forma binaria. Esto tuvo como consecuencia el aumento de velocidad de los cálculos y la ausencia de errores producidos por fallos mecánicos al programar la máquina mediante cables.

En cuanto a la aparición de los lenguajes de programación, el archiconocido COBOL, que tantos problemas causó con el "efecto 2000", fue el primer lenguaje en el que no había que programar directamente en código binario, y fue Grace Murray Hoper en 1952, una oficial de la Marina de Estados Unidos desarrolló el primer compilador, un programa que puede traducir enunciados parecidos al inglés en un código binario comprensible para la maquina llamado COBOL (COmmon Business-Oriented Languaje).

A partir de ahí, los avances han sido vertiginosos.

• La utilización del transistor en las computadoras en 1958, sustituyendo los tubos de vacío
• La aparición del circuito integrado de mano de Jack Kilby, también en 1958
• La miniaturización de un circuito electrónico en un chip de silicio en 1961
• El primer microprocesador, el 4004 de Intel, en 1971
• Gary Kildall crea el sistema operativo CP/M en 1973
• IBM comercializa el primer PC en 1980

Recordando a los primeros tiempos del ENIAC, con enormes computadores, en 1998 se terminó el proyecto Blue Pacific. La "maquinita" tiene la nada despreciable cantidad de 5856 procesadores que en conjunto tienen una velocidad de 3'9 teraflops, 2'6 Terabytes de memoria, ocupa 2400 metros cuadrados y tiene un peso de 47 toneladas. Se utiliza para la simulación de explosiones nucleares, y "ha salido" por unos 13000 millones de pesetas... baratito.

Tecnología orientada a Objetos

Hoy en día la tecnología orientada a objetos ya no se aplica solamente a los lenguajes de programación, además se viene aplicando en el análisis y diseño con mucho éxito, al igual que en las bases de datos. Es que para hacer una buena programación orientada a objetos hay que desarrollar todo el sistema aplicando esta tecnología, de ahí la importancia del análisis y el diseño orientado a objetos.

La programación orientada a objetos es una de las formas más populares de programar y viene teniendo gran acogida en el desarrollo de proyectos de software desde los últimos años. Esta acogida se debe a sus grandes capacidades y ventajas frente a las antiguas formas de programar.

Una Perspectiva Histórica

Tradicionalmente, la programación fue hecha en una manera secuencial o lineal, es decir una serie de pasos consecutivos con estructuras consecutivas y bifurcaciones.

Los lenguajes basados en esta forma de programación ofrecían ventajas al principio, pero el problema ocurre cuando los sistemas se vuelven complejos. Estos programas escritos al estilo “espaguetti” no ofrecen flexibilidad y el mantener una gran cantidad de líneas de código en sólo bloque se vuelve una tarea complicada.

Frente a esta dificultad aparecieron los lenguajes basados en la programación estructurada. La idea principal de esta forma de programación es separar las partes complejas del programa en módulos o segmentos que sean ejecutados conforme se requieran. De esta manera tenemos un diseño modular, compuesto por módulos independientes que puedan comunicarse entre sí. Poco a poco este estilo de programación fue reemplazando al estilo “espaguetti” impuesto por la programación lineal.

Entonces, vemos que la evolución que se fue dando en la programación se orientaba siempre a ir descomponiendo más el programa. Este tipo de descomposición conduce directamente a la programación orientada a objetos.

Pues la creciente tendencia de crear programas cada vez más grandes y complejos llevó a los desarrolladores a crear una nueva forma de programar que les permita crear sistemas de niveles empresariales y con reglas de negocios muy complejas. Para estas necesidades ya no bastaba la programación estructurada ni mucho menos la programación lineal. Es así como aparece la programación orientada a objetos (POO). 

La POO viene de la evolución de la programación estructurada; básicamente la POO simplifica la programación con la nueva filosofía y nuevos conceptos que tiene. La POO se basa en la dividir el programa en pequeñas unidades lógicas de código. A estas pequeñas unidades lógicas de código se les llama objetos. Losobjetos son unidades independientes que se comunican entre ellos mediante mensajes. Veamos con mayor detenimiento este tema.

¿Cuáles son las ventajas de un lenguaje orientado a objetos?

• Fomenta la reutilización y extensión del código.
• Permite crear sistemas más complejos.
• Relacionar el sistema al mundo real.
• Facilita la creación de programas visuales.
• Construcción de prototipos
• Agiliza el desarrollo de software
• Facilita el trabajo en equipo
• Facilita el mantenimiento del software

• Reusabilidad. Cuando hemos diseñado adecuadamente las clases, se pueden usar en distintas partes del programa y en numerosos proyectos.
• Mantenibilidad. Debido a la sencillez para abstraer el problema, los programas orientados a objetos son más sencillos de leer y comprender, pues nos permiten ocultar detalles de implementación dejando visibles sólo aquellos detalles más relevantes.
• Modificabilidad. La facilidad de añadir, suprimir o modificar nuevos objetos nos permite hacer modificaciones de una forma muy sencilla.
• Fiabilidad. Al dividir el problema en partes más pequeñas podemos probarlas de manera independiente y aislar mucho más fácilmente los posibles errores que puedan surgir.

La programación orientada a objetos presenta también algunas desventajas como pueden ser:

• Cambio en la forma de pensar de la programación tradicional a la orientada a objetos.
• La ejecución de programas orientados a objetos es más lenta.
• La necesidad de utilizar bibliotecas de clases obliga a su aprendizaje y entrenamiento.

Lo interesante de la POO es que proporciona conceptos y herramientas con las cuales se modela y representa el mundo real tan fielmente como sea posible.

El modelo Orientado a Objetos

Para entender este modelo vamos a revisar 4 conceptos básicos:

• objetos
• clases
• Herencia
• Envío de mensajes

Objetos

Entender que es un objeto es la clave para entender cualquier lenguaje orientado a objetos.

Existen muchas definiciones que se le ha dado al objeto. Primero empecemos entendiendo que es un objeto del mundo real. Un objeto del mundo real es cualquier cosa que vemos a nuestro alrededor. Digamos que para leer este artículo lo hacemos a través del monitor y una computadora, ambos son objetos, al igual que nuestro teléfono celular, un árbol o un automóvil.

Analicemos un poco más a un objeto del mundo real, como la computadora. No necesitamos ser expertos en hardware para saber que una computadora está compuesta internamente por varios componentes: la tarjeta madre, el chip del procesador, un disco duro, una tarjeta de vídeo, y otras partes más. El trabajo en conjunto de todos estos componentes hace operar a una computadora.

Internamente, cada uno de estos componentes puede ser sumamente complicado y puede ser fabricado por diversas compañías con diversos métodos de diseño. Pero nosotros no necesitamos saber cómo trabajan cada uno de estos componentes, como saber que hace cada uno de los chips de la tarjeta madre, o cómo funciona internamente el procesador. Cada componente es una unidad autónoma, y todo lo que necesitamos saber de adentro es cómo interactúan entre sí los componentes, saber por ejemplo si el procesador y las memorias son compatibles con la tarjeta madre, o conocer donde se coloca la tarjeta de vídeo. Cuando conocemos como interaccionan los componentes entre sí, podremos armar fácilmente una computadora.

¿Que tiene que ver esto con la programación? La programación orientada a objetos trabaja de esta manera. Todo el programa está construido en base a diferentes componentes (objetos), cada uno tiene un rol específico en el programa y todos los componentes pueden comunicarse entre ellos de formas predefinidas.

Todo objeto del mundo real tiene 2 componentes: características y comportamiento.

Por ejemplo, los automóviles tienen características (marca, modelo, color, velocidad máxima, etc.) y comportamiento (frenar, acelerar, retroceder, llenar combustible, cambiar llantas, etc.).

Los objetos de Software, al igual que los objetos del mundo real, también tienen características y comportamientos. Un objeto de software mantiene sus características en una o más "variables", e implementa su comportamiento con "métodos". Un método es una función o subrutina asociada a un objeto.

Para redondear estas ideas, imaginemos que tenemos estacionado en nuestra cochera un Ford Focus color azul que corre hasta 260 km/h. Si pasamos ese objeto del mundo real al mundo del software, tendremos un objeto Automóvil con sus características predeterminadas:

Marca = Ford
Modelo = Focus
Color = Azul
Velocidad Máxima = 260 km/h

Cuando a las características del objeto le ponemos valores decimos que el objeto tiene estados. Las variables almacenan los estados de un objeto en un determinado momento.

Definición teórica: Un objeto es una unidad de código compuesto de variables y métodos relacionados.

Clases

Una clase es una descripción de datos y operaciones que describen el comportamiento de cierto tipo de elementos. Por lo tanto, para que pueda haber objetos, antes debe haberse definido las clases a las que pertenecerán dichos objetos. No tiene sentido un objeto sin una clase, ya que el objeto tiene los atributos de la clase a la que pertenece, y recibe mensajes correspondientes a métodos de la clase a la que pertenece.

Una clase se divide en una parte pública y en una parte privada. El nombre de la clase debe ser único.

 Antes de continuar, recordar cómo era una librería (UNIT) en Pascal. Tiene una parte donde se declaran las cabeceras de los subprogramas (ineterface) que prodrán usarse desde los ficheros que usen la librería, y otra parte donde se implementan dichos subprogramas (implementation).

Parte pública

Describe a qué operaciones responden los objetos de una clase (cómo se comportan los objetos). En esta parte de la clase se declaran las cabeceras de los métodos de la clase que podrán ser "invocados" por los objetos. Es decir, si un método se declara en la parte pública, podrá ser "invocado" por un objeto de dicha clase, de lo contrario no podrá ser "invocado" por un objeto. Es la parte "visible" de la clase, la interfaz de la clase.

Parte privada

Describe los datos de la clase y cómo las operaciones manipulan dichos datos. Esta parte de la clase es donde se oculta (encapsula) la información de la clase: datos e implementación de métodos declarados o no en la parte pública de la clase. Es una parte "no visible", cada objeto de una determinada clase tiene sus atributos (datos) y sus métodos.

Herencia

La herencia es uno de los conceptos más cruciales en la POO. La herencia básicamente consiste en que una clase puede heredar sus variables y métodos a varias subclases (la clase que hereda es llamada superclase o clase padre). Esto significa que una subclase, aparte de los atributos y métodos propios, tiene incorporados los atributos y métodos heredados de la superclase. De esta manera se crea una jerarquía de herencia.

Por ejemplo, imaginemos que estamos haciendo el análisis de un Sistema para una tienda que vende y repara equipos celulares.

Envío de Mensajes

Un objeto es inútil si está aislado. El medio empleado para que un objeto interactúe con otro son los mensajes. Hablando en términos un poco más técnicos, los mensajes son invocaciones a los métodos de los objetos.

Características asociadas al POO

Abstracción

La abstracción consiste en captar las características esenciales de un objeto, así como su comportamiento. Por ejemplo, volvamos al ejemplo de los automóviles, ¿Qué características podemos abstraer de los automóviles? O lo que es lo mismo ¿Qué características semejantes tienen todos los automóviles? Todos tendrán una marca, un modelo, número de chasis, peso, llantas, puertas, ventanas, etc. Y en cuanto a su comportamiento todos los automóviles podrán acelerar, frenar, retroceder, etc.

En los lenguajes de programación orientada a objetos, el concepto de clase es la representación y el mecanismo por el cual se gestionan las abstracciones.

Por ejemplo, en Java tenemos:

public class Automovil {
// variables
// métodos
}

Encapsulamiento

El encapsulamiento consiste en unir en la clase las características y comportamientos, esto es, las variables y métodos. Es tener todo esto es una sola entidad. En los lenguajes estructurados esto era imposible. Es evidente que el encapsulamiento se logra gracias a la abstracción y el ocultamiento que veremos a continuación.

La utilidad del encapsulamiento va por la facilidad para manejar la complejidad, ya que tendremos a las clases como cajas negras donde sólo se conoce el comportamiento pero no los detalles internos, y esto es conveniente porque nos interesará será conocer qué hace la clase pero no será necesario saber cómo lo hace.

Ocultamiento

Es la capacidad de ocultar los detalles internos del comportamiento de una clase y exponer sólo los detalles que sean necesarios para el resto del sistema.

El ocultamiento permite 2 cosas: restringir y controlar el uso de la clase. Restringir porque habrá cierto comportamiento privado de la clase que no podrá ser accedido por otras clases. Y controlar porque daremos ciertos mecanismos para modificar el estado de nuestra clase y es en estos mecanismos dónde se validarán que algunas condiciones se cumplan. En Java el ocultamiento se logra usando las palabras reservadas: public, private y protected delante de las variables y métodos.

Lenguajes de Programación Orientado a Objetos

En 1985, E. Stroustrup extendió el lenguaje de programación C a C++, es decir C con conceptos de clases y objetos, también por esas fechas se creo desde sus bases el lenguaje EIFFEL. 

En 1995 apareció el más reciente lenguaje OO, Java desarrollado por SUN, que hereda conceptos de C++.

El lenguaje de desarrollo más extendido para aplicaciones Web, el PHP 5, trae todas las características necesarias para desarrollar software orientado a objetos. 

Además de otros lenguajes que fueron evolucionando, como el Pascal a Delphi

.

Finalmente también otros lenguajes script como el ActionScript que si bien no es totalmente orientado a objetos pero sí posee las características.

Análisis y diseño Orientado a objetos

Para el desarrollo de software orientado a objetos no basta usar un lenguaje orientado a objetos. También se necesitará realizar un análisis y diseño orientado aobjetos.

El modelamiento visual es la clave para realizar el análisis OO. Desde los inicios del desarrollo de software OO han existido diferentes metodologías para hacer esto del modelamiento, pero sin lugar a duda, el Lenguaje de Modelamiento Unificado (UML) puso fin a la guerra de metodologías.

Según los mismos diseñadores del lenguaje UML, éste tiene como fin modelar cualquier tipo de sistemas (no solamente de software) usando los conceptos de la orientación a objetos. Y además, este lenguaje debe ser entendible para los humanos y máquinas.

Actualmente en la industria del desarrollo de software tenemos al UML como un estándar para el modelamiento de sistemas OO. Fue la empresa Racional que creó estas definiciones y especificaciones del estándar UML, y lo abrió al mercado. La misma empresa creó uno de los programas más conocidos hoy en día para este fin; el Racional Rose, pero también existen otros programas como el Poseidon que trae licencias del tipo community edition que permiten su uso libremente.

El UML consta de todos los elementos y diagramas que permiten modelar los sistemas en base al paradigma orientado a objetos. Los modelos orientados a objetos cuando se construyen en forma correcta, son fáciles de comunicar, cambiar, expandir, validar y verificar. Este modelamiento en UML es flexible al cambio y permite crear componentes plenamente reutilizables.

Lenguajes orientados a objetos

Simula (1967) es aceptado como el primer lenguaje que posee las características principales de un lenguaje orientado a objetos. Fue creado para hacer programas de simulación, en donde los "objetos" son la representación de la información más importante. Smalltalk (1972 a 1980) es posiblemente el ejemplo canónico, y con el que gran parte de la teoría de la programación orientada a objetos se ha desarrollado.

Entre los lenguajes orientados a objetos se destacan los siguientes:

•  ABAP -> SAP Lenguaje orientado a eventos
• ABL Lenguaje de programación de OpenEdge de Progress Software
• ActionScript
• ActionScript 3
•  Ada
•  C++
• C#
• Clarion
•  Clipper1
• D
•  Object Pascal (Embarcadero Delphi)
• Gambas
• GObject
• Genie
• Harbour
• Eiffel
• Fortran 90/95
•  Java
• JavaScript2
•   Lexico3
•  Objective-C
•  Ocaml
•   Oz
• R
• Pauscal [En español]
•  Perl4
•  PHP5
•  PowerBuilder
• Python
• Ruby
• Self
•  Smalltalk6
• Magik (SmallWorld)
•  Vala
•  VB.NET
•  Visual FoxPro7
• Visual Basic 6.0
• Visual DataFle
•  Visual Objects
•  XBase++
•   Lenguaje DRP 
•  Scala8

Resumen

¿Por qué seguimos buscando nuevas técnicas de desarrollo? Por el aumento de la complejidad de los sistemas.

    

En un programa orientado a objetos tendremos a un conjunto de objetos colaborando entre ellos.

La orientación a objetos es paradigma de que está de moda para el desarrollo de software.

Un objeto es una abstracción conceptual del mundo real que se puede traducir a un lenguaje de programación orientado a objetos.

Un objeto del mundo real tiene características y comportamientos, y de la misma manera, un objeto del mundo del software tiene variables y métodos.

Una clase es una plantilla que define las variables y métodos a ser incluidas en un tipo de objeto específico.

Los objetos también son llamados instancias de la clase. Los objetos sólo almacenan su estado. 

Dice que un objeto tiene estado cuando tiene valores en sus variables.

Los objetos se comunican entre ellos usando los mensajes. Un mensaje es la invocación de un método del objeto.

La orientación a objetos requiere de una metodología que integre el proceso de desarrollo y un lenguaje de modelamiento con herramientas y técnicas adecuadas.