El lenguaje Java
- Objetos
- Clases
- Métodos
- Subclases
- Herencia simple
- Enlace dinámico
- Encapsulamiento
Estos conceptos no son simples, por lo que explicaremos su significado más adelante en el curso.
Por el momento, comenzaremos por mostrar el lado oscuro de los objetos:
Para programar orientado a objetos es necesario primero diseñar un conjunto de clases. La claridad, eficiencia y mantenibilidad del programa resultante dependerá principalmente de la calidad del diseño de clases. Un buen diseño de clases significará una gran economía en tiempo de desarrollo y mantención.Lamentablemente se necesita mucha habilidad y experiencia para lograr diseños de clases de calidad. Un mal diseño de clases puede llevar a programas OO de peor calidad y de más alto costo que el programa equivalente no OO.
Es válido entonces preguntarse: ¿Por qué programar en un lenguaje OO, si se requiere una experiencia que probablemente uno nunca tendrá el tiempo de práctica para llegar a dominarla?
La respuesta a esta pregunta es la siguiente: Java es un lenguaje multiparadigma (como muchos otros lenguajes de programación). Uno no necesita hacer un diseño de clases para programar una aplicación de mil líneas.
¿Entonces por qué no usar otro lenguaje más simple como Visual Basic, si no necesito orientación a objetos?
Porque la ventaja potencial más importante de un lenguaje OO está en las bibliotecas de clases que se pueden construir para él. Una biblioteca de clases cumple el mismo objetivo de una biblioteca de procedimientos en una lenguaje como C. Sin embargo:
Una biblioteca de clases es mucho más fácil de usar que una biblioteca de procedimientos, incluso para programadores sin experiencia en orientación a objetos. Esto se debe a que las clases ofrecen mecanismos de abstracción más eficaces que los procedimientos.
Más adelante quedará clara esta afirmación cuando examinemos ejemplos de bibliotecas de clases.
Por lo tanto podemos distinguir entre varios tipos de programadores en Java:
- El diseñador de clases: Es el encargado de definir qué clases ofrece una biblioteca y cuál es la funcionalidad que se espera de estas clases. Esta persona tiene que ser muy hábil y de mucha experiencia. Un diseño equivocado puede conducir a clases que son incomprensibles para los clientes de la biblioteca.
- El programador de clases de biblioteca: Sólo programa la clases especificadas por el diseñador de clases. Esta persona debe entender orientación a objetos, pero no requiere mayor experiencia en diseño de clases.
- El cliente de bibliotecas: Es el programador de aplicaciones. Él sólo usa las clases que otros han diseñado y programado. Como en el caso anterior necesita entender orientación a objetos y conocer la biblioteca que va usar, pero no necesita mayor experiencia.
Tanto programadores de clases como clientes de bibliotecas pueden llegar a convertirse en buenos diseñadores de clases en la medida que adquieran experiencia, comparando los diseños de las bibliotecas que utilicen.
Por lo tanto es importante destacar que no se necesita gran experiencia en diseño orientado a objetos para poder aprovechar las ventajas de la orientación a objetos.
La Simplicidad de Java
Java ha sido diseñado de modo de eliminar las complejidades de otros lenguajes como C y C++.
Si bien Java posee una sintaxis similar a C, con el objeto de facilitar la migración de C hacia a Java, Java es semánticamente muy distinto a C:
- Java no posee aritmética de punteros: La aritmética de punteros es el origen de muchos errores de programación que no se manifiestan durante la depuración y que una vez que el usuario los detecta son difíciles de resolver.
- No se necesita hacer delete: Determinar el momento en que se debe liberar el espacio ocupado por un objeto es un problema difícil de resolver correctamente. Esto también es el origen a errores difíciles de detectar y solucionar.
- No hay herencia múltiple: En C++ esta característica da origen a muchas situaciones de borde en donde es difícil predecir cuál será el resultado. Por esta razón en Java se opta por herencia simple que es mucho más simple de aprender y dominar.
Java posee bibliotecas de clases estándares
Toda implementación de Java debe tener las siguientes bibliotecas de clases:
- Manejo de archivos
- Comunicación de datos
- Acceso a la red internet
- Acceso a bases de datos
- Interfaces gráficas
Java es multiplataforma
Los programas en Java pueden ejecutarse en cualquiera de las siguientes plataformas, sin necesidad de hacer cambios:
- Windows/95 y /NT
- Power/Mac
- Unix (Solaris, Silicon Graphics, ...)
La compatibilidad es total:
- A nivel de fuentes: El lenguaje es exactamente el mismo en todas las plataformas.
- A nivel de bibliotecas: En todas las plataformas están presentes las mismas bibliotecas estándares.
- A nivel del código compilado: el código intermedio que genera el compilador es el mismo para todas las plataformas. Lo que cambia es el intérprete del código intermedio.
El Look-and-Feel
Lo único que varia de acuerdo a la plataforma es el look-and-feel. Un programa en Windows/95 tendrá el aspecto característico de esta plataforma (en cuanto a la forma de los botones, barras de deslizamiento, menúes, etc.). El mismo programa en Unix tendrá el aspecto característico de Motif. Y en Power/Mac se verá como un programa para Macintosh.
Sin embargo el código que escriben los programadores no tiene que tener presente las características de ninguna de estas plataformas. Es la implementación de la interfaz gráfica estándar de Java la que se encarga de desplegar las ventanas con el look-and-feel de la plataforma local.
C es poco robusto
Se dice que el lenguaje C es un lenguaje poco robusto porque a menudo un error de programación se traduce en un mensaje críptico del estilo segmentation fault. Este tipo de mensajes se origina en 4 errores clásicos:
- Se accesa un elemento de un arreglo con un índice fuera de rango.
Ejemplo: a[-3]=5;
- Se usa un puntero como si referenciara a una estructura de tipo A, cuando en realidad en esa área de memoria hay una estructura de tipo B, incompatible con A. En C esto ocurre debido al uso de casts.
Ejemplo: *(int*)pdistance
- Se usa un puntero a una estructura cuyo espacio ya se liberó. Luego volveremos a hablar de este punto.
Ejemplo: free(p); *p= 1;
- Al usar aritmética de punteros se comete un error.
Ejemplo: *(p+i*sizeof(*p))
Todos estos errores conducen a que tarde o temprano se use un puntero que direcciona un área de memoria no asignada por el sistema operativo. Esto es lo que detiene la ejecución con el mensaje segmentation fault.
Lo más desagradable de este tipo de errores es que es muy difícil determinar en qué línea del código está la verdadera fuente del error. Podría ser en cualquier parte del programa. Encontrar la línea puede llevar varios días y hasta semanas, incluso en el caso de programadores expertos.
Java sí es robusto
En Java no se pueden cometer los 4 errores mencionados:
- Java siempre chequea los índices al accesar un arreglo.
- Java realiza chequeo de tipos durante la compilación (al igual que C). En una asignación entre punteros el compilador verifica que los tipos sean compatibles.
Además, Java realiza chequeo de tipos durante la ejecución (cosa que C y C++ no hacen). Cuando un programa usa un cast para accesar un objeto como si fuese de un tipo específico, se verifica durante la ejecución que el objeto en cuestión sea compatible con el cast que se le aplica. Si el objeto no es compatible, entonces se levanta una excepción que informa al programador la línea exacta en donde está la fuente del error.
- Java posee un recolector de basuras que administra automáticamente la memoria. Es el recolector el que determina cuando se puede liberar el espacio ocupado por un objeto. El programador no puede liberar explícitamente el espacio ocupado por un objeto.
- Java no posee aritmética de punteros, porque es una propiedad que no se necesita para programar aplicaciones. En C sólo se necesita la aritmética de punteros para programa malloc/free o para programar el núcleo del sistema operativo.
Por lo tanto Java no es un lenguaje para hacer sistemas operativos o administradores de memoria, pero sí es un excelente lenguaje para programar aplicaciones.
Java es flexible
Pascal también es un lenguaje robusto, pero logra su robustez prohibiendo tener punteros a objetos de tipo desconocido. Lamentablemente esta prohibición es demasiado rígida. Aunque son pocos los casos en que se necesita tener punteros a objetos de tipo desconocido, las contorsiones que están obligados a realizar los programadores cuando necesitan estos punteros dan origen a programas ilegibles.
Lisp por su parte es un lenguaje flexible y robusto. Todas las variables son punteros a objetos de cualquier tipo (un arreglo, un elemento de lista, etc.). El tipo del objeto se encuentra almacenado en el mismo objeto. Durante la ejecución, en cada operación se chequea que el tipo del objeto manipulado sea del tipo apropiado. Esto da flexibilidad a los programadores sin sacrificar la robustez. Lamentablemente, esto hace que los programas en Lisp sean poco legibles debido a que al estudiar su código es difícil determinar cuál es el tipo del objeto que referencia una variable.
Java combina flexibilidad, robustez y legibilidad gracias a una mezcla de chequeo de tipos durante la compilación y durante la ejecución. En Java se pueden tener punteros a objetos de un tipo específico y también se pueden tener punteros a objetos de cualquier tipo. Estos punteros se pueden convertir a punteros de un tipo específico aplicando un cast, en cuyo caso se chequea en tiempo de ejecución de que el objeto sea de un tipo compatible.
El programador usa entonces punteros de tipo específico en la mayoría de los casos con el fin de ganar legibilidad y en unos pocos casos usa punteros a tipos desconocidos cuando necesita tener flexibilidad. Por lo tanto Java combina la robustez de Pascal con la flexibilidad de Lisp, sin que lo programas pierdan legibilidad en ningún caso.
Java administra automáticamente la memoria
En Java los programadores no necesitan preocuparse de liberar un trozo de memoria cuando ya no lo necesitan. Es el recolector de basuras el que determina cuando se puede liberar la memoria ocupada por un objeto.
Un recolector de basuras es un gran aporte a la productividad. Se ha estudiado en casos concretos que los programadores han dedicado un 40% del tiempo de desarrollo a determinar en qué momento se puede liberar un trozo de memoria.
Además este porcentaje de tiempo aumenta a medida que aumenta la complejidad del software en desarrollo. Es relativamente sencillo liberar correctamente la memoria en un programa de 1000 líneas. Sin embargo, es difícil hacerlo en un programa de 10000 líneas. Y se puede postular que es imposible liberar correctamente la memoria en un programa de 100000 líneas.
Para entender mejor esta afirmación, supongamos que hicimos un programa de 1000 líneas hace un par de meses y ahora necesitamos hacer algunas modificaciones. Ahora hemos olvidado gran parte de los detalles de la lógica de este programa y ya no es sencillo determinar si un puntero referencia un objeto que todavía existe, o si ya fue liberado. Peor aún, suponga que el programa fue hecho por otra persona y evalúe cuan probable es cometer errores de memoria al tratar de modificar ese programa.
Ahora volvamos al caso de un programa de 100000 líneas. Este tipo de programas los desarrolla un grupo de programadores que pueden tomar años en terminarlo. Cada programador desarrolla un módulo que eventualmente utiliza objetos de otros módulos desarrollados por otros programadores. ¿Quién libera la memoria de estos objetos? ¿Cómo se ponen de acuerdo los programadores sobre cuándo y quién libera un objeto compartido? ¿Como probar el programa completo ante las infinitas condiciones de borde que pueden existir en un programa de 100000 líneas?
Es inevitable que la fase de prueba dejará pasar errores en el manejo de memoria que sólo serán detectados más tarde por el usuario final. Probablemente se incorporán otros errores en la fase de mantención.
Se puede concluir:
- Todo programa de 100000 líneas que libera explícitamente la memoria tiene errores latentes.
- Sin un recolector de basuras no hay verdadera modularidad.
- Un recolector de basuras resuelve todos los problemas de manejo de memoria en forma trivial.
La pregunta es: ¿Cuál es el impacto de un recolector de basura en el desempeño de un programa?
El sobrecosto de la recolección de basuras no es superior al 100%. Es decir si se tiene un programa que libera explícitamente la memoria y que toma tiempo X, el mismo programa modificado de modo que utilice un recolector de basuras para liberar la memoria tomará un tiempo no superior a 2X.
Este sobrecosto no es importante si se considera el periódico incremento en la velocidad de los procesadores. El impacto que un recolector de basura en el tiempo de desarrollo y en la confiabilidad del software resultante es muchos más importante que la pérdida en eficiencia.
Resumen
Java es un lenguaje que ha sido diseñado para producir software:
- Confiable: Minimiza los errores que se escapan a la fase de prueba.
- Multiplataforma: Los mismos binarios funcionan correctamente en Windows/95 y /NT, Unix/Motif y Power/Mac.
- Seguro: Applets recuperados por medio de la red no pueden causar daño a los usuarios.
- Orientado a objetos: Beneficioso tanto para el proveedor de bibliotecas de clases como para el programador de aplicaciones.
- Robusto: Los errores se detectan en el momento de producirse, lo que facilita la depuración.
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