- 1.8. PROGRAMACIÓN ORIENTADA A OBJETOS (POO)
La idea fundamental de los lenguajes orientados a objetos es combinar en una única unidad o módulos, tanto los datos como las funciones que operan sobre esos datos. Tal unidad se llama objeto.
Las funciones de un objeto se llaman funciones miembro en C++ o métodos (este es el caso de SmallTalk, uno de los primeros lenguajes orientados a objetos) y son el único medio para ascender 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 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 están ocultos, de modo que están protegidos de alteraciones accidentales. Los datos y las funciones se dice que están encapsulados un 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 losa datos de un objeto, se conoce exactamente cuáles son las funciones que interactuan 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, normalmente, de un número de objetos que se comunican unos con otros mediante la llamada a otras funciones miembro. La organización de un programa en C++ se muestra en la Figura 1.5. La llamada a una función miembro de un objeto se denomina enviar un mensaje a otro objeto.
Figura 1.5. Organización típica de un programa orientado a objetos.
En el
paradigma orientado a objetos, el programa se organiza como un conjunto
finito de objetos que contiene datos y operaciones (funciones miembro en C++)
que llaman a esos datos y que se comunican entre sí mediante mensajes.
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- 1.8.1. Propiedades fundamentales de la orientación a objetos.
- Abstracción (tipos abstractos de datos y clases).
- Encapsulado o encapsulamiento de datos.
- Ocultación de datos.
- Herencia.
- Polimorfismo.
- 1.8.2. Abstracción
En consecuencia, la abstracción posee diversos grados de complejidad que se denominan niveles de abstracción que ayudan a estructurar la complejidad intrínseca que posee los sistemas del mundo real. En el modelado orientado a objetos de un sistema esto significa centrarse en qué es y qué hace un objeto y no en cómo debe implementarse. Durante el proceso de abstracción es cuando se decide que características y comportamiento debe de 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, denominadas herramientas abstractas, cuya composición interna se ignora.
Esto nos permite concentrarnos en cómo cada componente 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 composición interna de un objeto son también importantes. El primer concepto en el mundo de la orientación 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 operaciones). 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.
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EJEMPLO 1.7. 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 (gsaolina, gasoil, híbrido...)
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- 1.8.3. Encapsulamiento y ocultación de datos
El encapsulado o encapsulamiento de datos es el proceso de agrupar datos y operaciones relacionadas con la misma unidad de programación. En el caso de los objetos que poseen las mismas características y 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 encapsulamiento de datos (data encapsulation) se suelen utilizar como sinónimos, pero no siempre es así, a veces se utilizan en contextos diferentes. En C++ no es lo mismo, 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:
- Identificar los objetos del sistema.
- Agrupar en clases todo los objetos que tengan características y comportamientos comunes.
- Identificar los datos y operaciones de cada una de las clases.
- Identificar las relaciones que pueden existir entre las clases.
Una clase describe un conjunto de objetos. 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 información.
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, etcétera. Las definiciones de clase, 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 la clases.
El diseño de las clases fiables y útiles pueden ser una tarea difícil. Afortunadamente, los lenguajes POO facilitan la tarea ya que incorporan clases existentes en su propia programación. Los fabricantes de software proporcionan numerosas bibliotecas de clases, incluyendo bibliotecas de clases diseñadas para simplificar la creación de programas para entornos tales como Widows, Linux, Macintosh, Unix o Vista. Uno de los beneficios reales de C++ es que permite la reutilización y adaptación de códigos existentes y ya bien probados y depurados.
- 1.8.4. Objetos
Dependiendo del problema, diferentes aspectos de un dominio son relevantes. Un carro puede ser ensamblado por 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 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 descrito 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 términos 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.
- Recusos Humanos:
- Estudiantes.
- Clientes.
- Vendedores.
- Socios.
- Colecciones de datos:
- Listas.
- Pilas.
- Árboles.
- Árboles binarios.
- Grafos.
- Tipos de datos definidos por usuarios:
- Números complejos.
- Puntos del plano.
- Puntos del espacio.
- Ángulos.
- Lados.
- Elementos de computadoras:
- Ventanas.
- Objetos gráficos (rectángulos, círculos, rectas, puntos...).
- Ratón (mouse).
- Teclado.
- Impresora.
- USB.
- Targetas de memoria de cámaras fotográficas.
- Objetos físicos:
- Aviones.
- Trenes.
- Barcos.
- Motocicletas.
- Casas.
- Componentes de videojuegos:
- 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 implementación, un objeto es una entidad que posee un conjunto de datos y un conjunto de operaciones (funciones o métodos).
El estado de un objeto vienen 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 atributos 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 1.6.
Figura 1.6. Representación de objetos en UML (Lenguaje Unificado de Modelado)
- 1.8.5. Clases
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 definición, 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.
Figura 1.7. Representación de clases en UML.
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 métodos (Figura 1.8).
Figura 1.8. Representación de clases en UML con atributos y métodos.
- 1.8.6. Generalización y especialización: herencia
Por ejemplo, máquinas, lavadoras, frigoríficos, hornos de microondas, tostadoras, lavavajillas, etc., son todos los electrodomésticos (aparatos del hogar). En el mundo de la orientación a objetos, cada uno de estos aparatos es una subclase de la clase Electrodoméstico y a su vez Electrodoméstico es una superclase de todas las otras clases (máquinas, lavadoras, frigoríficos, hornos de microondas, tostadoras, lavavajillas,...).
El proceso inverso de la generalización por el cual se definen nuevas clases a partir de otras ya existentes se denomina especialización.
En orientación a objetos, el mecanismo que implementa la propiedad de generalización se denomina herencia. La herencia permite definir nuevas clases a partir de otras clases ya existentes, de modo que presentan 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 otras de modo jerárquico. Como ya se ha comentado anteriormente en las relaciones de generalización y especialización, en nuestras vidas diarias se utiliza el concepto de clases divididas en subclases. La clase animal se divide en Anfibios, Mamíferos, Insectos, Pájaros, etc., y la clase Vehículo en Carros, Motos, Camiones, Buses, etc.
El principio de la división o clasificación es que cada subclase comparte características comunes con la clase de a que procede o se deriva. Los carros, motos camiones y buses tienen ruedas, motores y carrocerías; son las características que definen a un vehículo. Además de las características comunes con los otros miembros de la clase, cada subclase tiene sus propias características. Por ejemplo, los camiones tienen una cabina independiente de la caja que transporta la carga; los buses tienen un gran número de asientos independientemente para los viajeros que ha de transportar, etc. En la Figura 1.9 se muestran clases pertenecientes 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 clase original se denomina clase base y las clases que se derivan de ella se denominan clases derivadas y siempre son una especialización o concreción de su clase base. A la inversa, la clase base es la generalización de la clase derivada. Esto significa que todas las propiedades (atributos y propiedades) de la clase base se heredan por la clase derivada, normalmente suplementada con propiedades adicionales.
- 1.8.7. Reusabilidad
En C++, el concepto de herencia proporciona una extensión o ampliación del concepto de reusabilidad. 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 nueva clase heredará las características de la clase antigua, pero es libre de añadir nuevas características propias.
La facilidad de reutilizar o usar el software existente es uno de los grandes beneficios de la POO: muchas empresas consiguen con la reutilización de clases en nuevos proyectos la reducción de los costes de inversión en sus presupuestos de programación. ¿en esencia cuáles son las ventajas de la herencia? Primero se utiliza para consistencia y reducir código, propiedades comunes de varias clases sólo necesitan ser implementadas una vez y sólo necesitan modificarse una vez y si es necesario. Tercero, el concepto de abstracción de la funcionalidad común está soportada.
- 1.8.8. Polimorfismo
La propiedad de polimorfismo es aquella en que una operación tiene el mismo nombre en diferentes clases, pero se ejecuta en 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 diferente 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 implementar el polimorfismo y variará dependiendo del lenguaje de programación. Veamos el concepto con ejemplos dela vida diaria.
En un taller de reparaciones de automóviles existen numerosos carros (coches), de marcas diferentes, de modelos diferentes, potencias diferentes, etc. Constituyen una clase o colección heterogénea 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, dependiendo 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 número enteros o número 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 imaginaría, 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 existente, tal como + o =, se le permite la posibilidad de operar sobre nuevos tipos de datos, se dice entonces que el operador está sobrecargado. la sobrecarga es un tipo de polimorfismo y una característica importante de la POO.
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EJEMPLO 1.8 Definir una jerarquía de clases para: animal, insecto, mamíferos, pájaros, persona hombre y mujer. Realizar una definición en pseudocódigo de las clases.
Las clases de objeto Mamífero, Pájaro e Insecto se definen como subclases de Animal; la clase del objeto Persona, como una subclase de Mamífero, y un Hombre y una Mujer son subclases de Persona.
Las definiciones de clases para esta jerarquía puede tomar la siguiente estructura:
clase Animal
atributos (propiedades)
string: tipo;
real: peso;
(...algun tipo de habitad...):habitad;
operaciones
crear () → criatura;
predatores (criatura) → fijar (criatura);
esperanza_vida (criatura) → entero;
...
fin criatura
clase Insecto hereda animal;
atributos (propiedades)
cadena: nombre;
operaciones
...
fin insecto
clase Mamifero hereda animal;
atributos (propiedades)
real: periodo_gestacion;
operaciones
...
fin Mamifero
clase Pajaro hereda animal;
atributos (propiedades)
cadena: nombre;
entero: alas;
operaciones
...
fin Pajaro
clase Persona hereda Mamifero,
atributos (propiedades)
string: apellido, nombre;
date: fecha_nacimiento;
pais: origen;
fin persona
clase Hombre hereda persona;
atributos (propiedades)
mujer: esposa;
...
operaciones
...
fin Hombre
clase Mujer hereda Persona;
propiedades
esposo: hombre;
string: nombre;
...
fin mujer
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