Pensar en C++ (Volumen 1)

Traducción (cuasi-terminada) del libro Thinking in C++, Volumen 1

Bruce Eckel

Mindview, Inc.

Copyright © 2000 Bruce Eckel

Historial de revisiones
Revisión $Revision$2010-04-03
Revisión 132001-09-27Bruce Eckel

Tabla de contenidos

Prólogo a la traducción
1. Licencia y normas de distribución
2. Tecnicismos
3. Código fuente
4. Producción
5. El equipo
6. Agradecimientos
7. Utilidades
Prefacio
1. Material nuevo en la segunda edición
2. Requisitos
3. Aprender C++
4. Objetivos
5. Capítulos
6. Ejercicios
7. Código fuente
8. Estándares del lenguaje
9. El CD-ROM del libro
10. CD-ROMs, seminarios, y consultoría
11. Errores
12. Sobre la portada
13. Diseño del libro y producción
14. Agradecimientos
1. Introducción a los Objetos
1.1. El progreso de abstracción
1.2. Cada objeto tiene una interfaz
1.3. La implementación oculta
1.4. Reutilizar la implementación
1.5. Herencia: reutilización de interfaces
1.6. Objetos intercambiables gracias al polimorfismo
1.7. Creación y destrucción de objetos
1.8. Gestión de excepciones: tratamiento de errores
1.9. Análisis y diseño
1.10. Programación Extrema
1.11. Porqué triunfa C++
1.12. Estrategias de transición
1.13. Resumen
2. Construir y usar objetos
2.1. El proceso de traducción del lenguaje
2.2. Herramientas para compilación modular
2.3. Su primer programa en C++
2.4. Más sobre iostreams
2.5. Introdución a las cadenas
2.6. Lectura y escritura de ficheros
2.7. Introducción a los vectores
2.8. Resumen
2.9. Ejercicios
3. C en C++
3.1. Creación de funciones
3.2. Control de flujo
3.3. Introducción a los operadores
3.4. Introducción a los tipos de datos
3.5. Alcance
3.6. Especificar la ubicación del espacio de almacenamiento
3.7. Los operadores y su uso
3.8. Creación de tipos compuestos
3.9. Consejos para depuración
3.10. Direcciones de función
3.11. Make: cómo hacer compilación separada
3.12. Resumen
3.13. Ejercicios
4. Abstracción de Datos
4.1. Una librería pequeña al estilo C
4.2. ¿Qué tiene de malo?
4.3. El objeto básico
4.4. ¿Qué es un objeto?
4.5. Tipos abstractos de datos
4.6. Detalles del objeto
4.7. Conveciones para los ficheros de cabecera
4.8. Estructuras anidadas
4.9. Resumen
4.10. Ejercicios
5. Ocultar la implementación
5.1. Establecer los límites
5.2. Control de acceso en C++
5.3. Amigos (friends)
5.4. Capa de objetos
5.5. La clase
5.6. Manejo de clases
5.7. Resumen
5.8. Ejercicios
6. Inicialización y limpieza
6.1. Inicialización garantizada por el constructor
6.2. Limpieza garantizada por el destructor
6.3. Eliminación del bloque de definiciones
6.4. Stash con constructores y destructores
6.5. Stack con constructores y destructores
6.6. Inicialización de tipos agregados
6.7. Constructores por defecto
6.8. Resumen
6.9. Ejercicios
7. Sobrecarga de funciones y argumentos por defecto
7.1. Más decoración de nombres
7.2. Ejemplo de sobrecarga
7.3. Uniones
7.4. Argumentos por defecto
7.5. Elección entre sobrecarga y argumentos por defecto
7.6. Resumen
7.7. Ejercicios
8. Constantes
8.1. Sustitución de valores
8.2. Punteros
8.3. Argumentos de funciones y valores de retorno
8.4. Clases
8.5. Volatile
8.6. Resumen
8.7. Ejercicios
9. Funciones inline
9.1. Los peligros del preprocesador
9.2. Funciones inline
9.3. Stash y Stack con inlines
9.4. Funciones inline y el compilador
9.5. Reducir el desorden
9.6. Más características del preprocesador
9.7. Comprobación de errores mejorada
9.8. Resumen
9.9. Ejercicios
10. Control de nombres
10.1. Los elementos estáticos de C
10.2. Espacios de nombres
10.3. Miembros estáticos en C++
10.4. Dependencia en la inicialización de variables estáticas
10.5. Especificaciones de enlazado alternativo
10.6. Resumen
10.7. Ejercicios
11. Las referencias y el constructor de copia
11.1. Punteros en C++
11.2. Referencias en C++
11.3. El constructor de copia
11.4. Punteros a miembros
11.5. Resumen
11.6. Ejercicios
12. Sobrecarga de operadores
12.1. Precaución y tranquilidad
12.2. Sintaxis
12.3. Operadores sobrecargables
12.4. Operadores no miembros
12.5. Sobrecargar la asignación
12.6. Conversión automática de tipos
12.7. Resumen
12.8. Ejercicios
13. Creación dinámica de objetos
13.1. Creación de objetos
13.2. Rediseño de los ejemplos anteriores
13.3. new y delete para vectores
13.4. Resumen
13.5. Ejercicios
14. Herencia y Composición
14.1. Sintaxis de la composición
14.2. Sintaxis de la herencia
14.3. Lista de inicializadores de un constructor
14.4. Ocultación de nombres
14.5. Funciones que no heredan automáticamente
14.6. Protected
14.7. Herencia y sobrecarga de operadores
14.8. Herencia múltiple
14.9. Desarrollo incremental
14.10. Upcasting
14.11. Resumen
14.12. Ejercicios
15. Polimorfismo y Funciones virtuales
15.1. Evolución de los programadores de C++
15.2. Upcasting
15.3. El problema
15.4. Funciones virtuales
15.5. Cómo implementa C++ la ligadura dinámica
15.6. ¿Por qué funciones virtuales?
15.7. Clases base abstractas y funciones virtuales puras
15.8. Herencia y la VTABLE
15.9. Sobrecargar y redefinir
15.10. funciones virtuales y constructores
15.11. Sobrecarga de operadores
15.12. Downcasting
15.13. Resumen
15.14. Ejercicios
16. Introducción a las Plantillas
16.1. Contenedores
16.2. Un vistazo a las plantillas
16.3. Sintaxis del Template
16.4. Stack y Stash como Plantillas
16.5. Activando y desactivando la propiedad
16.6. Manejando objetos por valor
16.7. Introducción a los iteradores
16.8. Por qué usar iteradores
16.9. Resumen
16.10. Ejercicios
A. Estilo de codificación
A.1. General
A.2. Nombres de fichero
A.3. Marcas comentadas de inicio y fin
A.4. Paréntesis, llaves e indentación
A.5. Nombres para identificadores
A.6. Orden de los #includes
A.7. Guardas de inclusión en ficheros de cabecera
A.8. Uso de los espacios de nombres
A.9. Utilización de require() y assure()
B. Directrices de Programación
C. Lecturas recomendadas
C.1. Sobre C
C.2. Sobre C++ en general
C.3. Los rincones oscuros
C.4. Sobre Análisis y Diseño

Lista de figuras

1.1. Clase Luz
1.2. Un coche tiene un motor
1.3. subclases
1.4. Jerarquía de Figura
1.5. Especialización de Figura
1.6. Reescritura de métodos
1.7. Relaciones
1.8. Polimorfismo
1.9. Upcasting
1.10. Diagramas de casos de uso
1.11. Un ejemplo de caso de uso
11.1. Llamada a una función
14.1. Upcasting
15.1. Funciones virtuales
15.2. Tabla de punteros virtuales
15.3. Clase abstracta
15.4. Una nueva función virtual
15.5. Object slicing
16.1. Contenedores
16.2. Herencia múltiple
16.3. Contenedor de objetos Figura

Lista de tablas

3.1. Expresiones que utilizan booleanos
3.2. Moldes explícitos de C++
3.3. Nuevas palabras reservadas para operadores booleanos
12.1. Directrices para elegir entre miembro y no-miembro

Índice de listados

2.1. C02/Declare.cpp
2.2. C02/Hello.cpp
2.3. C02/Stream2.cpp
2.4. C02/Concat.cpp
2.5. C02/Numconv.cpp
2.6. C02/CallHello.cpp
2.7. C02/HelloStrings.cpp
2.8. C02/Scopy.cpp
2.9. C02/FillString.cpp
2.10. C02/Fillvector.cpp
2.11. C02/GetWords.cpp
2.12. C02/Intvector.cpp
3.1. C03/Return.cpp
3.2. C03/Ifthen.cpp
3.3. C03/Guess.cpp
3.4. C03/Guess2.cpp
3.5. C03/Charlist.cpp
3.6. C03/Menu.cpp
3.7. C03/Menu2.cpp
3.8. C03/gotoKeyword.cpp
3.9. C03/CatsInHats.cpp
3.10. C03/AutoIncrement.cpp
3.11. C03/Basic.cpp
3.12. C03/Specify.cpp
3.13. C03/YourPets1.cpp
3.14. C03/YourPets2.cpp
3.15. C03/PassByValue.cpp
3.16. C03/PassAddress.cpp
3.17. C03/PassReference.cpp
3.18. C03/AllDefinitions.cpp
3.19. C03/VoidPointer.cpp
3.20. C03/CastFromVoidPointer.cpp
3.21. C03/Scope.cpp
3.22. C03/OnTheFly.cpp
3.23. C03/Global.cpp
3.24. C03/Global2.cpp
3.25. C03/Static.cpp
3.26. C03/FileStatic.cpp
3.27. C03/FileStatic2.cpp
3.28. C03/Forward.cpp
3.29. C03/Mathops.cpp
3.30. C03/Boolean.cpp
3.31. C03/printBinary.h
3.32. C03/printBinary.cpp
3.33. C03/Bitwise.cpp
3.34. C03/Rotation.cpp
3.35. C03/CommaOperator.cpp
3.36. C03/Pitfall.cpp
3.37. C03/SimpleCast.cpp
3.38. C03/FunctionCallCast.cpp
3.39. C03/static_cast.cpp
3.40. C03/const_cast.cpp
3.41. C03/reinterpret_cast.cpp
3.42. C03/sizeof.cpp
3.43. C03/sizeofOperator.cpp
3.44. C03/SimpleStruct.cpp
3.45. C03/SimpleStruct2.cpp
3.46. C03/SelfReferential.cpp
3.47. C03/SimpleStruct3.cpp
3.48. C03/Enum.cpp
3.49. C03/Union.cpp
3.50. C03/Arrays.cpp
3.51. C03/StructArray.cpp
3.52. C03/ArrayAddresses.cpp
3.53. C03/ArrayIdentifier.cpp
3.54. C03/PointersAndBrackets.cpp
3.55. C03/ArrayArguments.cpp
3.56. C03/CommandLineArgs.cpp
3.57. C03/ArgsToInts.cpp
3.58. C03/FloatingAsBinary.cpp
3.59. C03/PointerIncrement.cpp
3.60. C03/PointerIncrement2.cpp
3.61. C03/PointerArithmetic.cpp
3.62. C03/DynamicDebugFlags.cpp
3.63. C03/StringizingExpressions.cpp
3.64. C03/Assert.cpp
3.65. C03/PointerToFunction.cpp
3.66. C03/FunctionTable.cpp
4.1. C04/CLib.h
4.2. C04/CLib.cpp
4.3. C04/CLibTest.cpp
4.4. C04/CppLib.h
4.5. C04/CppLib.cpp
4.6. C04/CppLibTest.cpp
4.7. C04/Sizeof.cpp
4.8. C04/Simple.h
4.9. C04/Stack.h
4.10. C04/Stack.cpp
4.11. C04/StackTest.cpp
4.12. C04/Scoperes.cpp
5.1. C05/Public.cpp
5.2. C05/Private.cpp
5.3. C05/Friend.cpp
5.4. C05/NestFriend.cpp
5.5. C05/Class.cpp
5.6. C05/Stash.h
5.7. C05/Stack2.h
5.8. C05/Handle.h
5.9. C05/Handle.cpp
5.10. C05/UseHandle.cpp
6.1. C06/Constructor1.cpp
6.2. C06/DefineInitialize.cpp
6.3. C06/Nojump.cpp
6.4. C06/Stash2.h
6.5. C06/Stash2.cpp
6.6. C06/Stash2Test.cpp
6.7. C06/Stack3.h
6.8. C06/Stack3.cpp
6.9. C06/Stack3Test.cpp
6.10. C06/Multiarg.cpp
6.11. C06/AutoDefaultConstructor.cpp
7.1. C07/Def.cpp
7.2. C07/Use.cpp
7.3. C07/Stash3.h
7.4. C07/Stash3.cpp
7.5. C07/Stash3Test.cpp
7.6. C07/UnionClass.cpp
7.7. C07/SuperVar.cpp
7.8. C07/AnonymousUnion.cpp
7.9. C07/Mem.h
7.10. C07/Mem.cpp
7.11. C07/MemTest.cpp
7.12. C07/Mem2.h
8.1. C08/Safecons.cpp
8.2. C08/Constag.cpp
8.3. C08/ConstPointers.cpp
8.4. C08/PointerAssignment.cpp
8.5. C08/Constval.cpp
8.6. C08/ConstReturnValues.cpp
8.7. C08/ConstPointer.cpp
8.8. C08/ConstTemporary.cpp
8.9. C08/ConstInitialization.cpp
8.10. C08/BuiltInTypeConstructors.cpp
8.11. C08/EncapsulatingTypes.cpp
8.12. C08/StringStack.cpp
8.13. C08/EnumHack.cpp
8.14. C08/ConstMember.cpp
8.15. C08/Quoter.cpp
8.16. C08/Castaway.cpp
8.17. C08/Mutable.cpp
8.18. C08/Volatile.cpp
9.1. C09/MacroSideEffects.cpp
9.2. C09/Inline.cpp
9.3. C09/Access.cpp
9.4. C09/Rectangle.cpp
9.5. C09/Rectangle2.cpp
9.6. C09/Cpptime.h
9.7. C09/Cpptime.cpp
9.8. C09/Stash4.h
9.9. C09/Stash4.cpp
9.10. C09/Stash4Test.cpp
9.11. C09/Stack4.h
9.12. C09/Stack4Test.cpp
9.13. C09/EvaluationOrder.cpp
9.14. C09/Hidden.cpp
9.15. C09/Noinsitu.cpp
9.16. C09/ErrTest.cpp
10.1. C10/StaticVariablesInfunctions.cpp
10.2. C10/StaticObjectsInFunctions.cpp
10.3. C10/StaticDestructors.cpp
10.4. C10/LocalExtern.cpp
10.5. C10/MyLib.cpp
10.6. C10/Header1.h
10.7. C10/BobsSuperDuperLibrary.cpp
10.8. C10/FriendInjection.cpp
10.9. C10/ScopeResolution.cpp
10.10. C10/NamespaceInt.h
10.11. C10/NamespaceMath.h
10.12. C10/Arithmetic.cpp
10.13. C10/NamespaceOverriding1.cpp
10.14. C10/NamespaceOverriding2.h
10.15. C10/OverridingAmbiguity.cpp
10.16. C10/UsingDeclaration.h
10.17. C10/UsingDeclaration2.cpp
10.18. C10/Statinit.cpp
10.19. C10/StaticArray.cpp
10.20. C10/StaticObjectArrays.cpp
10.21. C10/Local.cpp
10.22. C10/SimpleStaticMemberFunction.cpp
10.23. C10/StaticMemberFunctions.cpp
10.24. C10/Singleton.cpp
10.25. C10/Out.cpp
10.26. C10/Oof.cpp
10.27. C10/Initializer.h
10.28. C10/InitializerDefs.cpp
10.29. C10/Initializer.cpp
10.30. C10/Initializer2.cpp
10.31. C10/Dependency1.h
10.32. C10/Dependency2.h
10.33. C10/Technique2.cpp
10.34. C10/Dependency1StatFun.h
10.35. C10/Dependency2StatFun.h
10.36. C10/Dependency1StatFun.cpp
10.37. C10/Dependency2StatFun.cpp
10.38. C10/Technique2b.cpp
11.1. C11/FreeStandingReferences.cpp
11.2. C11/Reference.cpp
11.3. C11/ConstReferenceArguments.cpp
11.4. C11/ReferenceToPointer.cpp
11.5. C11/PassingBigStructures.cpp
11.6. C11/HowMany.cpp
11.7. C11/HowMany2.cpp
11.8. C11/Linenum.cpp
11.9. C11/DefaultCopyConstructor.cpp
11.10. C11/NoCopyConstruction.cpp
11.11. C11/SimpleStructure.cpp
11.12. C11/PointerToMemberData.cpp
11.13. C11/PmemFunDefinition.cpp
11.14. C11/PointerToMemberFunction.cpp
11.15. C11/PointerToMemberFunction2.cpp
12.1. C12/OperatorOverloadingSyntax.cpp
12.2. C12/OverloadingUnaryOperators.cpp
12.3. C12/Integer.h
12.4. C12/Integer.cpp
12.5. C12/IntegerTest.cpp
12.6. C12/Byte.h
12.7. C12/ByteTest.cpp
12.8. C12/OverloadingOperatorComma.cpp
12.9. C12/SmartPointer.cpp
12.10. C12/NestedSmartPointer.cpp
12.11. C12/PointerToMemberOperator.cpp
12.12. C12/IostreamOperatorOverloading.cpp
12.13. C12/CopyingVsInitialization.cpp
12.14. C12/SimpleAssignment.cpp
12.15. C12/CopyingWithPointers.cpp
12.16. C12/ReferenceCounting.cpp
12.17. C12/AutomaticOperatorEquals.cpp
12.18. C12/AutomaticTypeConversion.cpp
12.19. C12/ExplicitKeyword.cpp
12.20. C12/OperatorOverloadingConversion.cpp
12.21. C12/ReflexivityInOverloading.cpp
12.22. C12/Strings1.cpp
12.23. C12/Strings2.cpp
12.24. C12/TypeConversionAmbiguity.cpp
12.25. C12/TypeConversionFanout.cpp
12.26. C12/CopyingVsInitialization2.cpp
13.1. C13/MallocClass.cpp
13.2. C13/Tree.h
13.3. C13/BadVoidPointerDeletion.cpp
13.4. C13/PStash.h
13.5. C13/PStash.cpp
13.6. C13/PStashTest.cpp
13.7. C13/NewHandler.cpp
13.8. C13/GlobalOperatorNew.cpp
13.9. C13/Framis.cpp
13.10. C13/ArrayOperatorNew.cpp
13.11. C13/NoMemory.cpp
13.12. C13/PlacementOperatorNew.cpp
14.1. C14/Useful.h
14.2. C14/Composition.cpp
14.3. C14/Composition2.cpp
14.4. C14/Inheritance.cpp
14.5. C14/PseudoConstructor.cpp
14.6. C14/Combined.cpp
14.7. C14/Order.cpp
14.8. C14/NameHiding.cpp
14.9. C14/InheritStack.cpp
14.10. C14/SynthesizedFunctions.cpp
14.11. C14/Car.cpp
14.12. C14/FName1.cpp
14.13. C14/FName2.cpp
14.14. C14/PrivateInheritance.cpp
14.15. C14/Protected.cpp
14.16. C14/OperatorInheritance.cpp
14.17. C14/Instrument.cpp
14.18. C14/CopyConstructor.cpp
14.19. C14/InheritStack2.cpp
15.1. C15/Instrument2.cpp
15.2. C15/Instrument3.cpp
15.3. C15/Instrument4.cpp
15.4. C15/Sizes.cpp
15.5. C15/Early.cpp
15.6. C15/Instrument5.cpp
15.7. C15/PureVirtualDefinitions.cpp
15.8. C15/AddingVirtuals.cpp
15.9. C15/ObjectSlicing.cpp
15.10. C15/NameHiding2.cpp
15.11. C15/VariantReturn.cpp
15.12. C15/VirtualDestructors.cpp
15.13. C15/UnAbstract.cpp
15.14. C15/PureVirtualDestructors.cpp
15.15. C15/VirtualsInDestructors.cpp
15.16. C15/OStack.h
15.17. C15/OStackTest.cpp
15.18. C15/OperatorPolymorphism.cpp
15.19. C15/DynamicCast.cpp
15.20. C15/StaticHierarchyNavigation.cpp
16.1. C16/IntStack.cpp
16.2. C16/fibonacci.h
16.3. C16/fibonacci.cpp
16.4. C16/Array.cpp
16.5. C16/Array2.cpp
16.6. C16/StackTemplate.h
16.7. C16/StackTemplateTest.cpp
16.8. C16/Array3.cpp
16.9. C16/TStack.h
16.10. C16/TStackTest.cpp
16.11. C16/TPStash.h
16.12. C16/AutoCounter.h
16.13. C16/AutoCounter.cpp
16.14. C16/TPStashTest.cpp
16.15. C16/OwnerStack.h
16.16. C16/OwnerStackTest.cpp
16.17. C16/ValueStack.h
16.18. C16/SelfCounter.h
16.19. C16/SelfCounter.cpp
16.20. C16/ValueStackTest.cpp
16.21. C16/IterIntStack.cpp
16.22. C16/NestedIterator.cpp
16.23. C16/IterStackTemplate.h
16.24. C16/IterStackTemplateTest.cpp
16.25. C16/TStack2.h
16.26. C16/TStack2Test.cpp
16.27. C16/TPStash2.h
16.28. C16/TPStash2Test.cpp
16.29. C16/Shape.h
16.30. C16/Drawing.cpp

Prólogo a la traducción

Tabla de contenidos

1. Licencia y normas de distribución
2. Tecnicismos
3. Código fuente
4. Producción
5. El equipo
6. Agradecimientos
7. Utilidades

Este trabajo de traducción ha sido realizado íntegramente por voluntarios. Le agradecemos que nos comunique cualquier error de traducción o transcripción en el texto. También será bienvenido si desea colaborar más activamente en la traducción. Ayúdenos a hacer de esta traducción un trabajo de calidad.

Si desea saber más sobre este proyecto, obtener el segundo volumen, colaborar enviando informes de fallos, traduciendo o revisando, etc. visite la página web[1] o nuestro grupo Google[2].

El trabajo de traducción de este volumen prácticamente ha terminado, pero es posible que todavía queden muchos errores debido a que la revisión es trabajosa y contamos con pocos voluntarios. Le agradecemos su colaboración para corregir posibles erratas o fallos de cualquier tipo. En todo caso, el libro está completo y es perfectamente útil en su estado actual.

Este prólogo no forma parte del libro original y ha sido incluido como reseña y referencia de los trabajos de traducción que se han llevado a cabo. Este capítulo no lo daré por terminado hasta que concluya el proceso de traducción y revisión de este volumen al menos. La traducción del Volumen 2 ya está en marcha.

1. Licencia y normas de distribución

El equipo de traducción ha seguido al pié de la letra las directrices marcadas por Bruce Eckel, autor de Thinking in C++ (el libro original), para la realización de traducciones y distribución de éstas. Si utiliza o distribuye este texto debe cumplirlas y advertir de su existencia a los posibles lectores. El equipo de traducción elude toda responsabilidad por la violación (por parte de terceros) de las citadas directrices[3]. Se incluyen a continuación respetando el idioma original para evitar eventuales interpretaciones incorrectas:

In my contract with the publisher, I maintain all electronic publishing rights to the book, including translation into foreign languages. This means that the publisher still handles negotiations for translations that are printed (and I have nothing directly to do with that) but I may grant translation rights for electronic versions of the book.

I have been granting such rights for «open-source» style translation projects. (Note that I still maintain the copyright on my material.) That is:

  • You must provide a web site or other medium whereby people may participate in the project (two easy possibilities are http://www.egroups.com or http://www.topica.com).

  • You must maintain a downloadable version of the partially or fully translated version of the book.

  • Someone must be responsible for the organization of the translation (I cannot be actively involved - I don't have the time).

  • There should only be one language translation project for each book. We don't have the resources for a fork.

  • As in an open-source project, there must be a way to pass responsibility to someone else if the first person becomes too busy.

  • The book must be freely distributable.

  • The book may be mirrored on other sites.

  • Names of the translators should be included in the translated book.

2. Tecnicismos

Se han traducido la mayor parte de los términos específicos tanto de orientación a objetos como de programación en general. Para evitar confusiones o ambigüedades a los lectores que manejen literatura en inglés hemos incluido entre paréntesis el término original la primera vez que aparece traducido.

Para traducir tecnicismos especialmente complicados hemos utilizado como referencia la segunda edición de El lenguaje de Programación C++ (en castellano) así como la Wikipedia.

En contadas ocasiones se ha mantenido el término original en inglés. En beneficio de la legibilidad, hemos preferido no hacer traducciones demasiado forzadas ni utilizar expresiones que pudieran resultar desconocidas en el argot o en los libros especializados disponibles en castellano. Nuestro propósito es tener un libro que pueda ser comprendido por hispano-hablantes. Es a todas luces imposible realizar una traducción rigurosa acorde con las normas lingüísticas de la RAE, puesto que, en algunos casos, el autor incluso utiliza palabras de su propia invención.

3. Código fuente

Por hacer

4. Producción

Todo el proceso de traducción, edición, formato y tipografía ha sido realizado íntegramente con software libre. Todo el software utilizado está disponible en la distribución Debian GNU/Linux, que es la que se ha utilizado principalmente para la actualización y mantenimiento de los documentos obtenidos como resultado.

El texto ha sido escrito en el lenguaje de marcado DocBook versión 4.5 en su variante XML. Cada capítulo está contenido en un fichero independiente y todos ellos se incluyen en un fichero «maestro» utilizando XInclude.

Debido a que muchos procesadores de DocBook no soportan adecuadamente la característica XInclude, se usa la herramienta xsltproc[4] para generar un único fichero XML que contiene el texto de todo el libro, y es ese fichero resultante el que se procesa.

4.1. Código fuente

También se utiliza XInclude para añadir en su lugar el contenido de los ficheros de código fuente escritos en C++. De ese modo, el texto de los listados que aparecen en el libro es idéntico a los ficheros C++ que distribuye el autor. De ese modo, la edición es mucha más limpia y sobretodo se evitan posibles errores de transcripción de los listados.

Utilizando un pequeño programa escrito en lenguaje Python[5], se substituyen los nombres etiquetados de los ficheros por la sentencia XInclude correspondiente: 

//: V1C02:Hello.cpp

pasa a ser: 

<example>
  <title>C02/Hello.cpp</title>
  <programlisting language="C++">
    <xi:include parse="text" href="./code_v1/C02/Hello.cpp"/>
  </programlisting>
</example>

Una ver realizada esta substitución, se utiliza de nuevo xsltproc para montar tanto el texto como los listados en un único fichero XML.

4.2. Convenciones tipográficas

  • Palabras reservadas: struct

  • Código fuente: printf("Hello world");

  • Nombres de ficheros: fichero.cpp

  • Aplicación o fichero binario: make

  • Entrecomillado: «upcasting»

4.3. Esquemas y diagramas

Los dibujos y diagramas originales se han rehecho en formato .svg usando la herramienta inkscape[6]. A partir del fichero fuente .svg se generan versiones en formato .png para la versión HTML y .pdf para la versión PDF.

4.4. Generación de productos

A partir del documento completo en formato DocBook se generan dos resultados distintos;

HTML en una sola página

Una página web XHTML. Para ello se utiliza también la herramienta xsltproc aplicando hojas de estilo XSLT que pueden encontrarse en el repositorio de fuentes del proyecto. Estas plantillas son modificaciones de las del proyecto de documentación del programa «The Gimp», que tienen licencia GPL.

Para el coloreado de los listados de código fuente se ha utilizado el programa highlight. Para ello, un pequeño programa Python marca los listados para su extracción, a continuación se colorean y por último se vuelven a insertar en la página HTML.

HTML (una página por sección)

Un conjunto de páginas XHTML. Automáticamente se generan enlaces para navegar por el documento y tablas de contenidos.

PDF

Un documento en formato PDF utilizando la aplicación dblatex[7]. Ha sido necesario crear una hoja de estilo específicamente para manipular el formato de página, títulos e índices. Para el resalte de sintaxis de los listados se ha utilizado el paquete LaTeX listings.

5. El equipo

Las siguientes personas han colaborado en mayor o menor medida en algún momento desde el comienzo del proyecto de traducción de Pensar en C++:

6. Agradecimientos

Por hacer: LuCAS, spanglish@uma.es, docbook-ayuda@es.tldp.org

7. Utilidades

Validación HTML/CSS. 


[1] http://arco.esi.uclm.es/~david.villa/pensarC++.html

[2] http://groups.google.com/group/pensar-en-cpp

[3] El texto original de estas directrices está accesible en la página web del autor.

[4] http://xmlsoft.org/XSLT/xsltproc2.html

[5] ./utils/fix_includes.py

[6] http://inkscape.org/

[7] http://dblatex.sourceforge.net/

Prefacio

Tabla de contenidos

1. Material nuevo en la segunda edición
2. Requisitos
3. Aprender C++
4. Objetivos
5. Capítulos
6. Ejercicios
7. Código fuente
8. Estándares del lenguaje
9. El CD-ROM del libro
10. CD-ROMs, seminarios, y consultoría
11. Errores
12. Sobre la portada
13. Diseño del libro y producción
14. Agradecimientos

Como cualquier lenguaje humano, C++ proporciona métodos para expresar conceptos. Si se utiliza de forma correcta, este medio de expresión será significativamente más sencillo y flexible que otras alternativas cuando los problemas aumentan en tamaño y complejidad.

No se puede ver C++ sólo como un conjunto de características, ya que algunas de esas características no tienen sentido por separado. Sólo se puede utilizar la suma de las partes si se está pensando en el diseño, no sólo en el código. Y para entender C++ de esta forma, se deben comprender los problemas existentes con C y con la programación en general. Este libro trata los problemas de programación, porque son problemas, y el enfoque que tiene C++ para solucionarlos. Además, el conjunto de características que explico en cada capítulo se basará en la forma en que yo veo un tipo de problema en particular y cómo resolverlo con el lenguaje. De esta forma espero llevar al lector, poco a poco, de entender C al punto en el que C++ se convierta en su propia lengua.

Durante todo el libro, mi actitud será pensar que el lector desea construir en su cabeza un modelo que le permita comprender el lenguaje bajando hasta sus raíces; si se tropieza con un rompecabezas, será capaz de compararlo con su modelo mental y deducir la respuesta. Trataré de comunicarle las percepciones que han reorientado mi cerebro para «Pensar en C++».

1. Material nuevo en la segunda edición

Este libro es una minuciosa reescritura de la primera edición para reflejar todos los cambios que han aparecido en C++ tras la finalización del estándar que lo rige, y también para reflejar lo que he aprendido desde que escribí la primera edición. He examinado y reescrito el texto completo, en ocasiones quitando viejos ejemplos, a veces cambiándolos, y también añadiendo muchos ejercicios nuevos. La reorganización y reordenación del material tuvo lugar para reflejar la disponibilidad de mejores herramientas, así como mi mejor comprensión de cómo la gente aprende C++. He añadido un nuevo capítulo, como introducción al resto del libro, una introducción rápida a los conceptos de C y a las características básicas de C++ para aquellos que no tienen experiencia en C. El CD-ROM incluido al final del libro en la edición en papel contiene un seminario: una introducción aún más ligera a los conceptos de C necesarios para comprender C++ (o Java). Chuck Allison lo escribió para mi empresa (MindView, Inc.), y se llama «Pensar en C: conceptos básicos de Java y C++». Presenta los aspectos de C que necesita conocer para poder cambiar a C++ o Java, abandonando los desagradables bits de bajo nivel con los que los programadores de C tratan a diario, pero que lenguajes como C++ y Java mantienen lejos (o incluso eliminan, en el caso de Java).

Así que la respuesta corta a la pregunta «¿Qué es diferente en la segunda edición?» sería que aquello que no es completamente nuevo se ha reescrito, a veces hasta el punto en el que no podría reconocer los ejemplos y el material original de la primera edición.

1.1. ¿Qué contiene el volumen 2 de este libro?

Con la conclusión del estándar de C++ también se añadieron algunas importantes bibliotecas nuevas, tales como string y los contenedores, y algoritmos de la Librería Estándar C++, y también se ha añadido complejidad a las plantillas. Éstos y otros temas más avanzados se han relegado al volumen 2 de este libro, incluyendo asuntos como la herencia múltiple, el manejo de excepciones, patrones de diseño, y material sobre la creación y depuración de sistemas estables.

1.2. Cómo obtener el volumen 2

Del mismo modo que el libro que lee en estos momentos, Pensar en C++, Volumen 2 se puede descargar desde mi sitio web www.BruceEckel.com. Puede encontrar información en el sitio web sobre la fecha prevista para la impresión del Volumen 2.

El sitio web también contiene el código fuente de los listados para ambos libros, junto con actualizaciones e información sobre otros seminarios en CD-ROM que ofrece MidView Inc., seminarios públicos y formación interna, consultas, soporte y asistentes paso a paso.

2. Requisitos

En la primera edición de este libro, decidí suponer que otra persona ya le había enseñado C y que el lector tenía, al menos, un nivel aceptable de lectura del mismo. Mi primera intención fue hablar de lo que me resultó difícil: el lenguaje C++. En esta edición he añadido un capítulo como introducción rápida a C, acompañada del seminario en-CD Thinking in C, pero sigo asumiendo que el lector tiene algún tipo de experiencia en programación. Además, del mismo modo que se aprenden muchas palabras nuevas intuitivamente, viéndolas en el contexto de una novela, es posible aprender mucho sobre C por el contexto en el que se utiliza en el resto del libro.

3. Aprender C++

Yo me adentré en C++ exactamente desde la misma posición en la que espero que se encuentren muchos de los lectores de este libro: como un programador con una actitud muy sensata y con muchos vicios de programación. Peor aún, mi experiencia era sobre porgramación de sistemas empotrados a nivel hardware, en la que a veces se considera a C como un lenguaje de alto nivel y excesivamente ineficiente para ahorrar bits. Descubrí más tarde que nunca había sido un buen programador en C, camuflando así mi ignorancia sobre estructuras, malloc() y free(), setjmp() y longjmp(), y otros conceptos sofisticados, y muriéndome de vergüenza cuando estos términos entraban en una conversación, en lugar de investigar su utilidad.

Cuando comencé mi lucha por aprender C++, el único libro decente era la auto-proclamada Guía de expertos de Bjarne Stroustrup [8] así que simplifiqué los conceptos básicos por mí mismo. Esto se acabó convirtiendo en mi primer libro de C++ [9] , que es esencialmente un reflejo de mi experiencia. Fue descrita como una guía de lectura para atraer a los programadores a C y C++ al mismo tiempo. Ambas ediciones [10] del libro consiguieron una respuesta entusiasta.

Más o menos al mismo tiempo que aparecía Using C++, comencé a enseñar el lenguaje en seminarios y presentaciones. Enseñar C++ (y más tarde, Java) se convirtió en mi profesión; llevo viendo cabezas asintiendo, caras pálidas, y expresiones de perplejidad en audiencias por todo el mundo desde 1989. Cuando comencé a dar formación interna a grupos más pequeños, descubrí algo durante los ejercicios. Incluso aquella gente que estaba sonriendo y asintiendo se encontraba equivocada en muchos aspectos. Creando y dirigiendo las pruebas de C++ y Java durante muchos años en la Conferencia de Desarrollo de Software, descubrí que tanto otros oradores como yo tendíamos a tocar demasiados temas, y todo demasiado rápido. Así que, de vez en cuando, a pesar de la variedad del nivel de la audiencia e independientemente de la forma en que se presentara el material, terminaría perdiendo alguna parte de mi público. Quizá sea pedir demasiado, pero como soy una de esas personas que se resisten a una conferencia tradicional (y para la mayoría de las personas, creo, esta resistencia está causada por el aburrimiento), quise intentar mantener a cada uno a su velocidad.

Durante un tiempo, estuve haciendo presentaciones en orden secuencial. De ese modo, terminé por aprender experimentando e iterando (una técnica que también funciona bien en el diseño de programas en C++). Al final, desarrollé un curso usando todo lo que había aprendido de mi experiencia en la enseñanza. Así, el aprendizaje se realiza en pequeños pasos, fáciles de digerir, y de cara a un seminario práctico (la situación ideal para el aprendizaje) hay ejercicios al final de cada presentación. Puede encontrar mis seminarios públicos en www.BruceEckel.com, y también puede aprender de los seminarios que he pasado a CD-ROM.

La primera edición de este libro se gestó a lo largo de dos años, y el material de este libro se ha usado de muchas formas y en muchos seminarios diferentes. Las reacciones que he percibido de cada seminario me han ayudado a cambiar y reorientar el material hasta que he comprobado que funciona bien como un medio de enseñanza. Pero no es sólo un manual para dar seminarios; he tratado de recopilar tanta información como he podido en estas páginas, intentando estructurarlas para atraer al lector hasta la siguiente materia. Más que nada, el libro está diseñado para servir al lector solitario que lucha con un lenguaje de programación nuevo.

4. Objetivos

Mis objetivos en este libro son:

  1. Presentar el material paso a paso, de manera que el lector pueda digerir cada concepto fácilmente antes de continuar.

  2. Usar ejemplos tan simples y cortos como sea posible. Esto a veces me impide manejar problemas del mundo real, pero he descubierto que los principiantes normalmente quedan más contentos cuando pueden comprender cada detalle de un ejemplo que siendo impresionados por el ámbito del problema que soluciona. Además, hay un límite en la cantidad de código que se puede asimilar en una clase. Por ello, a veces recibo críticas por usar ejemplos de juguete, pero tengo la buena voluntad de aceptarlas en favor de producir algo pedagógicamente útil.

  3. La cuidadosa presentación secuencial de capacidades para que no se vea algo que no ha sido explicado. De acuerdo, esto no siempre es posible; en esos casos, se ofrece una breve descripción introductoria.

  4. Indicarle lo que creo que es importante para que se comprenda el lenguaje, más que todo lo que sé. Creo que hay una "jerarquía de la importancia de la información", y hay algunos hechos que el 95 por ciento de los programadores nunca necesitará saber y que sólo podrían confundirles y afianzar su percepción de la complejidad del lenguaje. Tomando un ejemplo de C, si memoriza la tabla de precedencia de los operadores (yo nunca lo hice), puede escribir código más corto. Pero si lo piensa, esto confundirá al lector/mantenedor de ese código. Así que olvide la precedencia, y utilice paréntesis cuando las cosas no estén claras. Esta misma actitud la utilizaré con alguna otra información del lenguaje C++, que creo que es más importante para escritores de compiladores que para programadores.

  5. Mantener cada sección suficientemente enfocada como para que el tiempo de lectura -y el tiempo entre bloques de ejercicios- sea razonable. Eso mantiene las mentes de la audiencia más activas e involucradas durante un seminario práctico, y además le da al lector una mayor sensación de avance.

  6. Ofrecer a los lectores una base sólida de manera que puedan comprender las cuestiones lo suficientemente bien como para pasar a otros cursos y libros más difíciles (en concreto, el Volumen 2 de este libro).

  7. He tratado de no utilizar ninguna versión de C++ de ningún proveedor en particular porque, para aprender el lenguaje, no creo que los detalles de una implementación concreta sean tan importantes como el lenguaje mismo. La documentación sobre las especificaciones de implementación propia de cada proveedor suele ser adecuada.

5. Capítulos

C++ es un lenguaje en el que se construyen características nuevas y diferentes sobre una sintaxis existente (por esta razón, nos referiremos a él como un lenguaje de programación orientado a objetos híbrido). Como mucha gente pasa por una curva de aprendizaje, hemos comenzado por adaptarnos a la forma en que los programadores pasan por las etapas de las cualidades del lenguaje C++. Como parece que la progresión natural es la de una mente entrenada de forma procedural, he decidido comprender y seguir el mismo camino y acelerar el proceso proponiendo y resolviendo las preguntas que se me ocurrieron cuando yo aprendía el lenguaje y también las que se les ocurrieron a la gente a la que lo enseñaba.

El curso fue diseñado con algo en mente: hacer más eficiente el proceso de aprender C++. La reacción de la audiencia me ayudó a comprender qué partes eran difíciles y necesitaban una aclaración extra. En las áreas en las que me volvía ambicioso e incluía demasiadas cosas de una vez, me dí cuenta -mediante la presentación de material- de que si incluyes demasiadas características, tendrás que explicarlas todas, y es fácil que la confusión de los estudiantes se agrave. Como resultado, he tenido muchos problemas para introducir las características tan lentamente como ha sido posible; idealmente, sólo un concepto importante a la vez por capítulo.

Así pues, el objetivo en cada capítulo es enseñar un concepto simple, o un pequeño grupo de conceptos asociados, en caso de que no haya más conceptos adicionales. De esa forma puede digerir cada parte en el contexto de su conocimiento actual antes de continuar. Para llevarlo a cabo, dejé algunas partes de C para más adelante de lo que me hubiese gustado. La ventaja es que se evita la confusión al no ver todas las características de C++ antes de que éstas sean explicadas, así su introducción al lenguaje será tranquila y reflejará la forma en que asimile las características que dejo en sus manos.

He aquí una breve descripción de los capítulos que contiene este libro:

Capítulo 1: Introducción a los objetos.  Cuando los proyectos se vuelven demasiado grandes y difíciles de mantener, nace la «crisis del software», que es cuando los programadores dicen: «¡No podemos terminar los proyectos, y cuando podemos, son demasiado caros!». Eso provocó gran cantidad de reacciones, que se discuten en este capítulo mediante las ideas de Programación Orientada a Objetos (POO) y cómo intenta ésta resolver la crisis del software. El capítulo le lleva a través de las características y conceptos básicos de la POO y también introduce los procesos de análisis y diseño. Además, aprenderá acerca de los beneficios y problemas de adaptar el lenguaje, y obtendrá sugerencias para adentrarse en el mundo de C++.

Capítulo 2: Crear y usar objetos.  Este capítulo explica el proceso de construir programas usando compiladores y librerías. Presenta el primer programa C++ del libro y muestra cómo se construyen y compilan los programas. Después se presentan algunas de las librerías de objetos básicas disponibles en C++ Estándar. Para cuando acabe el capítulo, dominará lo que se refiere a escribir un programa C++ utilizando las librerías de objetos predefinidas.

Capítulo 3: El C de C++.  Este capítulo es una densa vista general de las características de C que se utilizan en C++, así como gran número de características básicas que sólo están disponibles en C++. Además introduce la utilidad make, que es habitual en el desarrollo software de todo el mundo y que se utiliza para construir todos los ejemplos de este libro (el código fuente de los listados de este libro, que está disponible en www.BruceEckel.com, contiene los makefiles correspondientes a cada capítulo). En el capítulo 3 supongo que el lector tiene unos conocimientos básicos sólidos en algún lenguaje de programación procedural como Pascal, C, o incluso algún tipo de Basic (basta con que haya escrito algo de código en ese lenguaje, especialmente funciones). Si encuentra este capítulo demasiado difícil, debería mirar primero el seminario Pensar en C del CD que acompaña este libro (también disponible en www.BruceEckel.com).

Capítulo 4: Abstracción de datos.  La mayor parte de las características de C++ giran entorno a la capacidad de crear nuevos tipos de datos. Esto no sólo ofrece una mayor organización del código, también es la base preliminar para las capacidades de POO más poderosas. Verá cómo esta idea es posible por el simple hecho de poner funciones dentro de las estructuras, los detalles de cómo hacerlo, y qué tipo de código se escribe. También aprenderá la mejor manera de organizar su código mediante archivos de cabecera y archivos de implementación.

Capítulo 5: Ocultar la implementación.  El programador puede decidir que algunos de los datos y funciones de su estructura no estén disponibles para el usuario del nuevo tipo haciéndolas privadas. Eso significa que se puede separar la implementación principal de la interfaz que ve el programador cliente, y de este modo permitir que la implementación se pueda cambiar fácilmente sin afectar al código del cliente. La palabra clave class también se presenta como una manera más elaborada de describir un tipo de datos nuevo, y se desmitifica el significado de la palabra «objeto» (es una variable elaborada).

Capítulo 6: Inicialización y limpieza.  Uno de los errores más comunes en C se debe a las variables no inicializadas. El constructor de C++ permite garantizar que las variables de su nuevo tipo de datos («objetos de su clase») siempre se inicializarán correctamente. Si sus objetos también requieren algún tipo de reciclado, usted puede garantizar que ese reciclado se realice siempre mediante el destructor C++.

Capítulo 7: Sobrecarga de funciones y argumentos por defecto.  C++ está pensado para ayudar a construir proyectos grandes y complejos. Mientras lo hace, puede dar lugar a múltiples librerías que utilicen el mismo nombre de función, y también puede decidir utilizar un mismo nombre con diferentes significados en la misma biblioteca. Con C++ es sencillo gracias a la «sobrecarga de funciones», lo que le permite reutilizar el mismo nombre de función siempre que la lista de argumentos sea diferente. Los argumentos por defecto le permiten llamar a la misma función de diferentes maneras proporcionando, automáticamente, valores por defecto para algunos de sus argumentos.

Capítulo 8: Constantes.  Este capítulo cubre las palabras reservadas const y volatile, que en C++ tienen un significado adicional, especialmente dentro de las clases. Aprenderá lo que significa aplicar const a una definición de puntero. El capítulo también muestra cómo varía el significado de const según se utilice dentro o fuera de las clases y cómo crear constantes dentro de clases en tiempo de compilación.

Capítulo 9: Funciones inline.  Las macros del preprocesador eliminan la sobrecarga de llamada a función, pero el preprocesador también elimina la valiosa comprobación de tipos de C++. La función inline le ofrece todos los beneficios de una macro de preprocesador además de los beneficios de una verdadera llamada a función. Este capítulo explora minuciosamente la implementación y uso de las funciones inline.

Capítulo 10: Control de nombres.  La elección de nombres es una actividad fundamental en la programación y, cuando un proyecto se vuelve grande, el número de nombres puede ser arrollador. C++ le permite un gran control de los nombres en función de su creación, visibilidad, lugar de almacenamiento y enlazado. Este capítulo muestra cómo se controlan los nombres en C++ utilizando dos técnicas. Primero, la palabra reservada static se utiliza para controlar la visibilidad y enlazado, y se explora su significado especial para clases. Una técnica mucho más útil para controlar los nombres a nivel global es el namespace de C++, que le permite dividir el espacio de nombres global en distintas regiones.

Capítulo 11: Las referencias y el constructor de copia.  Los punteros de C++ trabajan como los punteros de C con el beneficio adicional de la comprobación de tipos más fuerte de C++. C++ también proporciona un método adicional para manejar direcciones: C++ imita la referencia de Algol y Pascal, que permite al compilador manipular las direcciones, pero utilizando la notación ordinaria. También encontrará el constructor-de-copia, que controla la manera en que los objetos se pasan por valor hacia o desde las funciones. Finalmente, se explica el puntero-a-miembro de C++.

Capítulo 12: Sobrecarga de operadores.  Esta característica se llama algunas veces «azúcar sintáctico»; permite dulcificar la sintaxis de uso de su tipo permitiendo operadores así como llamadas a funciones. En este capítulo aprenderá que la sobrecarga de operadores sólo es un tipo de llamada a función diferente y aprenderá cómo escribir sus propios operadores, manejando el -a veces confuso- uso de los argumentos, devolviendo tipos, y la decisión de si implementar el operador como método o función amiga.

Capítulo 13: Creación dinámica de objetos.  ¿Cuántos aviones necesitará manejar un sistema de tráfico aéreo? ¿Cuántas figuras requerirá un sistema CAD? En el problema de la programación genérica, no se puede saber la cantidad, tiempo de vida o el tipo de los objetos que necesitará el programa una vez lanzado. En este capítulo aprenderá cómo new y delete solventan de modo elegante este problema en C++ creando objetos en el montón. También verá cómo new y delete se pueden sobrecargar de varias maneras, de forma que puedan controlar cómo se asigna y se recupera el espacio de almacenamiento.

Capítulo 14: Herencia y composición.  La abstracción de datos le permite crear tipos nuevos de la nada, pero con composición y herencia, se puede crear tipos nuevos a partir de los ya existentes. Con la composición, se puede ensamblar un tipo nuevo utilizando otros tipos como piezas y, con la herencia, puede crear una versión más específica de un tipo existente. En este capítulo aprenderá la sintaxis, cómo redefinir funciones y la importancia de la construcción y destrucción para la herencia y la composición.

Capítulo 15: Polimorfismo y funciones virtuales.  Por su cuenta, podría llevarle nueve meses descubrir y comprender esta piedra angular de la POO. A través de ejercicios pequeños y simples, verá cómo crear una familia de tipos con herencia y manipular objetos de esa familia mediante su clase base común. La palabra reservada virtual le permite tratar todos los objetos de su familia de forma genérica, lo que significa que el grueso del código no depende de información de tipo específica. Esto hace extensibles sus programas, de manera que construir programas y mantener el código sea más sencillo y más barato.

Capítulo 16: Introducción a las plantillas.  La herencia y la composición permiten reutilizar el código objeto, pero eso no resuelve todas las necesidades de reutilización. Las plantillas permiten reutilizar el código fuente proporcionando al compilador un medio para sustituir el nombre de tipo en el cuerpo de una clase o función. Esto da soporte al uso de bibliotecas de clase contenedor, que son herramientas importantes para el desarrollo rápido y robusto de programas orientados a objetos (la Biblioteca Estándar de C++ incluye una biblioteca significativa de clases contenedor). Este capítulo ofrece una profunda base en este tema esencial.

Temas adicionales (y materias más avanzadas) están disponibles en el Volumen 2 del libro, que se puede descargar del sitio web www.BruceEckel.com.

6. Ejercicios

He descubierto que los ejercicios son excepcionalmente útiles durante un seminario para completar la comprensión de los estudiantes, así que encontrará algunos al final de cada capítulo. El número de ejercicios ha aumentado enormemente respecto a la primera edición.

Muchos de los ejercicios son suficientemente sencillos como para que puedan terminarse en una cantidad de tiempo razonable en una clase o apartado de laboratorio mientras el profesor observa, asegurándose de que todos los estudiantes asimilan el material. Algunos ejercicios son un poco más complejos para mantener entretenidos a los estudiantes avanzados. El grueso de los ejercicios están orientados para ser resueltos en poco tiempo y se intenta sólo probar y pulir sus conocimientos más que presentar retos importantes (seguramente ya los encontrará por su cuenta -o mejor dicho-, ellos lo encontrarán a usted).

6.1. Soluciones a los ejercicios

Las soluciones a los ejercicios seleccionados pueden encontrarse en el documento electrónico El Solucionario de Pensar en C++, disponible por una pequeña cantidad en www.BruceEckel.com.

7. Código fuente

El código fuente de los listados de este libro está registrado como freeware, distribuido mediante el sitio Web www.BruceEckel.com. El copyright le impide publicar el código en un medio impreso sin permiso, pero se le otorga el derecho de usarlo de muchas otras maneras (ver más abajo).

El código está disponible en un fichero comprimido, destinado a extraerse desde cualquier plataforma que tenga una utilidad zip (puede buscar en Internet para encontrar una versión para su platarforma si aún no tiene una instalada). En el directorio inicial donde desempaquete el código encontrará la siguiente nota sobre derechos de copia:


Copyright (c) 2000, Bruce Eckel
Source code file from the book "Thinking in C++"
All rights reserved EXCEPT as allowed by the
following statements: You can freely use this file
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and distribute this code; instead, the sole
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(and official mirror sites) where it is
available for free. You cannot remove this
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package. You cannot use this file in printed
media without the express permission of the
author. Bruce Eckel makes no representation about
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It is provided "as is" without express or implied
warranty of any kind, including any implied
warranty of merchantability, fitness for a
particular purpose, or non-infringement. The entire
risk as to the quality and performance of the
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indirect, special, consequential, incidental, or
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the theory of liability, arising out of the use of
or inability to use software, even if Bruce Eckel
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possibility of such damages. Should the software
prove defective, you assume the cost of all
necessary servicing, repair, or correction. If you
think you've found an error, please submit the
correction using the form you will find at
www.BruceEckel.com. (Please use the same
form for non-code errors found in the book.)

Se puede usar el código en proyectos y clases siempre y cuando se mantenga la nota de copyright.

8. Estándares del lenguaje

Durante todo el libro, cuando se haga referencia al estándar de C ISO, generalmente se dirá «C». Sólo si se necesita distinguir entre C estándar y otros más viejos, versiones previas al estándar de C, se hará una distinción.

Cuando se escribió este libro, el Comité de Estándares de C++ ya había terminado de trabajar en el lenguaje. Por eso, se usará el término C++ Estándar para referirse al lenguaje estandarizado. Si se hace referencia simplemente a C++, debería asumir que se quiere decir «C++ Estándar».

Hay alguna confusión sobre el nombre real del Comité de Estándares de C++ y el nombre del estándar mismo. Steve Clamage, el presidente del comité, clarificó esto:

Hay dos comités de estandarización de C++: El comité NCITS (antiguamente X3) J16 y el comité ISO JTC1/SC22/WG14. ANSI alquila NCITS para crear comités técnicos para desarrollar estándares nacionales americanos.

J16 fue alquilado en 1989 para crear un estándar americano para C++. Por el año 1991 se alquiló WG14 para crear un estándar internacional. El proyecto J16 se convirtió en un proyecto «Tipo I» (Internacional) y se subordinó al esfuerzo de estandarización de ISO.

Los dos comités se encontraban al mismo tiempo en el mismo sitio, y el voto de J16 constituye el voto americano con WG14. WG14 delega el trabajo técnico a J16. WG14 vota por el trabajo técnico de J16.

El estándar de C++ fue creado originalmente como un estándar ISO. ANSI votó más tarde (como recomendaba J16) para adoptar el estándar de C++ ISO como el estándar americano para C++.

Por eso, «ISO» es la forma correcta de referirse al Estándar C++.

8.1. Soporte del lenguaje

Puede que su compilador no disponga de todas las características discutidas en este libro, especialmente si no tiene la versión más recente del compilador. Implementar un lenguaje como C++ es una tarea hercúlea, y puede esperar que las características aparecerán poco a poco en lugar de todas a la vez. Pero si prueba uno de los ejemplos del libro y obtiene un montón de errores del compilador, no es necesariamente un error en el código o en el compilador; simplemente puede no estar implementado aún en su compilador particular.

9. El CD-ROM del libro

El contenido principal del CD-ROM empaquetado al final de este libro es un «seminario en CD-ROM» titulado Pensar en C: Fundamentos para Java y C++ obra de Chuck Allison (publicado por MindView, Inc., y también disponible en www.BruceEckel.com). Contiene muchas horas de grabaciones y transparencias, que pueden mostrarse en la mayoría de las computadoras que dispongan de lector de CD-ROM y sistema de sonido.

El objetivo de Pensar en C es llevarle cuidadosamente a través de los fundamentos del lenguaje C. Se centra en el conocimiento que necesita para poder pasarse a C++ o Java en lugar de intentar hacerle un experto en todos los recovecos de C (una de las razones de utilizar un lenguaje de alto nivel como C++ o Java es, precisamente, que se pueden evitar muchos de esos recovecos). También contiene ejercicios y soluciones guiadas. Téngalo en cuenta porque el Capítulo 3 de este libro va más allá del CD de Pensar en C, el CD no es una alternativa a este capítulo, sino que debería utilizarse como preparación para este libro.

Por favor, tenga en cuenta que el CD-ROM está basado en navegador, por lo que debería tener un navegador Web instalado en su máquina antes de utilizarlo.

10. CD-ROMs, seminarios, y consultoría

Hay seminarios en CD-ROM planeados para cubrir el Volumen 1 y el Volumen 2 de este libro. Comprenden muchas horas de grabaciones mías que acompañan las transparencias que cubren el material seleccionado de cada capítulo del libro. Se pueden ver en la mayoría de las computadoras que disponen de lector de CDROM y sistema de sonido. Estos CDs pueden comprarse en www.BruceEckel.com, donde encontrará más información y lecturas de ejemplo.

Mi compañía, MindView, Inc., proporciona seminarios públicos de preparación práctica basados en el material de este libro y también en temas avanzados. El material seleccionado de cada capítulo representa una lección, que se continúa con un periodo de ejercicios monitorizados para que cada estudiante reciba atención personal. También proporcionamos preparación «in situ», consultoría, tutorización, diseño y asistentes de código. Puede encontrar la información y los formularios para los próximos seminarios, así como otra información de contacto, en www.BruceEckel.com.

A veces me encuentro disponible para consultas de diseño, evaluación de procesos y asistencia. Cuando comencé a escribir sobre computadoras, mi motivación principal fue incrementar mis actividades de consultoría, porque encontraba que la consultoría era competitiva, educacional, y una de mis experiencias profesionales más valiosas. Así que haré todo lo que pueda para incluirle a usted en mi agenda, o para ofrecerle uno de mis socios (que son gente que conozco bien y con la que he tratado, y a menudo co-desarrollan e imparten seminarios conmigo).

11. Errores

No importa cuántos trucos emplee un escritor para detectar los errores, algunos siempre se escapan y saltan del papel al lector atento. Si encuentra algo que crea que es un error, por favor, utilice el formulario de correcciones que encontrará en www.BruceEckel.com. Se agradece su ayuda.

12. Sobre la portada

La primera edición de este libro tenía mi cara en la portada, pero para la segunda edición yo quería desde el principio una portada que se pareciera más una obra de arte, como la portada de Pensar en Java. Por alguna razón, C++ parece sugerirme Art Decó con sus curvas simples y pinceladas cromadas. Tenía en mente algo como esos carteles de barcos y aviones con cuerpos largos.

Mi amigo Daniel Will-Harris, (www.Will-Harris.com) a quien conocí en las clases del coro del instituto, iba a llegar a ser un diseñador y escritor de talla mundial. Él ha hecho prácticamente todos mis diseños, incluída la portada para la primera edición de este libro. Durante el proceso de diseño de la portada, Daniel, insatisfecho con el progreso que realizábamos, siempre preguntaba: «¿Qué relación hay entre las personas y las computadoras?». Estábamos atascados.

Como capricho, sin nada en mente, me pidió que pusiera mi cara en el escáner. Daniel tenía uno de sus programas gráficos (Corel Xara, su favorito) que «autotrazó» mi cara escaneada. Él lo describe de la siguente manera: «El autotrazado es la forma en la que la computadora transforma un dibujo en los tipos de líneas y curvas que realmente le gustan». Entonces jugó con ello hasta que obtuvo algo que parecía un mapa topográfico de mi cara, una imagen que podría ser la manera en que la computadora ve a la gente.

Cogí esta imagen y la fotocopié en papel de acuarela (algunas copiadoras pueden manejar papeles gruesos), y entonces comenzó a realizar montones de experimentos añadiendo acuarela a la imagen. Seleccionamos las que nos gustaban más, entonces Daniel las volvió a escanear y las organizó en la portada, añadiendo el texto y otros elementos de diseño. El proceso total requirió varios meses, mayormente a causa del tiempo que me tomó hacer las acuarelas. Pero me he divertido especialmente porque conseguí participar en el arte de la portada, y porque me dio un incentivo para hacer más acuarelas (lo que dicen sobre la práctica realmente es cierto).

13. Diseño del libro y producción

El diseño del interior del libro fue creado por Daniel Will-Harris, que solía jugar con letras (FIXME:rub-on) en el instituto mientras esperaba la invención de las computadoras y la publicación de escritorio. De todos modos, yo mismo produje las páginas para impresión (camera-ready), por lo que los errores tipográficos son míos. Se utilizó Microsoft® Word para Windows Versiones 8 y 9 para escribir el libro y crear la versión para impresión, incluyendo la generación de la tabla de contenidos y el índice (creé un servidor automatizado COM en Python, invocado desde las macros VBA de Word, para ayudarme en el marcado de los índices). Python (vea www.python.com) se utilizó para crear algunas de las herramientas para comprobar el código, y lo habría utilizado como herramienta de extracción de código si lo hubiese descubierto antes.

Creé los diagramas utilizando Visio®. Gracias a Visio Corporation por crear una herramienta tan útil.

El tipo de letra del cuerpo es Georgia y los títulos utilizan Verdana. La versión definitiva se creó con Adobe® Acrobat 4 y el fichero generado se llevó directamente a la imprenta - muchas gracias a Adobe por crear una herramienta que permite enviar documentos listos para impresión por correo electrónico, así como permitir que se realicen múltiples revisiones en un único día en lugar de recaer sobre mi impresora láser y servicios rápidos 24 horas (probamos el proceso Acrobat por primera vez con Pensar en Java, y fui capaz de subir la versión final de ese libro a la imprenta de U.S. desde Sudáfrica).

La versión HTML se creó exportando el documento Word a RTF, y utilizando entonces RTF2HTML (ver http://www.sunpack.com/RTF/) para hacer la mayor parte del trabajo de la conversión HTML (gracias a Chris Hector por hacer una herramienta tan útil y especialmente fiable). Los ficheros resultantes se limpiaron utilizando un programa Python que truqué, y los WMFs se transformaron en GIFs utilizando el PaintShop Pro 6 de JASC® y su herramienta de conversión por lotes (gracias a JASC por resolver tantos de mis problemas con su excelente producto). El realce del color de la sintaxis se añadió con un script Perl amablemente cedido por Zafir Anjum.

14. Agradecimientos

Lo primero, agradecer a todo aquel que presentó correcciones y sugerencias desde Internet; han sido de tremenda ayuda para mejorar la calidad de este libro, y no podría haberlo hecho sin ustedes. Gracias en especial a John Cook.

Las ideas y comprensión de este libro han llegado de varias fuentes: amigos como Chuck Allison, Andrea Provaglio, Dans Sakx, Scott Meyers, Charles Petzold y Michael Wilk; pioneros del lenguaje como Bjarne Stroustrup, Andrew Koenig y Rob Murray; miembros del Comité de Estándares de C++ como Nathan Myers (que fue de particular ayuda y generosidad con sus percepciones), Bill Plauger, Reg Charney, Tom Penello, Tom Plum, Sam Druker y Uwe Steinmueller; gente que ha hablado en mis charlas de C++ en la Conferencia de Desarrollo de Software; y a menudo estudiantes de mis seminarios, que preguntan aquello que necesito oír para aclarar el material.

Enormes agradecimientos para mi amigo Gen Kiyooka, cuya compañía Digigami me proporcionó un servidor web.

Mi amigo Richard Hale Shaw y yo hemos enseñado C++ juntos; las percepciones de Richard y su apoyo han sido muy útiles (y las de Kim también). Gracias también a DoAnn Vikoren, Eric Faurot, Jennifer Jessup, Tara Arrowood, Marco Pardi, Nicole Freeman, Barbara Hanscome, Regina Ridley, Alex Dunne y el resto del reparto y plantilla de MFI.

Un agradecimiento especial para todos mis profesores y todos mis estudiantes (que también son profesores).

Y para mis escritores favoritos, mi más profundo aprecio y simpatía por vuestros esfuerzos: John Irving, Neal Stephenson, Robertson Davies (te echaremos de menos), Tom Robbins, William Gibson, Richard Bach, Carlos Castaneda y Gene Wolfe.

A Guido van Rossum, por inventar Python y donarlo desinteresadamente al mundo. Has enriquecido mi vida con tu contribución.

Gracias a la gente de Prentice Hall: Alan Apt, Ana Terry, Scott Disanno, Toni Holm y mi editora de copias electrónicas Stephanie English. En márqueting, Bryan Gambrel y Jennie Burger.

Sonda Donovan me ayudó con la producción del CD ROM. Daniel Will-Harris (por supuesto) creó el diseño de la portada que se encuentra en el propio CD.

Para todos los grandes amigos de Crested Butte, gracias por hacer de él un lugar mágico, especialmente a Al Smith (creador del maravilloso Camp4 Coffee Garden), mis vecinos Dave y Erika, Marsha de la librería Heg's Place, Pat y John de Teocalli Temale, Sam de Barkery Café, y a Tiller por su ayuda con la investigación en audio. Y a toda la gente fenomenal que anda por Camp4 y hace interesantes mis mañanas.

La lista de amigos que me han dado soporte incluye, pero no está limitada, a Zack Urlocker, Andrew Binstock, Neil Rubenking, Kraig Brocschmidt, Steve Sinofsky, JD Hildebrandt, Brian McElhinney, Brinkey Barr, Larry O'Brien, Bill Gates en Midnight Engineering Magazine, Larry Constantine, Lucy Lockwood, Tom Keffer, Dan Putterman, Gene Wang, Dave Mayer, David Intersimone, Claire Sawyers, los Italianos (Andrea Provaglio, Rossella Gioia, Laura Fallai, Marco & Lella Cantu, Corrado, Ilsa y Christina Giustozzi), Chris y Laura Strand (y Parker), los Alquimistas, Brad Jerbic, Marilyn Cvitanic, el Mabrys, el Halflingers, los Pollocks, Peter Vinci, los Robbins, los Moelters, Dave Stoner, Laurie Adams, los Cranstons, Larry Fogg, Mike y karen Sequeira, Gary Entsminger y Allison Brody, Kevin, Sonda & Ella Donovan, Chester y Shannon Andersen, Joe Lordi, Dave y Brenda Barlett, los Rentschlers, Lynn y Todd y sus familias. Y por supuesto, a Mamá y Papá.


[8] Bjarne Stroustrup, The C++ Programming Language, Addison-Wesley, 1986 (first edition).

[9] Using C++, Osborne/McGraw-Hill 1989.

[10] Using C++ and C++ Inside & Out, Osborne/McGraw-Hill 1993.

1: Introducción a los Objetos

Tabla de contenidos

1.1. El progreso de abstracción
1.2. Cada objeto tiene una interfaz
1.3. La implementación oculta
1.4. Reutilizar la implementación
1.5. Herencia: reutilización de interfaces
1.6. Objetos intercambiables gracias al polimorfismo
1.7. Creación y destrucción de objetos
1.8. Gestión de excepciones: tratamiento de errores
1.9. Análisis y diseño
1.10. Programación Extrema
1.11. Porqué triunfa C++
1.12. Estrategias de transición
1.13. Resumen

El origen de la revolución informática ocurrió dentro de una máquina. Por tanto, el origen de nuestros lenguajes de programación tiende a parecerse a esa máquina.

Pero los ordenadores no son tanto máquinas como herramientas de amplificación de la mente («bicicletas para la mente», como le gusta decir a Steve Jobs) y un medio de expresión diferente. Como resultado, las herramientas empiezan a parecerse menos a las máquinas y más a partes de nuestra mente, y también a otros medios de expresión como la escritura, la pintura, la escultura, la animación y la cinematografía. La programación orientada a objetos es parte de este movimiento hacia un uso del ordenador como medio de expresión.

Este capítulo le servirá de introducción a los conceptos básicos de la programación orientada a objetos (POO), incluyendo un resumen de los métodos de desarrollo de la POO. Este capítulo, y este libro, presuponen que el lector ya tiene experiencia con un lenguaje de programación procedural, aunque no tiene porqué ser C. Si cree que necesita más preparación en programación y en la sintaxis de C antes de abordar este libro, debería leer el CD-ROM de entrenamiento Thinking in C: Foundations for C++ and Java, que acompaña a este libro, y está disponible también en www.BruceEckel.com.

Este capítulo contiene material básico y suplementario. Mucha gente no se siente cómoda adentrándose en la programación orientada a objetos sin tener antes una visión global. Por eso, aquí se introducen muchos conceptos que intentan darle una visión sólida de la POO. Sin embargo, muchas personas no captan los conceptos globales hasta que no han visto primero parte de la mecánica; puede que se atasquen o se pierdan si no hay ningún trozo de código al que ponerle las manos encima. Si usted pertenece a este último grupo, y está ansioso por llegar a las especificaciones del lenguaje, siéntase libre de saltar este capítulo; eso no le impedirá escribir programas o aprender el lenguaje. Sin embargo, quizá quiera volver a este capítulo para completar sus conocimientos y poder comprender porqué son importantes los objetos y cómo diseñar con ellos.

1.1. El progreso de abstracción

Todos los lenguajes de programación proporcionan abstracciones. Se puede afirmar que la complejidad de los problemas que se pueden resolver está directamente relacionada con el tipo y calidad de la abstracción. Por «tipo» me refiero a «¿Qué es lo que está abstrayendo?». El lenguaje ensamblador es una pequeña abstracción de la máquina subyacente. Muchos lenguajes llamados «imperativos» que siguieron (como Fortran, BASIC y C) eran abstracciones del lenguaje ensamblador. Estos lenguajes suponen grandes mejoras con respecto al lenguaje ensamblador, pero su abstracción primaria todavía requiere pensar en términos de la estructura del ordenador, en lugar de la estructura del problema que intenta resolver. El programador debe establecer la asociación entre el modelo de la máquina (en el «espacio de soluciones», que es el lugar donde está modelando ese problema, como un ordenador) y el modelo del problema que se está resolviendo (en el «espacio de problemas», que es el lugar donde existe el problema). El esfuerzo requerido para realizar esta correspondencia, y el hecho de que sea extrínseco al lenguaje de programación, produce programas difíciles de escribir y caros de mantener y, como efecto secundario, creó toda la industria de «métodos de programación».

La alternativa a modelar la máquina es modelar el problema que está intentando resolver. Los primeros lenguajes como LISP y APL eligieron concepciones del mundo particulares («Todos los problemas son listas en última instancia», o «Todos los problemas son algorítmicos»). PROLOG reduce todos los problemas a cadenas de decisiones. Se han creado lenguajes para programación basados en restricciones y para programar manipulando exclusivamente símbolos gráficos (lo último demostró ser demasiado restrictivo). Cada uno de estos métodos es una buena solución para el tipo particular de problema para el que fueron diseñados, pero cuando uno sale de ese dominio se hacen difíciles de usar.

El método orientado a objetos va un paso más allá, proporcionando herramientas para que el programador represente los elementos en el espacio del problema. Esta representación es lo suficientemente general como para que el programador no esté limitado a un tipo particular de problema. Nos referimos a los elementos en el espacio del problema, y a sus representaciones en el espacio de la solución, como «objetos» (por supuesto, necesitará otros objetos que no tengan analogías en el espacio del problema). La idea es que permita al programa adaptarse al lenguaje del problema añadiendo nuevos tipos de objetos de modo que cuando lea el código que describe la solución, esté leyendo palabras que además expresan el problema. Es un lenguaje de abstracción más flexible y potente que los que haya usado antes. De esta manera, la POO permite describir el problema en términos del problema, en lugar de usar términos de la computadora en la que se ejecutará la solución. Sin embargo, todavía existe una conexión con la computadora. Cada objeto se parece un poco a una pequeña computadora; tiene un estado y operaciones que se le puede pedir que haga. Sin embargo, no parece una mala analogía a los objetos en el mundo real; todos ellos tienen características y comportamientos.

Algunos diseñadores de lenguajes han decidido que la programación orientada a objetos en sí misma no es adecuada para resolver fácilmente todos los problemas de programación, y abogan por una combinación de varias aproximaciones en lenguajes de programación multiparadigma. [11]

Alan Kay resumió las cinco características básicas de Smalltalk, el primer lenguaje orientado a objetos con éxito y uno de los lenguajes en los que está basado C++. Esas características representan una aproximación a la programación orientada a objetos:

  1. Todo es un objeto. Piense en un objeto como una variable elaborada; almacena datos, pero puede «hacer peticiones» a este objeto, solicitando que realice operaciones en sí mismo. En teoría, puede coger cualquier componente conceptual del problema que está intentando resolver (perros, edificios, servicios, etc.) y representarlos como un objeto en su programa.

  2. Un programa es un grupo de objetos enviando mensajes a otros para decirles qué hacer. Para hacer una petición a un objeto, «envía un mensaje» a ese objeto. Más concretamente, puede pensar en un mensaje como una petición de invocación a una función que pertenece a un objeto particular.

  3. Cada objeto tiene su propia memoria constituida por otros objetos. Visto de otra manera, puede crear un nuevo tipo de objeto haciendo un paquete que contenga objetos existentes. Por consiguiente, puede hacer cosas complejas en un programa ocultando la complejidad de los objetos.

  4. Cada objeto tiene un tipo. Usando el argot, cada objeto es una instancia de una clase, en el que «clase» es sinónimo de «tipo». La característica más importante que lo distingue de una clase es «¿Qué mensajes puede enviarle?»

  5. Todos los objetos de un tipo particular pueden recibir los mismos mensajes. En realidad es una frase con doble sentido, como verá más tarde. Como un objeto de tipo círculo es también un objeto de tipo figura, está garantizado que un círculo aceptará los mensajes de figura. Esto significa que puede escribir código que habla con objetos figura y automáticamente funcionará con cualquier otro objeto que coincida con la descripción de figura. Esta sustituibilidad es uno de los conceptos más poderosos en la POO.

1.2. Cada objeto tiene una interfaz

Aristóteles fue probablemente el primero en hacer un estudio minucioso del concepto de tipo; él habló de «la clase de peces y la clase de pájaros». La idea de que todos los objetos, aún siendo únicos, también son parte de una clase de objetos que tienen características y comportamientos comunes se utilizó directamente en el primer lenguaje orientado a objetos, Simula-67, con su palabra reservada class que introduce un nuevo tipo en un programa.

Simula, como su nombre indica, fue creado para desarrollar simulaciones como el clásico «problema del cajero» [12]. Tiene un grupo de cajeros, clientes, cuentas, transacciones, y unidades de moneda - un montón de «objetos». Los objetos idénticos, exceptuando su estado durante la ejecución del programa, se agrupan en «clases de objetos» y de ahí viene la palabra reservada class. Crear tipos de datos abstractos (clases) es un concepto fundamental en la programación orientada a objetos. Los tipos de datos abstractos trabajan casi exactamente como tipos predefinidos: puede crear variables de un tipo (llamadas objetos o instancias en el argot de la programación orientada a objetos) y manipular estas variables (llamado envío de mensajes o peticiones; envía un mensaje y el objeto decide qué hacer con él). Los miembros (elementos) de cada clase tienen algo en común: cada cuenta tiene un balance, cada cajero puede aceptar un depósito, etc. Al mismo tiempo, cada miembro tiene su propio estado, cada cuenta tiene un balance diferente, cada cajero tiene un nombre. De este modo, cada cajero, cliente, cuenta, transacción, etc., se puede representar con una única entidad en el programa de computador. Esta entidad es un objeto, y cada objeto pertenece a una clase particular que define sus características y comportamientos.

Por eso, lo que hace realmente un programa orientado a objetos es crear nuevos tipos de datos, prácticamente todos los lenguajes de programación orientados a objetos usan la palabra reservada class. Cuando vea la palabra «type», piense en «class» y viceversa [13].

Dado que una clase describe un conjunto de objetos que tienen idénticas características (elementos de datos) y comportamientos (funcionalidad), una clase es realmente un tipo de datos porque un número de punto flotante, por ejemplo, también tiene un conjunto de características y comportamientos. La diferencia está en que el programador define una clase para resolver un problema en lugar de estar obligado a usar un tipo de dato existente diseñado para representar una unidad de almacenamiento en una máquina. Amplía el lenguaje de programación añadiendo nuevos tipos de datos específicos según sus necesidades. El sistema de programación acoge las nuevas clases y les presta toda la atención y comprobación de tipo que da a los tipos predefinidos.

El enfoque orientado a objetos no está limitado a la construcción de simulaciones. Esté o no de acuerdo con que cualquier problema es una simulación del sistema que está diseñando, el uso de técnicas POO puede reducir fácilmente un amplio conjunto de problemas a una solución simple.

Una vez establecida una clase, puede hacer tantos objetos de esta clase como quiera, y manipularlos como si fueran elementos que existen en el problema que está intentando resolver. De hecho, uno de los desafíos de la programación orientada a objetos es crear una correspondencia unívoca entre los elementos en el espacio del problema y objetos en el espacio de la solución.

Pero, ¿cómo se consigue que un objeto haga algo útil por usted? Debe haber una forma de hacer una petición al objeto para que haga algo, como completar una transacción, dibujar algo en la pantalla o activar un interruptor. Y cada objeto puede satisfacer sólo ciertas peticiones. Las peticiones que puede hacer un objeto están definidas por su intefaz, y es el tipo lo que determina la interfaz. Un ejemplo simple puede ser una representación de una bombilla:

Clase Luz

Figura 1.1. Clase Luz


Luz luz1;
luz1.encender();

La interfaz establece qué peticiones se pueden hacer a un objeto particular. Sin embargo, se debe codificar en algún sitio para satisfacer esta petición. Ésta, junto con los datos ocultos, constituyen la implementación. Desde el punto de vista de la programación procedural, no es complicado. Un tipo tiene una función asociada para cada posible petición, y cuando se hace una petición particular a un objeto, se llama a esa función. Este proceso normalmente se resume diciendo que ha «enviado un mensaje» (ha hecho una petición) a un objeto, y el objeto sabe qué hacer con este mensaje (ejecuta código).

Aquí, el nombre del tipo/clase es Luz, el nombre de este objeto particular de Luz es luz1, y las peticiones que se le pueden hacer a un objeto Luz son encender, apagar, intensificar o atenuar. Puede crear un objeto Luz declarando un nombre (luz1) para ese objeto. Para enviar un mensaje al objeto, escriba el nombre del objeto y conéctelo al mensaje de petición con un punto. Desde el punto de vista del usuario de una clase predefinida, eso es prácticamente todo lo que necesita para programar con objetos.

El diagrama mostrado arriba sigue el formato del Lenguaje Unificado de Modelado (UML). Cada clase se representa con una caja, con el nombre del tipo en la parte de arriba, los atributos que necesite describir en la parte central de la caja, y los métodos (las funciones que pertenecen a este objeto, que reciben cualquier mensaje que se envíe al objeto) en la parte inferior de la caja. A menudo, en los diagramas de diseño UML sólo se muestra el nombre de la clase y el nombre de los métodos públicos, y por eso la parte central no se muestra. Si sólo está interesado en el nombre de la clase, tampoco es necesario mostrar la parte inferior.

1.3. La implementación oculta

Es útil distinguir entre los creadores de clases (aquellos que crean nuevos tipos de datos) y los programadores clientes [14] (los consumidores de clases que usan los tipos de datos en sus aplicaciones). El objetivo del programador cliente es acumular una caja de herramientas llena de clases que poder usar para un desarrollo rápido de aplicaciones. El objetivo del creador de clases es construir una clase que exponga sólo lo necesario para el programador cliente y mantenga todo lo demás oculto. ¿Por qué? Porque si está oculto, el programador cliente no puede usarlo, lo cual significa que el creador de clases puede cambiar la parte oculta sin preocuparse de las consecuencias sobre lo demás. La parte oculta suele representar las interioridades delicadas de un objeto que podría fácilmente corromperse por un programador cliente descuidado o desinformado, así que ocultando la implementación se reducen los errores de programación. No se debe abusar del concepto de implementación oculta.

En cualquier relación es importante poner límites que sean respetados por todas las partes involucradas. Cuando se crea una librería, se establece una relación con el programador cliente, quien también es programador, porque puede estar utilizando la librería para crear a su vez una librería mayor.

Si todos los miembros de una clase están disponibles para cualquiera, entonces el programador cliente puede hacer cualquier cosa con la clase y no hay forma de imponer las reglas. Incluso si quisiera que el programador cliente no manipulase directamente algunos de los miembros de su clase, sin control de acceso no hay forma de impedirlo. Nadie está a salvo.

Por eso la principal razón del control de acceso es impedir que el cliente toque las partes que no debería (partes que son necesarias para los mecanismos internos de los tipos de datos), pero no la parte de la interfaz que los usuarios necesitan para resolver sus problemas particulares. En realidad, ésto es un servicio para los usuarios porque pueden ver fácilmente lo qué es importante para ellos y qué pueden ignorar.

La segunda razón para el control de acceso es permitir al diseñador de la librería cambiar la implementación interna de la clase sin preocuparse de cómo afectará a los programadores clientes. Por ejemplo, podría implementar una clase particular de una manera sencilla para un desarrollo fácil, y más tarde descubrir que necesita reescribirla para hacerla más rápida. Si la interfaz y la implementación están claramente separadas y protegidas, puede lograrlo fácilmente y sólo requiere que el usuario vuelva a enlazar la aplicación.

C++ utiliza tres palabras reservadas explícitas para poner límites en una clase: public, private, y protected. Su uso y significado son bastante sencillos. Estos especificadores de acceso determinan quién puede usar las definiciones que siguen. public significa que las definiciones posteriores están disponibles para cualquiera. La palabra reservada private, por otro lado, significa que nadie puede acceder a estas definiciones excepto el creador del tipo, es decir, los métodos internos de la clase. private es una pared entre el creador de la clase y el programador cliente. Si alguien intenta acceder a un miembro privado, obtendrá un error al compilar. protected actúa como private, con la excepción de que las clases derivadas tienen acceso a miembros protegidos, pero no a los privados. La herencia se explicará en breve.

1.4. Reutilizar la implementación

Una vez que una clase se ha creado y probado, debería constituir (idealmente) una unidad útil de código. Sin embargo, esta reutilización no es tan fácil de conseguir como muchos esperarían; producir un buen diseño requiere experiencia y conocimientos. Pero una vez que lo tiene, pide ser reutilizado. El código reutilizado es una de las mejores ventajas de los lenguajes para programación orientada a objetos.

La forma más fácil de reutilizar una clase es precisamente utilizar un objeto de esa clase directamente, pero también puede colocar un objeto de esta clase dentro de una clase nueva. Podemos llamarlo «crear un objeto miembro». Su nueva clase puede estar compuesta de varios objetos de cualquier tipo, en cualquier combinación que necesite para conseguir la funcionalidad deseada en su nueva clase. Como está componiendo una nueva clase a partir de clases existentes, este concepto se llama composición (o de forma más general, agregación). A menudo nos referimos a la composición como una relación «tiene-un», como en «un coche tiene-un motor».

Un coche tiene un motor

Figura 1.2. Un coche tiene un motor


(El diagrama UML anterior indica composición con el rombo relleno, lo cual implica que hay un coche. Típicamente usaré una forma más simple: sólo una línea, sin el rombo, para indicar una asociación. [15])

La composición es un mecanismo muy flexible. Los objetos miembro de su nueva clase normalmente son privados, haciéndolos inaccesibles para los programadores clientes que están usando la clase. Eso permite cambiar esos miembros sin perturbar al código cliente existente. También puede cambiar los miembros del objeto en tiempo de ejecución, para cambiar dinámicamente el comportamiento de su programa. La herencia, descrita más adelante, no tiene esta flexibilidad dado que el compilador debe imponer restricciones durante la compilación en clases creadas con herencia.

Como la herencia es tan importante en la programación orientada a objetos, se suele enfatizar mucho su uso, y puede que el programador novel tenga la idea de que la herencia se debe usar en todas partes. Eso puede dar como resultado diseños torpes y demasiado complicados. En lugar de eso, debería considerar primero la composición cuando tenga que crear nuevas clases, ya que es más simple y flexible. Si acepta este enfoque, sus diseños serán más limpios. Una vez que tenga experiencia, los casos en los que necesite la herencia resultarán evidentes.

1.5. Herencia: reutilización de interfaces

En sí misma, la idea de objeto es una herramienta útil. Permite empaquetar datos y funcionalidad junto al propio concepto, además puede representar una idea apropiada del espacio del problema en vez de estar forzado a usar el vocabulario de la máquina subyacente. Esos conceptos se expresan como unidades fundamentales en el lenguaje de programación mediante la palabra reservada class.

Sin embargo, es una pena tomarse tantas molestias en crear una clase y verse obligado a crear una más para un nuevo tipo que tiene una funcionalidad similar. Es más sencillo si se puede usar la clase existente, clonarla, y hacerle añadidos y modificaciones a ese clon. Esto es justamente lo que hace la herencia, con la excepción de que si cambia la clase original (llamada clase base, super o padre), el «clon» modificado (llamado clase derivada, heredada, sub o hija) también refleja esos cambios.

subclases

Figura 1.3. subclases


(En el diagrama UML anterior, la flecha apunta desde la clase derivada hacia la clase base. Como puede ver, puede haber más de una clase derivada.)

Un tipo hace algo más que describir las restricciones de un conjunto de objetos; también tiene una relación con otros tipos. Dos tipos pueden tener características y comportamientos en común, pero un tipo puede contener más características que otro y también puede manipular más mensajes (o hacerlo de forma diferente). La herencia lo expresa de forma similar entre tipos usando el concepto de tipos base y tipos derivados. Un tipo base contiene todas las características y comportamientos compartidos entre los tipos derivados de él. Cree un tipo base para representar lo esencial de sus ideas sobre algunos objetos en su sistema. A partir del tipo base, derive otros tipos para expresar caminos diferentes que puede realizar esa parte común.

Por ejemplo, una máquina de reciclado de basura clasifica piezas de basura. El tipo base es «basura», y cada pieza de basura tiene un peso, un valor, y también, se puede triturar, fundir o descomponer. A partir de ahí, se obtienen más tipos específicos de basura que pueden tener características adicionales (una botella tiene un color) o comportamientos (el aluminio puede ser aplastado, el acero puede ser magnético). Además, algunos comportamientos pueden ser diferentes (el valor del papel depende del tipo y condición). Usando la herencia, se puede construir una jerarquía de tipos que exprese el problema que se intenta resolver en términos de sus tipos.

Un segundo ejemplo es el clásico ejemplo «figura», tal vez usado en un sistema de diseño asistido por computador o juegos de simulación. El tipo base es figura, y cada figura tiene un tamaño, un color, una posición y así sucesivamente. Cada figura se puede dibujar, borrar, mover, colorear, etc. A partir de ahí, los tipos específicos de figuras derivan (heredan) de ella: círculo, cuadrado, triángulo, y así sucesivamente, cada uno de ellos puede tener características y comportamientos adicionales. Ciertas figuras pueden ser, por ejemplo, rotadas. Algunos comportamientos pueden ser diferentes, como cuando se quiere calcular el área de una figura. La jerarquía de tipos expresa las similitudes y las diferencias entre las figuras.

Jerarquía de Figura

Figura 1.4. Jerarquía de Figura


Modelar la solución en los mismos términos que el problema es tremendamente beneficioso porque no se necesitan un montón de modelos intermedios para transformar una descripción del problema en una descripción de la solución. Con objetos, la jerarquía de tipos es el principal modelo, lleva directamente desde la descripción del sistema en el mundo real a la descripción del sistema en código. Efectivamente, una de las dificultades que la gente tiene con el diseño orientado a objetos es que es demasiado fácil ir desde el principio hasta el final. Una mente entrenada para buscar soluciones complejas a menudo se confunde al principio a causa de la simplicidad.

Cuando se hereda de un tipo existente, se está creando un tipo nuevo. Este nuevo tipo contiene no sólo todos los miembros del tipo base (aunque los datos privados private están ocultos e inaccesibles), sino que además, y lo que es más importante, duplica la interfaz de la clase base. Es decir, todos los mensajes que se pueden enviar a los objetos de la clase base se pueden enviar también a los objetos de la clase derivada. Dado que se conoce el tipo de una clase por los mensajes que se le pueden enviar, eso significa que la clase derivada es del mismo tipo que la clase base. En el ejemplo anterior, «un círculo es una figura». Esta equivalencia de tipos vía herencia es uno de las claves fundamentales para comprender la programación orientada a objetos.

Por lo que tanto la clase base como la derivada tienen la misma interfaz, debe haber alguna implementación que corresponda a esa interfaz. Es decir, debe haber código para ejecutar cuando un objeto recibe un mensaje particular. Si simplemente hereda de una clase y no hace nada más, los métodos de la interfaz de la clase base están disponibles en la clase derivada. Esto significa que los objetos de la clase derivada no sólo tienen el mismo tipo, también tienen el mismo comportamiento, lo cual no es particularmente interesante.

Hay dos caminos para diferenciar la nueva clase derivada de la clase base original. El primero es bastante sencillo: simplemente hay que añadir nuevas funciones a la clase derivada. Estas nuevas funciones no son parte de la interfaz de la clase base. Eso significa que la clase base simplemente no hace todo lo que necesitamos, por lo que se añaden más funciones. Este uso simple y primitivo de la herencia es, a veces, la solución perfecta a muchos problemas. Sin embargo, quizá debería pensar en la posibilidad de que su clase base puede necesitar también funciones adicionales. Este proceso de descubrimiento e iteración de su diseño ocurre regularmente en la programación orientada a objetos.

Especialización de Figura

Figura 1.5. Especialización de Figura


Aunque la herencia algunas veces supone que se van a añadir nuevas funciones a la interfaz, no es necesariamente cierto. El segundo y más importante camino para diferenciar su nueva clase es cambiar el comportamiento respecto de una función de una clase base existente. A esto se le llama reescribir (override) una función.

Reescritura de métodos

Figura 1.6. Reescritura de métodos


Para reescribir una función, simplemente hay que crear una nueva definición para esa función en la clase derivada. Está diciendo, «Estoy usando la misma función de interfaz aquí, pero quiero hacer algo diferente para mi nuevo tipo».

1.5.1. Relaciones es-un vs. es-como-un

Hay cierta controversia que puede ocurrir con la herencia: ¿la herencia debería limitarse a anular sólo funciones de la clase base (y no añadir nuevos métodos que no estén en la clase base)? Esto puede significar que el tipo derivado es exactamente el mismo tipo que la clase base dado que tiene exactamente la misma interfaz. Como resultado, se puede sustituir un objeto de una clase derivada por un objeto de la clase base. Se puede pensar como una sustitución pura, y se suele llamar principio de sustitución. En cierto modo, esta es la forma ideal de tratar la herencia. A menudo nos referimos a las relaciones entre la clase base y clases derivadas en este caso como una relación es-un, porque se dice «un círculo es una figura». Un modo de probar la herencia es determinar si se puede considerar la relación es-un sobre las clases y si tiene sentido.

Hay ocasiones en las que se deben añadir nuevos elementos a la interfaz de un tipo derivado, de esta manera se amplía la interfaz y se crea un tipo nuevo. El nuevo tipo todavía puede ser sustituido por el tipo base, pero la sustitución no es perfecta porque sus nuevas funciones no son accesibles desde el tipo base. Esta relación se conoce como es-como-un; el nuevo tipo tiene la interfaz del viejo tipo, pero también contiene otras funciones, por lo que se puede decir que es exactamente el mismo. Por ejemplo, considere un aire acondicionado. Suponga que su casa está conectada con todos los controles para refrigerar; es decir, tiene una interfaz que le permite controlar la temperatura. Imagine que el aire acondicionado se avería y lo reemplaza por una bomba de calor, la cual puede dar calor y frío. La bomba de calor es-como-un aire acondicionado, pero puede hacer más cosas. Como el sistema de control de su casa está diseñado sólo para controlar el frío, está rentringida a comunicarse sólo con la parte de frío del nuevo objeto. La interfaz del nuevo objeto se ha extendido, y el sistema existente no conoce nada excepto la interfaz original.

Relaciones

Figura 1.7. Relaciones


Por supuesto, una vez que vea este diseño queda claro que la clase base «sistema de frío» no es bastante general, y se debería renombrar a «sistema de control de temperatura», además también puede incluir calor, en este punto se aplica el principio de sustitución. Sin embargo, el diagrama de arriba es un ejemplo de lo que puede ocurrir en el diseño y en el mundo real.

Cuando se ve el principio de sustitución es fácil entender cómo este enfoque (sustitución pura) es la única forma de hacer las cosas, y de hecho es bueno para que sus diseños funcionen de esta forma. Pero verá que hay ocasiones en que está igualmente claro que se deben añadir nuevas funciones a la interfaz de la clase derivada. Con experiencia, ambos casos puede ser razonablemente obvios.

1.6. Objetos intercambiables gracias al polimorfismo

Cuando se manejan jerarquías de tipos, se suele tratar un objeto no como el tipo específico si no como su tipo base. Esto le permite escribir código que no depende de los tipos específicos. En el ejemplo de la figura, las funciones manipulan figuras genéricas sin preocuparse de si son círculos, cuadrados, triángulos, etc. Todas las figuras se pueden dibujar, borrar y mover, pero estas funciones simplemente envían un mensaje a un objeto figura, sin preocuparse de cómo se las arregla el objeto con cada mensaje.

Semejante código no está afectado por la adición de nuevos tipos, y añadir nuevos tipos es la forma más común de extender un programa orientado a objetos para tratar nuevas situaciones. Por ejemplo, puede derivar un nuevo subtipo de figura llamado pentágono sin modificar las funciones que tratan sólo con figuras genéricas. Esta habilidad para extender un programa fácilmente derivando nuevos subtipos es importante porque mejora enormemente los diseños al mismo tiempo que reduce el coste del mantenimiento del software.

Hay un problema, no obstante, con intentar tratar un tipo derivado como sus tipos base genéricos (círculos como figuras, bicicletas como vehículos, cormoranes como pájaros, etc). Si una función va a indicar a una figura genérica que se dibuje a sí misma, o a un vehículo genérico que se conduzca, o a un pájaro genérico que se mueva, el compilador en el momento de la compilación no sabe con precisión qué pieza del código será ejecutada. Este es el punto clave - cuando el mensaje se envía, el programador no quiere saber qué pieza de código será ejecutada; la función dibujar() se puede aplicar a un círculo, un cuadrado, o un triángulo, y el objeto ejecutará el código correcto dependiendo de tipo específico. Si no sabe qué pieza del código se ejecuta, ¿qué hace? Por ejemplo, en el siguiente diagrama el objeto ControladorDePájaro trabaja con los objetos genéricos Pájaro, y no sabe de qué tipo son exactamente. Esto es conveniente desde la perspectiva del ControladorDePájaro, porque no hay que escribir código especial para determinar el tipo exacto de Pájaro con el que está trabajando, o el comportamiento del Pájaro. Entonces, ¿qué hace que cuando se invoca mover() ignorando el tipo específico de Pájaro, puede ocurrir el comportamiento correcto (un Ganso corre, vuela, o nada, y un Pingüino corre o nada)?

Polimorfismo

Figura 1.8. Polimorfismo


La respuesta es el primer giro en programación orientada a objetos: el compilador no hace una llamada a la función en el sentido tradicional. La llamada a función generada por un compilador no-OO provoca lo que se llama una ligadura temprana (early binding), un término que quizá no haya oído antes porque nunca ha pensado en que hubiera ninguna otra forma. Significa que el compilador genera una llamada al nombre de la función específica, y el enlazador resuelve esta llamada con la dirección absoluta del código que se ejecutará. En POO, el programa no puede determinar la dirección del código hasta el momento de la ejecución, de modo que se necesita algún otro esquema cuando se envía un mensaje a un objeto genérico.

Para resolver el problema, los lenguajes orientados a objetos usan el concepto de ligadura tardía (late binding). Cuando envía un mensaje a un objeto, el código invocado no está determinado hasta el momento de la ejecución. El compilador se asegura de que la función existe y realiza una comprobación de tipo de los argumentos y el valor de retorno (el lenguaje que no realiza esta comprobación se dice que es débilmente tipado), pero no sabe el código exacto a ejecutar.

Para llevar a cabo la ligadura tardía, el compilador de C++ inserta un trozo especial de código en lugar de la llamada absoluta. Este código calcula la dirección del cuerpo de la función, usando información almacenada en el objeto (este proceso se trata con detalle en el Capítulo 15). De este modo, cualquier objeto se puede comportar de forma diferente de acuerdo con el contenido de este trozo especial de código. Cuando envía un mensaje a un objeto, el objeto comprende realmente qué hacer con el mensaje.

Es posible disponer de una función que tenga la flexibilidad de las propiedades de la ligadura tardía usando la palabra reservada virtual. No necesita entender el mecanismo de virtual para usarla, pero sin ella no puede hacer programación orientada a objetos en C++. En C++, debe recordar añadir la palabra reservada virtual porque, por defecto, los métodos no se enlazan dinámicamente. Los métodos virtuales le permiten expresar las diferencias de comportamiento en clases de la misma familia. Estas diferencias son las que causan comportamientos polimórficos.

Considere el ejemplo de la figura. El diagrama de la familia de clases (todas basadas en la misma interfaz uniforme) apareció antes en este capítulo. Para demostrar el polimorfismo, queremos escribir una única pieza de código que ignore los detalles específicos de tipo y hable sólo con la clase base. Este código está desacoplado de la información del tipo específico, y de esa manera es más simple de escribir y más fácil de entender. Y, si tiene un nuevo tipo - un Hexágono, por ejemplo - se añade a través de la herencia, el código que escriba funcionará igual de bien para el nuevo tipo de Figura como para los tipos anteriores. De esta manera, el programa es extensible.

Si escribe una función C++ (podrá aprender dentro de poco cómo hacerlo): 

void hacerTarea(Figura& f) {
    f.borrar();
    // ...
    f.dibujar();
}

Esta función se puede aplicar a cualquier Figura, de modo que es independiente del tipo específico del objeto que se dibuja y borra (el «&» significa «toma la dirección del objeto que se pasa a hacerTarea()», pero no es importante que entienda los detalles ahora). Si en alguna otra parte del programa usamos la función hacerTarea(): 

Circulo c;
Triangulo t;
Linea l;
hacerTarea(c);
hacerTarea(t);
hacerTarea(l);

Las llamadas a hacerTarea() funcionan bien automáticamente, a pesar del tipo concreto del objeto.

En efecto es un truco bonito y asombroso. Considere la línea: 

hacerTarea(c);

Lo que está ocurriendo aquí es que está pasando un Círculo a una función que espera una Figura. Como un Círculo es una Figura se puede tratar como tal por parte de hacerTarea(). Es decir, cualquier mensaje que pueda enviar hacerTarea() a una Figura, un Círculo puede aceptarlo. Por eso, es algo completamente lógico y seguro.

A este proceso de tratar un tipo derivado como si fuera su tipo base se le llama upcasting (moldeado hacia arriba[16]). El nombre cast (molde) se usa en el sentido de adaptar a un molde y es hacia arriba por la forma en que se dibujan los diagramas de clases para indicar la herencia, con el tipo base en la parte superior y las clases derivadas colgando debajo. De esta manera, moldear un tipo base es moverse hacia arriba por el diagrama de herencias: «upcasting»

Upcasting

Figura 1.9. Upcasting


Todo programa orientado a objetos tiene algún upcasting en alguna parte, porque así es como se despreocupa de tener que conocer el tipo exacto con el que está trabajando. Mire el código de hacerTarea(): 

f.borrar();
// ...
f.dibujar();

Observe que no dice «Si es un Círculo, haz esto, si es un Cuadrado, haz esto otro, etc.». Si escribe un tipo de código que comprueba todos los posibles tipos que una Figura puede tener realmente, resultará sucio y tendrá que cambiarlo cada vez que añada un nuevo tipo de Figura. Aquí, sólo dice «Eres una figura, sé que te puedes borrar() y dibujar() a ti misma, hazlo, y preocúpate de los detalles».

Lo impresionante del código en hacerTarea() es que, de alguna manera, funciona bien. Llamar a dibujar() para un Círculo ejecuta diferente código que cuando llama a dibujar() para un Cuadrado o una Línea, pero cuando se envía el mensaje dibujar() a un Figura anónima, la conducta correcta sucede en base en el tipo real de Figura. Esto es asombroso porque, como se mencionó anteriormente, cuando el compilador C++ está compilando el código para hacerTarea(), no sabe exactamente qué tipos está manipulando. Por eso normalmente, es de esperar que acabe invocando la versión de borrar() y dibujar() para Figura, y no para el Círculo, Cuadrado, o Línea específico. Y aún así ocurre del modo correcto a causa del polimorfismo. El compilador y el sistema se encargan de los detalles; todo lo que necesita saber es que esto ocurre y lo que es más importante, cómo utilizarlo en sus diseños. Si un método es virtual, entonces cuando envíe el mensaje a un objeto, el objeto hará lo correcto, incluso cuando esté involucrado el upcasting.

1.7. Creación y destrucción de objetos

Técnicamente, el dominio de la POO son los tipos abstractos de datos, la herencia y el polimorfismo, pero otros asuntos pueden ser al menos igual de importantes. Esta sección ofrece una visión general de esos asuntos.

Es especialmente importante la forma en que se crean y se destruyen los objetos. ¿Dónde está el dato para un objeto y cómo se controla la vida de este objeto? Diferentes lenguajes de programación usan distintas filosofías al respecto. C++ adopta el enfoque de que el control de eficiencia es la cuestión más importante, pero eso delega la elección al programador. Para una velocidad máxima de ejecución, el almacenamiento y la vida se determinan mientras el programa se escribe, colocando los objetos en la pila o en almacenamiento estático. La pila es un área de memoria usada directamente por el microprocesador para almacenar datos durante la ejecución del programa. A veces las variables de la pila se llaman variables automáticas o de ámbito (scoped). El área de almacenamiento estático es simplemente un parche fijo de memoria alojado antes de que el programa empiece a ejecutarse. Usar la pila o el área de almacenamiento estático fija una prioridad en la rapidez de asignación y liberación de memoria, que puede ser valioso en algunas situaciones. Sin embargo, se sacrifica flexibilidad porque se debe conocer la cantidad exacta, vida, y tipo de objetos mientras el programador escribe el programa. Si está intentando resolver un problema más general, como un diseño asistido por computadora, gestión de almacén, o control de tráfico aéreo, eso también es restrictivo.

El segundo enfoque es crear objetos dinámicamente en un espacio de memoria llamado montículo (heap). En este enfoque no se sabe hasta el momento de la ejecución cuántos objetos se necesitan, cuál será su ciclo de vida, o su tipo exacto. Estas decisiones se toman de improviso mientras el programa está en ejecución. Si necesita un nuevo objeto, simplemente creelo en el montículo cuando lo necesite, usando la palabra reservada new. Cuando ya no necesite ese espacio de almacenamiento, debe liberarlo usando la palabra reservada delete.

Como la memoria se administra dinámicamente en tiempo de ejecución, la cantidad de tiempo requerido para reservar espacio en el montículo es considerablemente mayor que el tiempo para manipular la pila (reservar espacio en la pila a menudo es una única instrucción del microprocesador para mover el puntero de la pila hacia abajo, y otro para moverlo de nuevo hacia arriba). El enfoque dinámico asume que los objetos tienden a ser complicados, por eso la sobrecarga extra de encontrar espacio para alojarlos y después liberarlos, no tiene un impacto importante en la creación de un objeto. Además, el aumento de flexibilidad es esencial para resolver problemas generales de programación.

Hay otra cuestión, sin embargo, y es el tiempo de vida de un objeto. Si crea un objeto en la pila o en espacio estático, el compilador determina cuánto tiempo dura el objeto y puede destruirlo automáticamente. Pero si lo crea en el montículo, el compilador no tiene conocimiento de su tiempo de vida. En C++, el programador debe determinar programáticamente cuándo destruir el objeto, y entonces llevar a cabo la destrucción usando la palabra reservada delete. Como alternativa, el entorno puede proporcionar una característica llamada recolector de basura (garbage collector) que automáticamente descubre qué objetos ya no se usan y los destruye. Naturalmente, escribir programas usando un recolector de basura es mucho más conveniente, pero requiere que todas las aplicaciones sean capaces de tolerar la existencia del recolector de basura y la sobrecarga que supone. Eso no encaja en los requisitos del diseño del lenguaje C++ por lo que no se incluye, aunque existen recolectores de basura para C++, creados por terceros.

1.8. Gestión de excepciones: tratamiento de errores

Desde los inicios de los lenguajes de programación, la gestión de errores ha sido uno de los asuntos más difíciles. Es tan complicado diseñar un buen esquema de gestión de errores, que muchos lenguajes simplemente lo ignoran, delegando el problema en los diseñadores de la librería, que lo resuelven a medias, de forma que puede funcionar en muchas situaciones, pero se pueden eludir, normalmente ignorándolos. El problema más importante de la mayoría de los esquemas de gestión de errores es que dependen de que el programador se preocupe en seguir un convenio que no está forzado por el lenguaje. Si los programadores no se preocupan, cosa que ocurre cuando se tiene prisa, esos esquemas se olvidan fácilmente.

La gestión de excepciones «conecta» la gestión de errores directamente en el lenguaje de programación y a veces incluso en el sistema operativo. Una excepción es un objeto que se «lanza» desde el lugar del error y puede ser «capturado» por un manejador de excepción apropiado diseñado para manipular este tipo particular de error. Es como si la gestión de errores fuera una ruta de ejecución diferente y paralela que se puede tomar cuando las cosas van mal. Y como usa un camino separado de ejecución, no necesita interferir con el código ejecutado normalmente. Eso hace que el código sea más simple de escribir ya que no se fuerza al programador a comprobar los errores constantemente. Además, una excepción no es lo mismo que un valor de error devuelto por una función o una bandera fijada por una función para indicar una condición de error, que se puede ignorar. Una excepción no se puede ignorar, de modo que está garantizado que habrá que tratarla en algún momento. Finalmente, las excepciones proporcionan una forma para recuperar una situación consistente. En lugar de salir simplemente del programa, a menudo es posible arreglar las cosas y restaurar la ejecución, lo que produce sistemas más robustos.

Merece la pena tener en cuenta que la gestión de excepciones no es una característica orientada a objetos, aunque en lenguajes orientados a objetos las excepciones normalmente se representan con objetos. La gestión de excepciones existía antes que los lenguajes orientados a objetos.

En este Volumen se usa y explica la gestión de excepciones sólo por encima; el Volúmen 2 (disponible en www.BruceEckel.com) cubre con más detalle la gestión de excepciones.

1.9. Análisis y diseño

El paradigma orientado a objetos es una nueva forma de pensar sobre programación y mucha gente tiene problemas la primera vez que escucha cómo se aborda un proyecto POO. Una vez que se sabe que, supuestamente, todo es un objeto, y cómo aprender a pensar al estilo orientado a objetos, puede empezar a crear «buenos» diseños que aprovechen las ventajas de todos los beneficios que ofrece la POO.

Un método (llamado a menudo metodología) es un conjunto de procesos y heurísticas usados para tratar la complejidad de un problema de programación. Desde el comienzo de la programación orientada a objetos se han formulado muchos métodos. Esta sección le dará una idea de cuál es el objetivo que se intenta conseguir cuando se usa una metodología.

Especialmente en POO, la metodología es un campo de muchos experimentos, así que antes de elegir un método, es importante que comprenda cuál es el problema que resuelve. Eso es particularmente cierto con C++, en el que el lenguaje de programación pretende reducir la complejidad (comparado con C) que implica expresar un programa. De hecho, puede aliviar la necesidad de metodologías aún más complejas. En cambio, otras más simples podrían ser suficientes en C++ para muchos tipos de problemas grandes que podría manejar usando metodologías simples con lenguajes procedurales.

También es importante darse cuenta de que el término «metodología» a menudo es demasiado grande y prometedor. A partir de ahora, cuando diseñe y escriba un programa estará usando una metodología. Puede ser su propia metodología, y puede no ser consciente, pero es un proceso por el que pasa cuando crea un programa. Si es un proceso efectivo, puede que sólo necesite un pequeño ajuste para que funcione con C++. Si no está satisfecho con su productividad y con el camino que sus programas han tomado, puede considerar adoptar un método formal, o elegir trozos de entre muchos métodos formales.

Mientras pasa por el proceso de desarrollo, el uso más importante es éste: no perderse. Eso es fácil de hacer. La mayoría de los análisis y métodos de diseño pretenden resolver los problemas más grandes. Recuerde que la mayoría de los proyectos no encajan en esta categoría, normalmente puede tener un análisis y diseño exitoso con un subconjunto relativamente pequeño de lo que recomienda el método [17] . Pero muchos tipos de procesos, sin importar lo limitados que sean, generalmente le ofrecerán un camino mucho mejor que simplemente empezar a codificar.

También es fácil quedarse estancado, caer en análisis-parálisis, donde sentirá que no puede avanzar porque en la plataforma que está usando no está especificado cada pequeño detalle. Recuerde, no importa cuánto análisis haga, hay algunas cosas sobre el sistema que no se revelan hasta el momento del diseño, y más cosas que no se revelarán hasta que esté codificando, o incluso hasta que el programa esté funcionando. Por eso, es crucial moverse bastante rápido durante del análisis y diseño, e implementar un test del sistema propuesto.

Este punto merece la pena enfatizarlo. Debido a nuestra experiencia con los lenguajes procedurales, es encomiable que un equipo quiera proceder con cuidado y entender cada pequeño detalle antes de pasar al diseño y a la implementación. Desde luego, cuando crea un SGBD (Sistema Gestor de Bases de Datos), conviene entender la necesidad de un cliente a fondo. Pero un SGBD está en una clase de problemas que son muy concretos y bien entendidos; en muchos programas semejantes, la estructura de la base de datos es el problema que debe afrontarse. El tipo de problema de programación tratado en este capítulo es de la variedad «comodín» (con mis palabras), en el que la solución no es simplemente adaptar una solución bien conocida, en cambio involucra uno o más «factores comodín» -elementos para los que no hay solución previa bien entendida, y para los que es necesario investigar [18] . Intentar analizar minuciosamente un problema comodín antes de pasar al diseño y la implementación provoca un análisis-parálisis porque no se tiene suficiente información para resolver este tipo de problema durante la fase de análisis. Resolver estos problemas requiere interacción a través del ciclo completo, y eso requiere comportamientos arriesgados (lo cual tiene sentido, porque está intentando hacer algo nuevo y los beneficios potenciales son mayores). Puede parecer que el riesgo está compuesto por «prisas» en una implementación preliminar, pero en cambio puede reducir el riesgo en un proyecto comodín porque está descubriendo pronto si es viable un enfoque particular para el problema. El desarrollo del producto es gestión de riesgos.

A menudo se propone que «construya uno desechable». Con la POO, todavía debe andar parte de este camino, pero debido a que el código está encapsulado en clases, durante la primera iteración inevitablemente producirá algunos diseños de clases útiles y desarrollará algunas ideas válidas sobre el diseño del sistema que no necesariamente son desechables. De esta manera, la primera pasada rápida al problema no produce sólo información crítica para la siguiente iteración de análisis, diseño, e implementación, sino que además crea el código base para esa iteración.

Es decir, si está buscando una metodología que contenga detalles tremendos y sugiera muchos pasos y documentos, es aún más difícil saber cuándo parar. Tenga presente lo que está intentando encontrar:

  1. ¿Cuáles son los objetos? (¿Cómo divide su proyecto en sus partes componentes?)

  2. ¿Cuáles son sus interfaces? (¿Qué mensajes necesita enviar a otros objetos?)

Si sólo cuenta con los objetos y sus interfaces, entonces puede escribir un programa. Por varias razones podría necesitar más descripciones y documentos, pero no puede hacerlo con menos.

El proceso se puede realizar en cinco fases, y una fase 0 que es simplemente el compromiso inicial de usar algún tipo de estructura.

1.9.1. Fase 0: Hacer un plan

Primero debe decidir qué pasos va a dar en su proceso. Parece fácil (de hecho, todo esto parece fácil) y sin embargo la gente a menudo no toma esta decisión antes de ponerse a programar. Si su plan es «ponerse directamente a programar», de acuerdo (a veces es adecuado cuando es un problema bien conocido). Al menos estará de acuerdo en que eso es el plan.

También debe decidir en esta fase si necesita alguna estructura de proceso adicional, pero no las nueve yardas completas. Bastante comprensible, algunos programadores prefieren trabajar en «modo vacaciones» en cuyo caso no se impone ninguna estructura en el proceso de desarrollo de su trabajo; «Se hará cuando se haga». Eso puede resultar atractivo durante un tiempo, pero se ha descubierto que tener unos pocos hitos a lo largo del camino ayuda a enfocar e impulsar sus esfuerzos en torno a esos hitos en lugar de empezar a atascarse con el único objetivo de «finalizar el proyecto». Además, divide el proyecto en piezas más pequeñas y hace que dé menos miedo (y además los hitos ofrecen más oportunidades para celebraciones).

Cuando empecé a estudiar la estructura de la historia (por eso algún día escribiré una novela) inicialmente me resistía a la idea de una estructura, sentía que cuando escribía simplemente permitía que fluyera en la página. Pero más tarde me di cuenta de que cuando escribo sobre computadoras la estructura es bastante clara, pero no pienso mucho sobre ello. Pero aún así estructuro mi trabajo, aunque sólo semi-inconscientemente en mi cabeza. Si aún piensa que su plan es sólo ponerse a codificar, de algún modo, usted pasará por las posteriores fases mientras pregunta y responde ciertas cuestiones.

Declaración de objetivos

Cualquier sistema construido, no importa cuan complicado sea, tiene un propósito fundamental, el negocio que hay en él, la necesidad básica que satisface. Si puede ver la interfaz de usuario, el hardware o los detalles específicos del sistema, los algoritmos de codificación y los problemas de eficiencia, finalmente encontrará el núcleo de su existencia, simple y sencillo. Como el así llamado concepto de alto nivel de una película de Hollywood, puede describirlo en una o dos frases. Esta descripción pura es el punto de partida.

El concepto de alto nivel es bastante importante porque le da el tono a su proyecto; es una declaración de principios. No tiene porqué conseguirlo necesariamente la primera vez (podría tener que llegar a una fase posterior del proyecto antes de tenerlo completamente claro), pero siga intentándolo hasta que lo consiga. Por ejemplo, en un sistema de control de tráfico aéreo puede empezar con un concepto de alto nivel centrado en el sistema que está construyendo: «El programa de la torre sigue la pista a los aviones». Pero considere qué ocurre cuando adapta el sistema para un pequeño aeropuerto; quizá sólo haya un controlador humano o ninguno. Un modelo más útil no se preocupará de la solución que está creando tanto como la descripción del problema: «Llega un avión, descarga, se revisa y recarga, y se marcha».

1.9.2. Fase 1: ¿Qué estamos haciendo?

En la generación previa de diseño de programas (llamado diseño procedural), esto se llamaba «crear el análisis de requisitos y especificación del sistema». Éstos, por supuesto, eran lugares donde perderse; documentos con nombres intimidantes que podrían llegar a ser grandes proyectos en sí mismos. Sin embargo, su intención era buena. El análisis de requisitos dice: «Haga una lista de las directrices que usará para saber cuándo ha hecho su trabajo y el cliente estará satisfecho». La especificación del sistema dice: «Hay una descripción de lo que hará el programa (no cómo) por satisfacer los requisitos». El análisis de requisitos es realmente un contrato entre usted y el cliente (incluso si el cliente trabaja dentro de su compañía o es algún otro objeto o sistema). Las especificaciones del sistema son una exploración de alto nivel del problema y en algún sentido un descubrimiento de si se puede hacer y cuánto se tardará. Dado que ambos requerirán consenso entre la gente (y porque suelen cambiar todo el tiempo), creo que es mejor mantenerlos todo lo escueto posible -en el mejor de los casos, listas y diagramas básicos- para ahorrar tiempo. Podría tener otras restricciones que le exijan ampliarla en documentos más grandes, pero manteniendo el documento inicial pequeño y conciso, puede crearse en algunas sesiones de tormentas de ideas de grupo con un líder que cree la descripción dinámicamente. Esto no sólo solicita participación de todos, también fomenta aprobación inicial y llegar a acuerdos entre todos. Quizá lo más importante sea empezar el proyecto con mucho entusiasmo.

Es necesario no perder de vista lo que está intentando conseguir en esta fase: determinar el sistema que se supone que quiere hacer. La herramienta más valiosa para eso es una colección de los llamados «casos de uso». Los casos de uso identifican características clave en el sistema que pueden revelar algunas de las clases fundamentales que se usarán. En esencia son respuestas descriptivas a preguntas como: [19]:

  1. «¿Quién usará el sistema?»

  2. «¿Qué pueden hacer estos actores con el sistema?»

  3. «¿Cómo puede este actor hacer eso con este sistema?»

  4. «¿Cómo podría alguien más hacer este trabajo si alguien más estuviera haciéndolo, o si el mismo actor tuviera un objetivo diferente?» (para revelar variaciones).

  5. «¿Qué problemas podrían ocurrir mientras hace esto con el sistema?» (para revelar excepciones).

Si está diseñando un cajero automático, por ejemplo, el caso de uso para un aspecto particular de la funcionalidad del sistema es poder describir qué hace el contestador automático en todas las situaciones posibles. Cada una de esas «situaciones» se denomina escenario, y se puede considerar que un caso de uso es una colección de escenarios. Puede pensar en un escenario como una pregunta que comienza con: «¿Qué hace el sistema si...?» Por ejemplo, «¿Qué hace el cajero automático si un cliente ingresa un cheque dentro de las 24 horas y no hay suficiente en la cuenta para proporcionar la nota para satisfacer el cargo?»

Los diagramas de caso de uso son intencionadamente simples para impedir que se atasque con los detalles de implementación del sistema demasiado pronto:

Diagramas de casos de uso

Figura 1.10. Diagramas de casos de uso


Cada monigote representa un «actor», que típicamente es un humano o algún otro tipo de agente libre. (Incluso puede ser otro sistema de computación, como es el caso del «ATM»). La caja representa el límite del sistema. Las elipses representan los casos de uso, los cuales son descripciones de trabajo válido que se puede llevar a cabo con el sistema. Las líneas entre los actores y los casos de uso representan las interacciones.

No importa cómo está implementado realmente el sistema, mientras se lo parezca al usuario.

Un caso de uso no necesita ser terriblemente complejo, incluso si el sistema subyacente es complejo. Lo único que se persigue es mostrar el sistema tal como aparece ante el usuario. Por ejemplo:

Un ejemplo de caso de uso

Figura 1.11. Un ejemplo de caso de uso


Los casos de uso producen las especificaciones de requisitos determinando todas las interacciones que el usuario puede tener con el sistema. Intente descubrir una serie completa de casos de uso para su sistema, y una vez que lo haya hecho tendrá lo esencial sobre lo que se supone que hace su sistema. Lo bueno de centrarse en casos de uso es que siempre le lleva de vuelta a lo esencial y le mantiene alejado de los asuntos no críticos para conseguir terminar el trabajo. Es decir, si tiene una serie completa de casos de uso puede describir su sistema y pasar a la siguiente fase. Probablemente no lo hará todo perfectamente en el primer intento, pero no pasa nada. Todo le será revelado en su momento, y si pide una especificación del sistema perfecta en este punto se atascará.

Si se ha atascado, puede reactivar esta fase usando una herramienta tosca de aproximación: describir el sistema en pocos párrafos y después buscar sustantivos y verbos. Los nombres pueden sugerir actores, contexto del caso de uso (ej. «lobby»), o artefactos manipulados en el caso de uso. Los verbos pueden sugerir interacción entre actores y casos de uso, y pasos específicos dentro del caso de uso. Además descubrirá que nombres y verbos producen objetos y mensajes durante la fase de diseño (y observe que los casos de uso describen interacciones entre subsistemas, así que la técnica «nombre y verbo» sólo se puede usar como una herramienta de lluvia de ideas puesto que no genera casos de uso) [20].

El límite entre un caso de uso y un actor puede mostrar la existencia de una interfaz de usuario, pero no la define. Si le interesa el proceso de definición y creación de interfaces de usuario, vea Software for Use de Larry Constantine y Lucy Lockwood, (Addison Wesley Longman, 1999) o vaya a www.ForUse.com.

Aunque es un arte oscuro, en este punto es importante hacer algún tipo de estimación de tiempo básica. Ahora tiene una visión general de qué está construyendo así que probablemente será capaz de tener alguna idea de cuánto tiempo llevará. Aquí entran en juego muchos factores. Si hace una estimación a largo plazo entonces la compañía puede decidir no construirlo (y usar sus recursos en algo más razonable -eso es bueno). O un gerente puede tener ya decidido cuánto puede durar un proyecto e intentar influir en su estimación. Pero es mejor tener una estimación honesta desde el principio y afrontar pronto las decisiones difíciles. Ha habido un montón de intentos de crear técnicas de estimación precisas (como técnicas para predecir la bolsa), pero probablemente la mejor aproximación es confiar en su experiencia e intuición. Utilice su instinto para predecir cuánto tiempo llevará tenerlo terminado, entonces multiplique por dos y añada un 10%. Su instinto visceral probablemente sea correcto; puede conseguir algo contando con este tiempo. El «doble» le permitirá convertirlo en algo decente, y el 10% es para tratar los refinamientos y detalles finales [21]. Sin embargo, usted quiere explicarlo, y a pesar de quejas y manipulaciones que ocurren cuando publique la estimación, parece que esta regla funciona.

1.9.3. Fase 2: ¿Cómo podemos construirlo?

En esta fase debe aparecer un diseño que describa qué clases hay y cómo interactúan. Una técnica excelente para determinar clases es la tarjeta Clase-Responsabilidad-Colaboración (Class-Responsibility-Collaboration) o CRC. Parte del valor de esta herramienta es que es baja-tecnología: empieza con una colección de 3 a 5 tarjeta en blanco, y se escribe sobre ellas. Cada tarjeta representa una única clase, y en ella se escribe:

  1. El nombre de la clase. Es importante que el nombre refleje la esencia de lo que hace la clase, así todo tiene sentido con un simple vistazo.

  2. Las «responsabilidades» de la clase: qué debe hacer. Típicamente se puede resumir por la misma declaración de las funciones miembro o métodos (ya que esos nombres pueden ser descritos en un buen diseño), pero no descarte otras notas. Si necesita hacer una selección previa, mire el problema desde un punto de vista de programador perezoso: ¿Qué objetos quiere que aparezcan por arte de magia para resolver su problema?

  3. Las «colaboraciones» de la clase: ¿qué otras clases interactúan con ésta? «Interacción» es un término amplio a propósito; puede significar agregación o simplemente que algún otro objeto que lleva a cabo servicios para un objeto de la clase. Las colaboraciones deberían considerar también la audiencia para esta clase. Por ejemplo, si crea una clase Petardo, ¿quién va a observarlo, un Químico o un Espectador? El primero puede querer saber qué componentes químicos se han usado en su construcción, y el último responderá a los colores y figuras que aparezcan cuando explote.

Puede creer que las fichas pueden ser más grandes por toda la información que pondrá en ellas, pero son pequeñas a propósito, no sólo para que las clases se mantengan pequeñas también para evitar tener que manejar demasiados detalles demasiado pronto. Si no puede apuntar todo lo que necesita saber sobre una clase en una ficha pequeña, la clase es demasiado compleja (a está poniendo demasiados detalles, o debería crear más de una clase). La clase ideal se entiende con un vistazo. La idea de las fichas CRC es ayudarle a realizar un acercamiento con un primer corte del diseño y que pueda obtener una visión global y después refinar su diseño.

Uno de los mayores beneficios de las tarjetas CRC es la comunicación. Se hace mejor en tiempo-real, en grupo, sin computadores. Cada persona es responsable de varias clases (que al principio no tienen nombres ni otra información). Haga una simulación en vivo resolviendo un escenario cada vez, decidiendo qué mensajes envía a varios objetos para satisfacer las necesidades de cada escenario. Al pasar por este proceso, descubrirá las clases que necesita con sus responsabilidades y colaboraciones, rellene las tarjetas del mismo modo. Cuando haya pasado por todos los casos de uso, debería disponer de un primer corte bastante completo su diseño.

Antes de empezar a usar fichas CRC, las mayoría de las experiencias de consultoría exitosas las tuve cuando me enfrentaba con un diseño inicial complicado estando al frente de un equipo, que no había construido un proyecto POO antes, y dibujando objetos en un pizarra blanca. Hablábamos sobre cómo los objetos deberían comunicarse unos con otros, y borrábamos algunos de ellos para reemplazarlos por otros objetos. Efectivamente, yo gestionaba todas las«tarjetas CRC» en la pizarra. Realmente, el equipo (que conocía lo que el proyecto se suponía tenía que hacer) creó el diseño; ellos «poseían» el diseño en lugar de tener que dárselo. Todo lo que yo hacía era guiar el proceso haciendo las preguntas correctas, poniendo a prueba los suposiciones, y llevando la retroalimentación del equipo para modificar esas suposiciones. La verdadera belleza del proceso era que el equipo aprendía cómo hacer diseños orientado a objetos no revisando ejemplos abstractos, sino trabajando sobre un diseño que era más interesante para ellos en ese momento: los suyos.

Una vez que tenga con una serie de tarjetas CRC, quizá quiera crear una descripción más formal de su diseño usando UML [22]. No necesita usar UML, pero puede servirle de ayuda, especialmente si quiere poner un diagrama en la pared para que todo el mundo lo tenga en cuenta, lo cual es una buena idea. Una alternativa a UML es una descripción textual de los objetos y sus interfaces, o, dependiendo de su lenguaje de programación, el propio código [23].

UML también proporciona una notación de diagramas adicional para describir el modelo dinámico de su sistema. Eso es útil en situaciones en las que las transiciones de estado de un sistema o subsistema son bastante más dominantes de lo que necesitan sus propios diagramas (como en un sistema de control). También puede necesitar describir las estructuras de datos, para sistemas o subsistemas en los que los propios datos son un factor dominante (como una base de datos).

Sabrá qué está haciendo con la fase 2 cuando haya descrito los objetos y sus interfaces. Bien, en muchos de ellos hay algunos que no se pueden conocer hasta la fase 3. Pero está bien. Todo lo que le preocupa es que eventualmente descubra todo sobre sus objetos. Es bueno descubrirlos pronto pero la POO proporciona suficiente estructura de modo que no es grave si los descubre más tarde. De hecho, el diseño de un objeto suele ocurrir en cinco etapas, durante todo el proceso de desarrollo del programa.

Las cinco etapas del diseño de objetos

La vida del diseño de un objeto no se limita a la escritura del programa. En cambio, el diseño de un objeto ocurre en una secuencia de etapas. Es útil tener esta perspectiva porque no debería esperar alcanzar la perfección enseguida; en lugar de eso, se dará cuenta que entender lo que hace un objeto y a qué se debería que ocurre con el tiempo. Esta vista también se aplica al diseño de varios tipos de programas; el patrón para un tipo particular de programas surge a fuerza de pelearse una y otra vez con ese problema (los Patrones de Diseño se desarrollan en el Volumen 2). Los objetos, también, tienen sus patrones que surgen del entendimiento, uso y reutilización.

  1. Descubrimiento de objetos. Esta etapa ocurre durante el análisis inicial de un programa. Los objetos pueden descubrirse viendo los factores externos y los límites, duplicación de elementos en el sistema, y las unidades conceptuales más pequeñas. Algunos objetos son obvios si se dispone de un conjunto de librerías de clases. Las partes comunes entre clases pueden sugerir clases base y herencia que pueden aparecer pronto, o más tarde en el proceso de diseño.

  2. Montaje de objetos. Si está construyendo un objeto descubrirá la necesidad de nuevos miembros que no aparecen durante la fase de descubrimiento. Las necesidades internas del objeto pueden requerir otras clases que le den soporte.

  3. Construcción del sistema. Una vez más, pueden aparecer más requisitos para un objeto a lo largo de esta etapa. Conforme aprende, evoluciona sus objetos. La necesidad de comunicación e interconexión con otros objetos en el sistema puede cambiar las necesidades de sus clases o requerir clases nuevas. Por ejemplo, puede descubrir la necesidad de clases utilería o ayudantes (helper), como una lista enlazada, que contienen o no una pequeña información de estado y que simplemente ayudan a la función de otras clases.

  4. Extensión del sistema. Cuando añada nuevas características a un sistema puede descubrir que su diseño previo no soportaba extensiones sencillas del sistema. Con esta nueva información, puede reestructurar partes del sistema, posiblemente añadiendo nuevas clases o jerarquía de clases.

  5. Reutilización de objetos. Esta es la verdadera prueba de estrés para una clase. Si alguien intenta reutilizarla en una situación completamente nueva, probablemente descubrirá algunos defectos. Si cambia una clase para adaptarla a nuevos programas, los principios generales de la clase se verán más claros, hasta que consiga un tipo verdaderamente reutilizable. Sin embargo, no espere que muchos objetos del diseño de un sistema sean reutilizables -es perfectamente aceptable que la mayor parte de los objetos sean específicos para el sistema. Los tipos reutilizables tienden a ser menos comunes, y deben resolver problemas más generales para ser reutilizables.

Directrices para desarrollo de objetos

Estas etapas sugieren algunas directrices cuando se piensa sobre el desarrollo de clases:

  1. Permita que un problema específico dé lugar a una clase, después deje que la clase crezca y madure durante la solución de otros problemas.

  2. Recuerde, descubrir las clases que necesita (y sus interfaces) supone la mayor parte del diseño del sistema. Si ya tenía esas clases, será un proyecto fácil.

  3. No se esfuerce por saber todo desde el principio; aprenda conforme avanza. Ocurrirá así de todos modos.

  4. Comience a programar; consiga tener algo funcionando para poder aprobar o desaprobar su diseño. No tenga miedo a que acabe haciendo código procedural espagueti -las clases dividen el problema y ayudan a controlar la anarquía y la entropía. Las clases malas no estropean las buenas.

  5. Manténgalo simple. Pequeños objetos claros con utilidades obvias son mejores que grandes interfaces complicadas. Cuando aparezcan los puntos de decisión, aplique el principio de la Navaja de Occam: Considere las alternativas y elija la más simple, porque las clases simples casi siempre son mejores. Empiece con clases pequeñas y sencillas, y podrá ampliar la interfaz cuando la entienda mejor, pero cuando esto ocurra, será difícil eliminar elementos de la clase.

1.9.4. Fase 3: Construir el núcleo

Esta es la conversión inicial desde el diseño rudo al cuerpo del código compilable y ejecutable que se puede probar, y que aprobará y desaprobará su arquitectura. No es un proceso en un solo paso, más bien es el principio de una serie de pasos que iterativamente construirán el sistema, como verá en la fase 4.

Su objetivo es encontrar el núcleo de la arquitectura de su sistema que hay que implementar para generar un sistema funcional, sin importar lo incompleto que esté el sistema en la pasada inicial. Está creando una estructura que se puede construir con más iteraciones. También está llevando a cabo la primera de muchas integraciones del sistema y pruebas, y dando a los clientes realimentación sobre cómo serán y cómo progresan sus sistemas. Idealmente, también expone algunos de los riesgos críticos. Probablemente descubrirá cambios y mejoras que se pueden hacer en la arquitectura original - cosas que podría no haber aprendido sin implementar el sistema.

Parte de la construcción del sistema es la dosis de realidad que se obtiene al probar su análisis de requisitos y su especificación del sistema (existe de cualquier forma). Asegúrese de que sus pruebas verifican los requisitos y los casos de uso. Cuando el núcleo de su sistema sea estable, estará preparado para progresar y añadir más funcionalidad.

1.9.5. Fase 4: Iterar los casos de uso

Una vez que la estructura del núcleo está funcionando, cada conjunto de características que añade es un pequeño proyecto en sí mismo. Añada una colección de características durante cada iteración, un periodo razonablemente corto de desarrollo.

¿Cómo de grande es una iteración? Idealmente, cada iteración dura unas tres semanas (puede cambiar dependiendo del lenguaje de implementación). Al final de ese periodo, tendrá un sistema probado e integrado con más funcionalidades de las que tenía antes. Pero lo que es particularmente interesante son las bases de la iteración: un único caso de uso. Cada caso de uso es un paquete de funcionalidades relacionadas que se puede construir en su sistema de una vez, a lo largo de una iteración. No sólo le da una mejor idea de qué alcance debería tener, también le da más valor a la idea un caso de uso, ya que el concepto no se descarta después del análisis y diseño, sino que es una unidad fundamental de desarrollo durante el proceso de construcción de software.

Se deja de iterar cuando se consigue la funcionalidad deseada o se acaba el plazo impuesto y el cliente está satisfecho con la versión actual. (Recuerde, el software es una subscripción de negocios). Como el proceso es iterativo, tiene muchas oportunidades para enviar un producto en lugar de un simple punto final; los proyectos de software libre trabajan exclusivamente en un entorno iterativo con alta realimentación, que es precisamente la clave de su éxito.

Un proceso de desarrollo iterativo es valioso por muchas razones. Puede mostrar y resolver pronto riesgos críticos, los clientes tienen abundantes oportunidades de cambiar sus opiniones, la satisfacción del programador es más alta, y el proyecto puede dirigirse con más precisión. Pero un beneficio adicional importante es la realimentación para los clientes, los cuales pueden ver en el estado actual del producto exactamente donde se encuentra todo. Esto puede reducir o eliminar la necesidad de abrumadoras reuniones de control y aumentar la confianza y el apoyo de los clientes.

1.9.6. Fase 5: Evolución

Este es el punto en el ciclo de desarrollo que se conoce tradicionalmente como «mantenimiento», un término amplio que puede significar de todo, desde «conseguir que funcione como se supone que debió hacerlo desde el principio» hasta «añadir características que el cliente olvidó mencionar» pasando por el tradicional «arreglar errores que han ido apareciendo» y «añadir nuevas características según se presentan las necesidades». Se han aplicado algunas ideas equivocadas al término «mantenimiento» que se ha tomado en calidad de pequeño engaño, en parte porque sugiere que realmente ha construido un programa primitivo y todo lo que necesita hacer es cambiar partes, engrasarlo, e impedir que se oxide. Quizá haya un término mejor para describir esa tarea.

Yo usaré el término evolución [24]. Es decir, «no podrá hacerlo bien la primera vez, pero le dará la oportunidad de aprender y volver atrás y hacer cambios». Puede que necesite hacer muchos cambios hasta que aprenda y entienda el problema con mayor profundidad. La elegancia que obtendrá si evoluciona hasta hacerlo bien valdrá la pena, tanto a corto como a largo plazo. La evolución es donde su programa pasa de bueno a fenomenal, y donde estos usos, que realmente no entiende en un primer momento, pasan a ser más claros después. Es también donde sus clases pueden evolucionar de un uso de único-proyecto a recursos reutilizables.

«Hacerlo bien» no significa sólo que el programa funcione según los requisitos y los casos de uso. Significa que la estructura interna del código tiene sentido, y parece que encaja bien, sin sintaxis difícil, objetos sobredimensionados, o pedazos de código desgarbados. Además, debe tener la sensación de que la estructura del programa sobrevivirá a los cambios que inevitablemente habrá durante su ciclo de vida, y estos cambios pueden hacerse fácil y limpiamente. No es una tarea sencilla. No sólo debe entender lo que está construyendo, sino también cómo evolucionará el programa (lo que yo llamo el vector de cambio [25]. Afortunadamente, los lenguajes de programación orientados a objetos son particularmente adecuados para dar soporte a este tipo de modificaciones continuas - los límites creados por los objetos son los que tienden a conservar la estructura frente a roturas. También le permiten hacer cambios - algunos pueden parecer drásticos en un programa procedural - sin causar terremotos en todo su código. En realidad, el soporte para la evolución puede que sea el beneficio más importante de la POO.

Con la evolución, el programador crea algo que al menos se aproxima a lo que piensa que está construyendo, y luego busca defectos, lo compara con sus requisitos y ve lo que falta. Entonces puede volver y arreglarlo rediseñando y re-implementando las porciones del programa que no funcionen bien [26]. Realmente puede necesitar resolver el problema, o un aspecto del mismo, varias veces antes de dar con la solución correcta. (Un estudio de los Patrones de Diseño, descrito en el Volumen 2, normalmente resulta útil aquí).

La evolución también ocurre cuando construye un sistema, ve que encaja con sus requisitos, y entonces descubre que no era realmente lo que buscaba. Cuando ve el sistema en funcionamiento, descubre que realmente quería resolver era problema diferente. Si piensa que este tipo de evolución le va a ocurrir, entonces debe construir su primera versión lo más rápidamente posible para que pueda darse cuenta de si es eso lo que quiere.

Quizás lo más importante a recordar es que por defecto -por definición, realmente- si modifica una clase entonces su superclase -y subclases- seguirán funcionando. Necesita perder el miedo a los cambios (especialmente si tiene un conjunto predefinido de pruebas unitarias para verificar la validez de sus cambios). La modificación no romperá necesariamente el programa, y ningún cambio en el resultado estará limitado a las subclases y/o colaboradores específicos de la clase que cambie.

1.9.7. Los planes valen la pena

Por supuesto, no construiría una casa sin un montón de planos cuidadosamente dibujados. Si construye un piso o una casa para el perro, sus planos no serán muy elaborados pero probablemente empezará con algún tipo de esbozo para guiarle en su camino. El desarrollo de software ha llegado a extremos. Durante mucho tiempo, la gente tenía poca estructura en sus desarrollos, pero entonces grandes proyectos empezaron a fracasar. Como resultado, se acabó utilizando metodologías que tenían una cantidad abrumadora de estructura y detalle, se intentó principalmente para esos grandes proyectos. Estas metodologías eran muy complicadas de usar - la sensación era que se estaba perdiendo todo el tiempo escribiendo documentos y no programando (a menudo era así). Espero haberle mostrado aquí sugerencias a medio camino - una escala proporcional. Usar una propuesta que se ajusta a sus necesidades (y a su personalidad). No importa lo pequeño que desee hacerlo, cualquier tipo de plan supondrá una gran mejora en su proyecto respecto a no planear nada. Recuerde que, según la mayoría de las estimaciones, alrededor del 50% de proyectos fracasan (¡algunas estimaciones superan el 70%!).

Seguir un plan - preferiblemente uno simple y breve - y esbozar la estructura del diseño antes de empezar a codificar, descubrirá qué cosas caen juntas más fácilmente que si se lanza a programar, y también alcanzará un mayor grado de satisfacción. Mi experiencia me dice que llegar a una solución elegante es profundamente satisfactorio en un nivel completamente diferente; parece más arte que tecnología. Y la elegancia siempre vale la pena; no es una búsqueda frívola. No sólo le permite tener un programa fácil de construir y depurar, también es más fácil de comprender y mantener, y ahí es donde recae su valor económico.

1.10. Programación Extrema

He estudiado técnicas de análisis y diseño, por activa y por pasiva, desde mis estudios universitarios. El concepto de Programación Extrema (XP) es el más radical y encantador que he visto nunca. Puede encontrar una crónica sobre el tema en Extreme Programming Explained de Kent Beck (Addison-Wesley 2000) y en la web www.xprogramming.com

XP es una filosofía sobre el trabajo de programación y también un conjunto de directrices para hacerlo. Alguna de estas directrices se reflejan en otras metodologías recientes, pero las dos contribuciones más importantes y destacables, en mi opinión, son «escribir primero las pruebas» y la «programación en parejas». Aunque defiende con fuerza el proceso completo, Benk señala que si adopta únicamente estas dos prácticas mejorará sensiblemente su productividad y fiabilidad.

1.10.1. Escriba primero las pruebas

El proceso de prueba se ha relegado tradicionalmente a la parte final del proyecto, después de que «consiga tener todo funcionando, pero necesite estar seguro». Implícitamente ha tenido una prioridad baja, y la gente que se especializa en ello nunca ha tenido estatus y suele trabajar en el sótano, lejos de los «programadores reales». Los equipos de pruebas han respondido al estereotipo, vistiendo trajes negros y hablando con regocijo siempre que encontraban algo (para ser honesto, yo tenía esa misma sensación cuando encontraba fallos en los compiladores de C++).

XP revoluciona completamente el concepto del proceso de prueba dándole la misma (o incluso mayor) prioridad que al código. De hecho, se escriben las pruebas antes de escribir el código que está probando, y las pruebas permanecen con el código siempre. Las pruebas se deben ejecutar con éxito cada vez que hace una integración del proyecto (algo que ocurre a menudo, a veces más de una vez al día).

Escribir primero las pruebas tiene dos efectos extremadamente importantes.

Primero, fuerza una definición clara de la interfaz de la clase. A menudo sugiero que la gente «imagine la clase perfecta para resolver un problema particular» como una herramienta cuando intenta diseñar el sistema. La estrategia del proceso de prueba de XP va más lejos que eso - especifica exactamente cual es el aspecto de la clase, para el consumidor de esa clase, y exactamente cómo debe comportarse la clase. En ciertos términos. Puede escribir toda la prosa, o crear todos los diagramas donde quiera describir cómo debe comportarse una clase y qué aspecto debe tener, pero nada es tan real como un conjunto de pruebas. Lo primero es una lista de deseos, pero las pruebas son un contrato forzado por el compilador y el programa. Es difícil imaginar una descripción más concreta de una clase que las pruebas.

Mientras se crean las pruebas, el programador está completamente forzado a elaborar la clase y a menudo descubrirá necesidades de funcionalidad que habrían sido omitidas durante los experimentos de diagramas UML, tarjetas CRC, casos de uso, etc.

El segundo efecto importante de escribir las pruebas primero procede de la propia ejecución de las pruebas cada vez que hace una construcción del software. Esta actividad le ofrece la otra mitad del proceso de prueba que es efectuado por el compilador. Si mira la evolución de los lenguajes de programación desde esta perspectiva, verá que las mejoras reales en la tecnología giran realmente alrededor del proceso de prueba. El lenguaje ensamblador sólo se fija en la sintaxis, pero C impone algunas restricciones de semántica, y éstas le impiden cometer ciertos tipos de errores. Los lenguajes POO imponen incluso más restricciones semánticas, si lo piensa son realmente formas del proceso de prueba. «¿Se utiliza apropiadamente este tipo de datos? ¿Se invoca esta función del modo correcto?» son el tipo de pruebas que se llevan a cabo por el compilador en tiempo de ejecución del sistema. Se han visto los resultados de tener estas pruebas incorporadas en el lenguaje: la gente ha sido capaz de escribir sistemas más complejos, y han funcionado, con mucho menos tiempo y esfuerzo. He tratado de comprender porqué ocurre eso, pero ahora me doy cuenta de que son las pruebas: el programador hace algo mal, y la red de seguridad de las pruebas incorporadas le dice que hay un problema y le indica dónde.

Pero las pruebas incorporadas que proporciona el diseño del lenguaje no pueden ir más lejos. En este punto, el programador debe intervenir y añadir el resto de las pruebas que producen un juego completo (en cooperación con el compilador y el tiempo de ejecución del sistema) que verifica el programa completo. Y, del mismo modo que tiene un compilador vigilando por encima de su hombro, ¿no querría que estas pruebas le ayudaran desde el principio? Por eso se escriben primero, y se ejecutan automáticamente con cada construcción del sistema. Sus pruebas se convierten en una extensión de la red de seguridad proporcionada por el lenguaje.

Una de las cosas que he descubierto sobre el uso de lenguajes de programación cada vez más poderosos es que estoy dispuesto a probar experimentos más descarados, porque sé que el lenguaje me ahorra la pérdida de tiempo que supone estar persiguiendo errores. El esquema de pruebas de XP hace lo mismo para el proyecto completo. Como el programador conoce sus pruebas siempre cazará cualquier problema que introduzca (y regularmente se añadirán nuevas pruebas), puede hacer grandes cambios cuando lo necesite sin preocuparse de causar un completo desastre. Eso es increíblemente poderoso.

1.10.2. Programación en parejas

Programar en parejas va en contra del duro individualismo en el que hemos sido adoctrinados desde el principio, a través de la facultad (donde triunfábamos o fracasábamos por nosotros mismos, y trabajar con nuestros vecinos se consideraba «engañoso») y los medios de comunicación, especialmente las películas de Hollywood donde el héroe normalmente lucha contra la estúpida conformidad [27]. Los programadores también se consideran dechados de individualismo -«cowboy coders» como le gusta decir a Larry Constantine. XP, que es en si mismo una batalla contra el pensamiento convencional, dice que el código debería ser escrito por dos personas por estación de trabajo. Y eso se puede hacer en una área con un grupo de estaciones de trabajo, sin las barreras a las que la gente de diseño de infraestructuras tiene tanto cariño. De hecho, Beck dice que la primera tarea de pasarse a XP es llegar con destornilladores y llaves Allen y desmontar todas esas barreras [28]. (Esto requerirá un director que pueda afrontar la ira del departamento de infraestructuras).

El valor de la programación en parejas está en que mientras una persona escribe el código la otra está pensando. El pensador mantiene un visión global en su cabeza, no sólo la imagen del problema concreto, también las pautas de XP. Si dos personas están trabajando, es menos probable que uno de ellos acabe diciendo, «No quiero escribir las pruebas primero», por ejemplo. Y si el programador se atasca, pueden cambiar los papeles. Si ambos se atascan, sus pensamientos pueden ser escuchados por otro en el área de trabajo que puede contribuir. Trabajar en parejas mantiene las cosas en movimiento y sobre la pista. Y probablemente más importante, hace que la programación sea mucho más social y divertida.

He empezado a usar programación en parejas durante los periodos de ejercicio en algunos de mis seminarios y parece mejorar considerablemente la experiencia de todo el mundo.

1.11. Porqué triunfa C++

Parte de la razón por la que C++ ha tenido tanto éxito es que la meta no era precisamente convertir C en un lenguaje de POO (aunque comenzó de ese modo), sino también resolver muchos otros problemas orientados a los desarrolladores de hoy en día, especialmente aquellos que tienen grandes inversiones en C. Tradicionalmente, los lenguajes de POO han sufrido de la postura de que debería abandonar todo lo que sabe y empezar desde cero, con un nuevo conjunto de conceptos y una nueva sintaxis, argumentando que es mejor a largo plazo todo el viejo equipaje que viene con los lenguajes procedurales. Puede ser cierto, a largo plazo. Pero a corto plazo, mucho de este equipaje era valioso. Los elementos más valiosos podían no estar en el código base existente (el cual, con las herramientas adecuadas, se podría traducir), sino en el conocimiento adquirido. Si usted es un programador C y tiene que tirar todo lo que sabe sobre C para adoptar un nuevo lenguaje, inmediatamente será mucho menos productivo durante muchos meses, hasta que su mente su ajuste al nuevo paradigma. Mientras que si puede apoyarse en su conocimiento actual de C y ampliarlo, puede continuar siendo productivo con lo que realmente sabe mientras se pasa al mundo de la programación orientada a objetos. Como todo el mundo tiene su propio modelo mental de la programación, este cambio es lo suficientemente turbio sin el gasto añadido de volver a empezar con un nuevo modelo de lenguaje. Por eso, la razón del éxito de C++, en dos palabras: es económico. Sigue costando cambiarse a la POO, pero con C++ puede costar menos [29].

La meta de C++ es mejorar la productividad. Ésta viene por muchos caminos, pero el lenguaje está diseñado para ayudarle todo lo posible, y al mismo tiempo dificultarle lo menos posible con reglas arbitrarias o algún requisito que use un conjunto particular de características. C++ está diseñado para ser práctico; las decisiones de diseño del lenguaje C++ estaban basadas en proveer los beneficios máximos al programador (por lo menos, desde la visión del mundo de C).

1.11.1. Un C mejor

Se obtiene una mejora incluso si continúa escribiendo código C porque C++ ha cerrado muchos agujeros en el lenguaje C y ofrece mejor control de tipos y análisis en tiempo de compilación. Está obligado a declarar funciones de modo que el compilador pueda controlar su uso. La necesidad del preprocesador ha sido prácticamente eliminada para sustitución de valores y macros, que eliminan muchas dificultades para encontrar errores. C++ tiene una característica llamada referencias que permite un manejo más conveniente de direcciones para argumentos de funciones y retorno de valores. El manejo de nombres se mejora a través de una característica llamada sobrecarga de funciones, que le permite usar el mismo nombre para diferentes funciones. Una característica llamada namespaces (espacios de nombres) también mejora la seguridad respecto a C.

1.11.2. Usted ya está en la curva de aprendizaje

El problema con el aprendizaje de un nuevo lenguaje es la productividad. Ninguna empresa puede permitirse de repente perder un ingeniero de software productivo porque está aprendiendo un nuevo lenguaje. C++ es una extensión de C, no una nueva sintaxis completa y un modelo de programación. Le permite continuar creando código útil, usando las características gradualmente según las va aprendiendo y entendiendo. Puede que ésta sea una de las razones más importantes del éxito de C++.

Además, todo su código C es todavía viable en C++, pero como el compilador de C++ es más delicado, a menudo encontrará errores ocultos de C cuando recompile su código con C++.

1.11.3. Eficiencia

A veces es apropiado intercambiar velocidad de ejecución por productividad de programación. Un modelo económico, por ejemplo, puede ser útil sólo por un periodo corto de tiempo, pero es más importante crear el modelo rápidamente. No obstante, la mayoría de las aplicaciones requieren algún grado de eficiencia, de modo que C++ siempre yerra en la parte de mayor eficiencia. Como los programadores de C tienden a ser muy concienzudos con la eficiencia, ésta es también una forma de asegurar que no podrán argumentar que el lenguaje es demasiado pesado y lento. Algunas características en C++ intentan facilitar el afinado del rendimiento cuando el código generado no es lo suficientemente eficiente.

No sólo se puede conseguir el mismo bajo nivel de C (y la capacidad de escribir directamente lenguaje ensamblador dentro de un programa C++), además la experiencia práctica sugiere que la velocidad para un programa C++ orientado a objetos tiende a ser ±10% de un programa escrito en C, y a menudo mucho menos [30]. El diseño producido por un programa POO puede ser realmente más eficiente que el homólogo en C.

1.11.4. Los sistemas son más fáciles de expresar y entender

Las clases diseñadas para encajar en el problema tienden a expresarlo mejor. Esto significa que cuando escribe el código, está describiendo su solución en los términos del espacio del problema («ponga el FIXME:plástico en el cubo») mejor que en los términos de la computadora, que están en el espacio de la solución («active el bit para cerrar el relé »). Usted maneja conceptos de alto nivel y puede hacer mucho más con una única línea de código.

El otro beneficio de esta facilidad de expresión es el mantenimiento, que (si informa se puede creer) implica una enorme parte del coste del tiempo de vida del programa. Si un programa es más fácil de entender, entonces es más fácil de mantener. También puede reducir el coste de crear y mantener la documentación.

1.11.5. Aprovechamiento máximo con librerías

El camino más rápido para crear un programa es usar código que ya está escrito: una librería. Un objetivo primordial de C++ es hacer más sencillo el uso de las librerías. Esto se consigue viendo las librerías como nuevos tipos de datos (clases), así que crear librerías significa añadir nuevos tipos al lenguaje. Como el compilador C++ se preocupa del modo en que se usa la librería - garantizando una inicialización y limpieza apropiadas, y asegurando que las funciones se llamen apropiadamente - puede centrarse en lo que hace la librería, no en cómo tiene que hacerlo.

Como los nombres están jerarquizados según las partes de su programa por medio de los espacios de nombres de C++, puede usar tantas librerías como quiera sin los conflictos de nombres típicos de C.

1.11.6. Reutilización de código fuente con plantillas

Hay una categoría significativa de tipos que requiere modificaciones del código fuente para lograr una reutilización efectiva. Las plantillas de C++ llevan a cabo la modificación del código fuente automáticamente, convirtiéndola en una herramienta especialmente potente para la reutilización del código de las librerías. Si se diseña un tipo usando plantillas funcionará fácilmente con muchos otros tipos. Las plantillas son especialmente interesantes porque ocultan al programador cliente la complejidad de esta forma de reutilizar código.

1.11.7. Manejo de errores

La gestión de errores en C es un problema muy conocido, y a menudo ignorado - cruzando los dedos. Si está construyendo un programa complejo y grande, no hay nada peor que tener un error enterrado en cualquier lugar sin la menor idea de cómo llegó allí. La gestión de excepciones de C++ (introducida en este volumen, y explicada en detalle en el Volumen 2, que se puede descargar de www.BruceEckel.com) es un camino para garantizar que se notifica un error y que ocurre algo como consecuencia.

1.11.8. Programar a lo grande

Muchos lenguajes tradicionales tienen limitaciones propias para hacer programas grandes y complejos. BASIC, por ejemplo, puede valer para solucionar ciertas clases de problemas rápidamente, pero si el programa tiene más de unas cuantas páginas o se sale del dominio de problemas de ese lenguaje, es como intentar nadar a través de un fluido cada vez más viscoso. C también tiene estas limitaciones. Por ejemplo, cuando un programa tiene más de 50.000 líneas de código, los conflictos de nombres empiezan a ser un problema - efectivamente, se queda sin nombres de funciones o variables. Otro problema particularmente malo son los pequeños agujeros en el lenguaje C - errores enterrados en un programa grande que pueden ser extremadamente difíciles de encontrar.

No hay una línea clara que diga cuando un lenguaje está fallando, y si la hubiese, debería ignorarla. No diga: «Mi programa BASIC se ha hecho demasiado grande; ¡lo tendré que reescribir en C!» En su lugar, intente calzar unas cuantas líneas más para añadirle una nueva característica. De ese modo, el coste extra lo decide usted.

C++ está diseñado para ayudarle a programar a lo grande, es decir, eliminar las diferencias de complejidad entre un programa pequeño y uno grande. Ciertamente no necesita usar POO, plantillas, espacios de nombres ni manejadores de excepciones cuando esté escribiendo un programa tipo «hola mundo», pero estas prestaciones están ahí para cuando las necesite. Y el compilador es agresivo en la detección de errores tanto para programas pequeños como grandes.

1.12. Estrategias de transición

Si acepta la POO, su próxima pregunta seguramente será: «¿cómo puedo hacer que mi jefe, mis colegas, mi departamento, mis compañeros empiecen a utilizar objetos?» Piense sobre cómo usted -un programador independiente- puede ir aprendiendo a usar un nuevo lenguaje y un nuevo paradigma de programación. Ya lo ha hecho antes. Primero viene la educación y los ejemplos; entonces llega un proyecto de prueba que le permita manejar los conceptos básicos sin que se vuelva demasiado confuso. Después llega un proyecto del «mundo real» que realmente hace algo útil. Durante todos sus primeros proyectos continúa su educación leyendo, preguntando a expertos, e intercambiando consejos con amigos. Este es el acercamiento que sugieren muchos programadores experimentados para el cambio de C a C++. Por supuesto, cambiar una compañía entera introduce ciertas dinámicas de grupo, pero puede ayudar en cada paso recordar cómo lo haría una persona.

1.12.1. Directrices

Aquí hay algunas pautas a considerar cuando se hace la transición a POO y C++:

Entrenamiento

El primer paso es algún tipo de estudio. Recuerde la inversión que la compañía tiene en código C, e intente no tenerlo todo desorganizado durante seis o nueve meses mientras todo el mundo alucina con la herencia múltiple. Elija un pequeño grupo para formarlo, preferiblemente uno compuesto de gente que sea curiosa, trabaje bien junta, y pueda funcionar como su propia red de soporte mientras están aprendiendo C++.

Un enfoque alternativo que se sugiere a veces es la enseñanza a todos los niveles de la compañía a la vez, incluir una visión general de los cursos para gerentes estratégicos es tan bueno como cursos de diseño y programación para trabajadores de proyectos. Es especialmente bueno para compañías más pequeñas al hacer cambios fundamentales en la forma en la que se hacen cosas, o en la división de niveles en compañías más grandes. Como el coste es mayor, sin embargo, se puede cambiar algo al empezar con entrenamiento de nivel de proyecto, hacer un proyecto piloto (posiblemente con un mentor externo), y dejar que el equipo de trabajo se convierta en los profesores del resto de la compañía.

Proyectos de bajo riesgo

Pruebe primero con un proyecto de bajo riesgo que permita errores. Una vez que adquiera alguna experiencia, puede acometer cualquier otro proyecto con miembros del primer equipo o usar los miembros del equipo como una plantilla de soporte técnico de POO. Este primer proyecto puede que no funcione bien la primera vez, pero no debería ser una tarea crítica para la compañía. Debería ser simple, auto-contenido, e instructivo; eso significa que suele implicar la creación de clases que serán significativas para otros programadores en la compañía cuando les llegue el turno de aprender C++.

Modelar desde el éxito

Buscar ejemplos de un buen diseño orientado a objetos antes de partir de cero. Hay una gran probabilidad de que alguien ya haya resuelto su problema, y si ellos no lo han resuelto probablemente puede aplicar lo que ha aprendido sobre abstracción para modificar un diseño existente y adecuarlo a sus necesidades. Este es el concepto general de los patrones de diseño, tratado en el Volumen 2.

Use librerías de clases existentes

La primera motivación económica para cambiar a POO es el fácil uso de código existente en forma de librerías de clases (en particular, las librerías Estándar de C++, explicadas en profundidad en el Volumen 2 de este libro). El ciclo de desarrollo de aplicación más corto ocurrirá cuando sólo tenga que escribir la función main(), creando y usando objetos de las librerías de fábrica. No obstante, algunos programadores nuevos no lo entienden, no son conscientes de la existencia de librerías de clases, o, a través de la fascinación con el lenguaje, desean escribir clases que ya existen. Su éxito con POO y C++ se optimizará si hace un esfuerzo por buscar y reutilizar código de otras personas desde el principio del proceso de transición.

No reescriba en C++ código que ya existe

Aunque compilar su código C con un compilador de C++ normalmente produce (de vez en cuando tremendos) beneficios encontrando problemas en el viejo código, normalmente coger código funcional existente y reescribirlo en C++ no es la mejor manera de aprovechar su tiempo. (Si tiene que convertirlo en objetos, puede «envolver» el código C en clases C++). Hay beneficios incrementales, especialmente si es importante reutilizar el código. Pero esos cambios no le van a mostrar los espectaculares incrementos en productividad que espera para sus primeros proyectos a menos que ese proyecto sea nuevo. C++ y la POO destacan más cuando un proyecto pasa del concepto a la realidad.

1.12.2. Obstáculos de la gestión

Si es gerente, su trabajo es adquirir recursos para su equipo, para superar las barreras en el camino del éxito de su equipo, y en general para intentar proporcionar el entorno más productivo y agradable de modo que sea más probable que su equipo realice esos milagros que se le piden siempre. Cambiar a C++ cae en tres de estas categorías, y puede ser maravilloso si no le costara nada. Aunque cambiar a C++ puede ser más económico - dependiendo de sus restricciones [31] - como las alternativas de la POO para un equipo de programadores de C (y probablemente para programadores en otros lenguajes procedurales), no es gratis, y hay obstáculos que debería conocer antes de intentar comunicar el cambio a C++ dentro de su compañía y embarcarse en el cambio usted mismo.

Costes iniciales

El coste del cambio a C++ es más que solamente la adquisición de compiladores C++ (el compilador GNU de C++, uno de los mejores, es libre y gratuito). Sus costes a medio y largo plazo se minimizarán si invierte en formación (y posiblemente un mentor para su primer proyecto) y también si identifica y compra librerías de clases que resuelvan su problema más que intentar construir las librerías usted mismo. Hay costes que se deben proponer en un proyecto realista. Además, están los costes ocultos en pérdidas de productividad mientras se aprende el nuevo lenguaje y posiblemente un nuevo entorno de programación. Formar y orientar puede minimizar ese efecto, pero los miembros del equipo deben superar sus propios problemas para entender la nueva tecnología. A lo largo del proceso ellos cometerán más errores (esto es una ventaja, porque los errores reconocidos son el modo más rápido para aprender) y ser menos productivos. Incluso entonces, con algunos tipos de problemas de programación, las clases correctas y el entorno de programación adecuado, es posible ser más productivo mientras se está aprendiendo C++ (incluso considerando que está cometiendo más errores y escribiendo menos líneas de código por día) que si estuviera usando C.

Cuestiones de rendimiento

Una pregunta común es, «¿La POO no hace automáticamente mis programas mucho más grandes y lentos?» La respuesta es: «depende». Los lenguajes de POO más tradicionales se diseñaron con experimentación y prototipado rápido más que pensando en la eficiencia. De esta manera, prácticamente garantiza un incremento significativo en tamaño y una disminución en velocidad. C++ sin ambargo, está diseñado teniendo presente la producción de programación. Cuando su objetivo es un prototipado rápido, puede lanzar componentes juntos tan rápido como sea posible ignorando las cuestiones de eficiencia. Si está usando una librerías de otros, normalmente ya están optimizadas por sus vendedores; en cualquier caso no es un problema mientras está en un modo de desarrollo rápido. Cuando tenga el sistema que quiere, si es bastante pequeño y rápido, entonces ya está hecho. Si no, lo puede afinar con una herramienta de perfilado, mire primero las mejoras que puede conseguir aplicando las características que incorpora C++. Si esto no le ayuda, mire las modificaciones que se pueden hacer en la implementación subyacente de modo que no sea necesario cambiar ningún código que utilice una clase particular. Únicamente si ninguna otra cosa soluciona el problema necesitará cambiar el diseño. El hecho de que el rendimiento sea tan crítico en esta fase del diseño es un indicador de que debe ser parte del criterio del diseño principal. FIXME:Usar un desarrollo rápido tiene la ventaja de darse cuenta rápidamente.

Como se mencionó anteriormente, el número dado con más frecuencia para la diferencia en tamaño y velocidad entre C y C++ es 10%, y a menudo menor. Incluso podría conseguir una mejora significativa en tamaño y velocidad cuando usa C++ más que con C porque el diseño que hace para C++ puede ser bastante diferente respecto al que hizo para C.

La evidencia entre las comparaciones de tamaño y velocidad entre C y C++ tienden a ser anecdóticas y es probable que permanezcan así. A pesar de la cantidad de personas que sugiere que una compañía intenta el mismo proyecto usando C y C++, probablemente ninguna compañía quiere perder dinero en el camino a no ser que sea muy grande y esté interesada en tales proyectos de investigación. Incluso entonces, parece que el dinero se puede gastar mejor. Casi universalmente, los programadores que se han cambiado de C (o cualquier otro lenguaje procedural) a C++ (o cualquier otro lenguaje de POO) han tenido la experiencia personal de una gran mejora en su productividad de programación, y es el argumento más convincente que pueda encontrar.

Errores comunes de diseño

Cuando su equipo empieza con la POO y C++, típicamente los programadores pasan por una serie de errores de diseño comunes. Esto ocurre a menudo porque hay poca realimentación de expertos durante el diseño e implementación de los proyectos iniciales, porque ningún experto ha sido desarrollador dentro de la compañía y puede haber resistencia a contratar consultores. Es fácil pensar que se entiende la POO demasiado pronto en el ciclo y se va por el mal camino. Algo que es obvio para alguien experimentado con el lenguaje puede ser un tema de gran debate interno para un novato. La mayor parte de este trauma se puede olvidar usando un experto externo para enseñar y tutorizar.

Por otro lado, el hecho de que estos errores de diseño son fáciles de cometer, apunta al principal inconveniente de C++: su compatibilidad con C (por supuesto, también es su principal fortaleza). Para llevar a cabo la hazaña de ser capaz de compilar código C, el lenguaje debe cumplir algunos compromisos, lo que ha dado lugar a algunos «rincones oscuros». Esto es una realidad, y comprende gran parte de la curva de aprendizaje del lenguaje. En este libro y en el volumen posterior (y en otros libros; ver el Apéndice C), intento mostrar la mayoría de los obstáculos que probablemente encontrará cuando trabaje con C++. Debería ser consciente siempre de que hay algunos agujeros en la red de seguridad.

1.13. Resumen

Este capítulo intenta darle sentido a los extensos usos de la programación orientada a objetos y C++, incluyendo el porqué de que la POO sea diferente, y porqué C++ en particular es diferente, conceptos de metodología de POO, y finalmente los tipos de cuestiones que encontrará cuando cambie su propia compañía a POO y C++.

La POO y C++ pueden no ser para todos. Es importante evaluar sus necesidades y decidir si C++ satisfará de forma óptima sus necesidades, o si podría ser mejor con otros sistemas de programación (incluido el que utiliza actualmente). Si sabe que sus necesidades serán muy especializadas en un futuro inmediato y tiene restricciones específicas que no se pueden satisfacer con C++, entonces debe investigar otras alternativas [32]. Incluso si finalmente elige C++ como su lenguaje, por lo menos entenderá qué opciones había y tendrá una visión clara de porqué tomó esa dirección.

El lector conoce el aspecto de un programa procedural: definiciones de datos y llamadas a funciones. Para encontrar el significado de un programa tiene que trabajar un poco, revisando las llamadas a función y los conceptos de bajo nivel para crear un modelo en su mente. Esta es la razón por la que necesitamos representaciones intermedias cuando diseñamos programas procedurales - por eso mismo, estos programas tienden a ser confusos porque los términos de expresión están orientados más hacia la computadora que a resolver el problema.

Como C++ añade muchos conceptos nuevos al lenguaje C, puede que su asunción natural sea que el main() en un programa de C++ será mucho más complicado que el equivalente del programa en C. En eso, quedará gratamente sorprendido: un programa C++ bien escrito es generalmente mucho más simple y mucho más sencillo de entender que el programa equivalente en C. Lo que verá son las definiciones de los objetos que representan conceptos en el espacio de su problema (en lugar de cuestiones de la representación en el computador) y mensajes enviados a otros objetos para representar las actividades en este espacio. Ese es uno de los placeres de la programación orientada a objetos, con un programa bien diseñado, es fácil entender el código leyéndolo. Normalmente hay mucho menos código, en parte, porque muchos de sus problemas se resolverán utilizando código de librerías existentes.


[11] Ver Multiparadigm Programming in Leda de Timothy Budd (Addison-Wesley 1995).

[12] Puede encontrar una implementación interesante de este problema en el Volumen 2 de este libro, disponible en www.BruceEckel.com

[13] Hay quien hace una distinción, afirmando que type determina la interfaz mientras class es una implementación particular de esta interfaz.

[14] Agradezco este término a mi amigo Scott Meyers.

[15] Normalmente esto es suficiente para la mayoría de los diagramas y no necesita especificar si está usando agregación o composición.

[16] N. de T: En el libro se utilizará el término original en inglés debido a su uso común, incluso en la literatura en castellano.

[17] Un ejemplo excelente es UML Distilled, de Martin Fowler (Addison-Wesley 2000), que reduce el, a menudo, insoportable proceso UML a un subconjunto manejable.

[18] Mi regla general para el cálculo de semejantes proyectos: Si hay más de un comodín, no intente planear cuánto tiempo le llevará o cuánto costará hasta que haya creado un prototipo funcional. También hay muchos grados de libertad.

[19] Gracias a James H Jarrett por su ayuda.

[20] Puede encontar más información sobre casos de uso en Applying Use Cases de Schneider & Winters (Addison-Wesley 1998) y Use Case Driven Object Modeling with UML de Rosenberg (Addison-Wesley 1999).

[21] Últimamente mi idea respeto a esto ha cambiado. Doblar y añadir un 10% puede darle una estimación bastante acertada (asumiendo que no hay demasiados factores comodín), pero debe trabajar con bastante diligencia para acabar a tiempo. Si realmente quiere tiempo para hacerlo de forma elegante y estar orgulloso del proceso, el multiplicador correcto es más bien tres o cuatro veces, creo yo.

[22] Para novatos, recomiendo el mencionado UML Distilled.

[23] Python (www.python.org) suele utilizarse como «pseudocódigo ejecutable».

[24] Por lo menos un aspecto de evolución se explica en el libro Refactoring: improving the design of existing code (Addison-Wesley 1999) de Martin Fowler. Tenga presente que este libro usa exlusivamente ejemplos en Java.

[25] Este término se explica en el capítulo Los patrones de diseño en el Volumen 2

[26] Esto es algo como «prototipado rápido», donde se propone construir un borrador de la versión rápida y sucia que se puede utilizar para aprender sobre el sistema, y entonces puede tirar su prototipo y construir el bueno. El problema con el prototipado rápido es que la gente no tiró el prototipo, y construyó sobre él. Combinado con la falta de estructura en la programación procedural, esto producía a menudo sistemas desordenados que eran difíciles de mantener.

[27] Aunque esto puede ser una perspectiva americana, las historias de Hollywood llegan a todas partes.

[28] Incluyendo (especialmente) el sistema PA. Una vez trabajé en una compañía que insistía en anunciar públicamente cada llamada de teléfono que llegaba a los ejecutivos, y constantemente interrumpía nuestra productividad (pero los directores no concebían el agobio como un servicio importante de PA). Finalmente, cuando nadie miraba empecé a cortar los cables de los altavoces.

[29] Dije «puede» porque, debido a la complejidad de C++, realmente podría ser más económico cambiarse a Java. Pero la decisión de qué lenguaje elegir tiene muchos factores, y en este libro asumiré que el lector ha elegido C++.

[30] Sin embargo, mire en las columnas de Dan Saks en C/C++ User's Journal sobre algunas investigaciones importantes sobre el rendimiento de librerías C++.

[31] Para mejora de la productividad, debería considerar también el lenguaje Java.

[32] En particular, recomiendo mirar Java http://java.sun.com y Python http://www.python.org.

2: Construir y usar objetos

Tabla de contenidos

2.1. El proceso de traducción del lenguaje
2.2. Herramientas para compilación modular
2.3. Su primer programa en C++
2.4. Más sobre iostreams
2.5. Introdución a las cadenas
2.6. Lectura y escritura de ficheros
2.7. Introducción a los vectores
2.8. Resumen
2.9. Ejercicios

Este capítulo presenta la suficiente sintaxis y los conceptos de construcción de programas de C++ como para permitirle crear y ejecutar algunos programas simples orientados a objetos. El siguiente capítulo cubre la sintaxis básica de C y C++ en detalle.

Leyendo primero este capítulo, le cogerá el gustillo a lo que supone programar con objetos en C++, y también descubrirá algunas de las razones por las que hay tanto entusiasmo alrededor de este lenguaje. Debería ser suficiente para pasar al Capítulo 3, que puede ser un poco agotador debido a que contiene la mayoría de los detalles del lenguaje C.

Los tipos de datos definidos por el usuario, o clases es lo que diferencia a C++ de los lenguajes procedimentales tradicionales. Una clase es un nuevo tipo de datos que usted o alguna otra persona crea para resolver un problema particular. Una vez que se ha creado una clase, cualquiera puede utilizarla sin conocer los detalles de su funcionamiento, o incluso de la forma en que se han construído. Este capítulo trata las clases como si sólo fueran otro tipo de datos predefinido disponible para su uso en programas.

Las clases creadas por terceras personas se suelen empaquetar en librerías. Este capítulo usa algunas de las librerías que vienen en todas las implementaciones de C++. Una librería especialmente importante es FIXME:iostreams, que le permite (entre otras cosas) leer desde ficheros o teclado, y escribir a ficheros o pantalla. También verá la clase string, que es muy práctica, y el contenedor vector de la Libreria Estándar de C++. Al final del capítulo, verá lo sencillo que resulta utilizar una librería de clases predefinida.

Para que pueda crear su primer programa debe conocer primero las herramientas utilizadas para construir aplicaciones.

2.1. El proceso de traducción del lenguaje

Todos los lenguajes de programación se traducen de algo que suele ser fácilmente entendible por una persona (código fuente) a algo que es ejecutado por una computadora (código máquina). Los traductores se dividen tradicionalmente en dos categorías: intérpretes y compiladores.

2.1.1. Intérpretes

Un intérprete traduce el código fuente en actividades (las cuales pueden comprender grupos de instrucciones máquina) y ejecuta inmediatamente estas actividades. El BASIC, por ejemplo, fue un lenguaje interpretado bastante popular. Los intérpretes de BASIC tradicionales traducen y ejecutan una línea cada vez, y después olvidan la línea traducida. Esto los hace lentos debido a que deben volver a traducir cualquier código que se repita. BASIC también ha sido compilado para ganar en velocidad. La mayoría de los intérpretes modernos, como los de Python, traducen el programa entero en un lenguaje intermedio que es ejecutable por un intérprete mucho más rápido [33].

Los intérpretes tienen muchas ventajas. La transición del código escrito al código ejecutable es casi inmediata, y el código fuente está siempre disponible, por lo que el intérprete puede ser mucho más específico cuando ocurre un error. Los beneficios que se suelen mencionar de los intérpretes es la facilidad de interacción y el rápido desarrollo (pero no necesariamente ejecución) de los programas.

Los lenguajes interpretados a menudo tienen severas limitaciones cuando se construyen grandes proyectos (Python parece ser una excepción). El intérprete (o una versión reducida) debe estar siempre en memoria para ejecutar el código e incluso el intérprete más rápido puede introducir restricciones de velocidad inaceptables. La mayoría de los intérpretes requieren que todo el código fuente se les envíe de una sola vez. Esto no sólo introduce limitaciones de espacio, sino que puede causar errores difíciles de detectar si el lenguaje no incluye facilidades para localizar el efecto de las diferentes porciones de código.

2.1.2. Compiladores

Un compilador traduce el código fuente directamente a lenguaje ensamblador o instrucciones máquina. El producto final suele ser uno o varios ficheros que contienen código máquina. La forma de realizarlo suele ser un proceso que consta de varios pasos. La transición del código escrito al código ejecutable es significativamente más larga con un compilador.

Dependiendo de la perspicacia del escritor del compilador, los programas generados por un compilador tienden a requerir mucho menos espacio para ser ejecutados, y se ejecutan mucho más rápido. Aunque el tamaño y la velocidad son probablemente las razones más citadas para usar un compilador, en muchas situaciones no son las más importantes. Algunos lenguajes (como el C) están diseñados para admitir trozos de programas compilados independientemente. Estas partes terminan combinando en un programa ejecutable final mediante una herramienta llamada enlazador (linker). Este proceso se conoce como compilación separada.

La compilación separada tiene muchos beneficios. Un programa que, tomado de una vez, excedería los límites del compilador o del entorno de compilación puede ser compilado por piezas. Los programas se pueden ser construir y probar pieza a pieza. Una vez que una parte funciona, se puede guardar y tratarse como un bloque. Los conjuntos de piezas ya funcionales y probadas se pueden combinar en librerías para que otros programadores puedan usarlos. Como se crean piezas, la complejidad de las otras piezas se mantiene oculta. Todas estas características ayudan a la creación de programas grandes, [34].

Las características de depuración del compilador han mejorado considerablemente con el tiempo. Los primeros compiladores simplemente generaban código máquina, y el programador insertaba sentencias de impresión para ver qué estaba ocurriendo, lo que no siempre era efectivo. Los compiladores modernos pueden insertar información sobre el código fuente en el programa ejecutable. Esta información se usa por poderosos depuradores a nivel de código que muestran exactamente lo que pasa en un programa rastreando su progreso mediante su código fuente.

Algunos compiladores solucionan el problema de la velocidad de compilación mediante compilación en memoria. La mayoría de los compiladores trabajan con ficheros, leyéndolos y escribiéndolos en cada paso de los procesos de compilación. En la compilación en memoria el compilador se mantiene en RAM. Para programas pequeños, puede parecerse a un intérprete.

2.1.3. El proceso de compilación

Para programar en C y en C++, es necesario entender los pasos y las herramientas del proceso de compilación. Algunos lenguajes (C y C++, en particular) empiezan la compilación ejecutando un preprocesador sobre el código fuente. El preprocesador es un programa simple que sustituye patrones que se encuentran en el código fuente con otros que ha definido el programador (usando las directivas de preprocesado). Las directivas de preprocesado se utilizan para ahorrar escritura y para aumentar la legilibilidad del código (posteriormente en este libro, aprenderá cómo el diseño de C++ desaconseja en gran medida el uso del preprocesador, ya que puede causar errores sutiles). El código preprocesado se suele escribir en un fichero intermedio.

Normalmente, los compiladores hacen su trabajo en dos pasadas. La primera pasada consiste en analizar sintácticamente el código generado por el preprocesador. El compilador trocea el código fuente en pequeñas partes y lo organiza en una estructura llamada árbol. En la expresión FIXME:«A+B», los elementos «A», «+», «B» son hojas del árbol.

A menudo se utiliza un optimizador global entre el primer y el segundo paso para producir código más pequeño y rápido.

En la segunda pasada, el generador de código recorre el árbol sintáctico y genera lenguaje ensamblador o código máquina para los nodos del árbol. Si el generador de código crea lenguaje ensamblador, entonces se debe ejecutar el programa ensamblador. El resultado final en ambos casos es un módulo objeto (un fichero que típicamente tiene una extensión de .o o .obj. A veces se utiliza un optimizador de mirilla en esta segunda pasada para buscar trozos de código que contengan sentencias redundantes de lenguaje ensamblador.

Usar la palabra «objeto» para describir pedazos de código máquina es un hecho desafortunado. La palabra comenzó a usarse antes de que la programación orientada a objetos tuviera un uso generalizado. «Objeto» significa lo mismo que «FIXME:meta» en este contexto, mientras que en la programación orientada a objetos significa «una cosa con límites».

El enlazador combina una lista de módulos objeto en un programa ejecutable que el sistema operativo puede cargar y ejecutar. Cuando una función en un módulo objeto hace una referencia a una función o variable en otro módulo objeto, el enlazador resuelve estas referencias; se asegura de que todas las funciones y los datos externos solicitados durante el proceso de compilación existen realmente. Además, el enlazador añade un módulo objeto especial para realizar las actividades de inicialización.

El enlazador puede buscar en unos archivos especiales llamados librerías para resolver todas sus referencias. Una librería contiene una colección de módulos objeto en un único fichero. Una librería se crea y mantiene por un programa conocido como bibliotecario (librarian).

Comprobación estática de tipos

El compilador realiza una comprobación de tipos durante la primera pasada. La comprobación de tipos asegura el correcto uso de los argumentos en las funciones y previene muchos tipos de errores de programación. Como esta comprobación de tipos ocurre se hace la compilación y no cuando el programa se está ejecutado, se conoce como comprobación estática de tipos.

Algunos lenguajes orientados a objetos (Java por ejemplo) realizan comprobaciones en tiempo de ejecución (comprobación dinámica de tipos). Si se combina con la estática, la comprobación dinámica es más potente que sólo la estática. Sin embargo, añade una sobrecarga a la ejecución del programa.

C++ usa la comprobación estática de tipos debido a que el lenguaje no puede asumir ningún soporte particular durante la ejecución. La comprobación estática de tipos notifica al programador malos usos de los tipos durante la compilación, y así maximiza la velocidad de ejecución. A medida que aprenda C++, comprobará que la mayoría de las decisiones de diseño del lenguaje están tomadas en favor de la mejora del rendimiento, motivo por el cual C es famoso en la programación orientada a la producción.

Se puede deshabilitar la comprobación estática de tipos en C++, e incluso permite al programador usar su propia comprobación dinámica de tipos - simplemente necesita escribir el código.

2.2. Herramientas para compilación modular

La compilación modular es particularmente importante cuando se construyen grandes proyectos. En C y en C++, un programa se puede crear en pequeñas piezas, manejables y comprobables de forma independiente. La herramienta más importante para dividir un programa en piezas más pequeñas es la capacidad de crear subrutinas o subprogramas que tengan un nombre que las identifique. En C y en C++, estos subprogramas se llamana funciones, que son las piezas de código que se pueden almacenar en diferentes ficheros, permitiendo la compilación separada. Dicho de otra forma, una función es la unidad atómica de código, debido a que no se puede tener una parte de una función en un fichero y el resto en otro (aunque los ficheros pueden contener más de una función).

Cuando se invoca una función, se le suelen pasar una serie de argumentos, que son valores que desea que la función utilice durante su ejecución. Cuando la función termina, normalmente devuelve un valor de retorno, que equivale al resultado. También es posible crear funciones que no tengan ni argumentos ni valor de retorno.

Para crear un programa con múltiples ficheros, las funciones de un fichero deben acceder a las funciones y los datos de otros ficheros. Cuando se compila un fichero, el compilador de C o C++ debe conocer las funciones y los datos de los otros ficheros, en particular sus nombres y su uso apropiado. El compilador asegura que las funciones y los datos son usados correctamente. El proceso de "decirle al compilador" los nombres de las funciones externas y los datos que necesitan es conocido como declaración. Una vez declarada una función o una variable, el compilador sabe cómo comprobar que la función se utiliza adecuadamente.

2.2.1. Declaraciones vs definiciones

Es importante comprender la diferencia entre declaraciones y definiciones porque estos términos se usarán de forma precisa en todo el libro. Básicamente todos los programas escritos en C o en C++ requieren declaraciones. Antes de poder escribir su primer programa, necesita comprender la manera correcta de escribir una declaración.

Una declaración presenta un nombre -identificador- al compilador. Le dice al compilador «Esta función o esta variable existe en algún lugar, y éste es el aspecto que debe tener». Una definición, sin embargo, dice: «Crea esta variable aquí» o «Crea esta función aquí». Eso reserva memoria para el nombre. Este significado sirve tanto para una variable que para una función; en ambos casos, el compilador reserva espacio en el momento de la definición. Para una variable, el compilador determina su tamaño y reserva el espacio en memoria para contener los datos de la variable. Para una función, el compilador genera el código que finalmente ocupará un espacio en memoria.

Se puede declarar una variable o una función en muchos sitios diferentes, pero en C o en C++ sólo se puede definir una vez (se conoce a veces como Regla de Definición Única (ODR) [35]). Cuando el enlazador une todos los módulos objeto, normalmente se quejará si encuentra más de una definición para la misma función o variable.

Una definición puede ser también una declaración. Si el compilador no ha visto antes el nombre x y hay una definición int x;, el compilador ve el nombre también como una declaración y asigna memoria al mismo tiempo.

Sintaxis de declaración de funciones

La declaración de una función en C y en C++ consiste en escribir el nombre de la función, los tipos de argumentos que se pasan a la función, y el valor de retorno de la misma. Por ejemplo, aquí tenemos la declaración de una función llamada func1() que toma dos enteros como argumentos (en C/C++ los enteros se denotan con la palabra reservada int) y que devuelve un entero: 

int func1(int, int);

La primera palabra reservada es el valor de retorno: int. Los argumentos están encerrados entre paréntesis después del nombre de la función en el orden en que se utilizan. El punto y coma indica el final de la sentencia; en este caso le dice al compilador «esto es todo - ¡aquí no está la definición de la función!».

Las declaraciones en C y C++ tratan de mimetizar la forma en que se utilizará ese elemento. Por ejemplo, si a es otro entero la función de arriba se debería usar de la siguiente manera: 

a = func1(2, 3);

Como func1() devuelve un entero, el compilador de C/C++ comprobará el uso de func1() para asegurarse que a puede aceptar el valor devuelto y que los argumentos son válidos.

Los argumentos de las declaraciones de funciones pueden tener nombres. El compilador los ignora pero pueden ser útilies como nemotécnicos para el usuario. Por ejemplo, se puede declarar func1() con una apariencia diferente pero con el mismo significado: 

int func1(int length, int width);

Una puntualización

Existe una diferencia significativa entre C y el C++ para las funciones con lista de argumentos vacía. En C, la declaración: 

int func2();

significa «una funcion con cualquier número y tipo de argumentos», lo cual anula la comprobación de tipos. En C++, sin embargo, significa «una función sin argumentos».

Definición de funciones

La definición de funciones se parece a la declaración excepto en que tienen cuerpo. Un cuerpo es un conjunto de sentencias encerradas entre llaves. Las llaves indican el comienzo y el final del código. Para dar a func1() una definición con un cuerpo vacío (un cuerpo que no contiene código), escriba: 

int func1(int ancho, int largo) {}

Note que en la definición de la función las llaves sustituyen el punto y coma. Como las llaves contienen una sentencia o grupo de sentencias, no es necesario un punto y coma. Tenga en cuenta además que los argumentos en la definición de la función deben nombres si los quiere usar en el cuerpo de la función (como aquí no se usan, son opcionales).

Sintaxis de declaración de variables

El significado atribuido a la frase «declaración de variables» históricamente ha sido confuso y contradictorio, y es importante que entienda el significado correcto para poder leer el código correctamente. Una declaración de variable dice al compilador cómo es la variable. Dice al compilador, «Sé que no has visto este nombre antes, pero te prometo que existe en algún lugar, y que es una variable de tipo X».

En una declaración de función, se da un tipo (el valor de retorno), el nombre de la función, la lista de argumentos, y un punto y coma. Con esto el compilador ya tiene suficiente información para saber cómo será la función. Por inferencia, una declaración de variable consistirá en un tipo seguido por un nombre. Por ejemplo: 

int a;

podría declarar la variable a como un entero usando la lógica usada anteriormente. Pero aquí está el conflicto: existe suficiente información en el código anterior como para que el compilador pueda crear espacio para un entero llamado a y es exactamente lo que ocurre. Para resolver el dilema, fue necesaria una palabra reservada en C y C++ para decir «Esto es sólo una declaración; esta variable estará definida en algún otro lado». La palabra reservada es extern que puede significar que la definición es externa al fichero, o que la definición se encuentra después en este fichero.

Declarar una variable sin definirla implica usar la palabra reservada extern antes de una descripción de la variable, como por ejemplo: 

extern int a;

extern también se puede aplicar a la declaración de funciones. Para func1() sería algo así: 

extern int func1(int length, int width);

Esta sentencia es equivalente a las declaraciones anteriores para func1() . Como no hay cuerpo de función, el compilador debe tratarla como una declaración de función en lugar de como definición. La palabra reservada extern es bastante superflua y opcional para la declaración de funciones. Probablemente sea desafortunado que los diseñadores de C no obligaran al uso de extern para la declaración de funciones; hubiera sido más consistente y menos confuso (pero hubiera requerido teclear más, lo cual probablemente explica la decisión).

Aquí hay algunos ejemplos más de declaraciones: 

//: C02:Declare.cpp
// Declaration & definition examples
extern int i; // Declaration without definition
extern float f(float); // Function declaration

float b;  // Declaration & definition
float f(float a) {  // Definition
  return a + 1.0;
}

int i; // Definition
int h(int x) { // Declaration & definition
  return x + 1;
}

int main() {
  b = 1.0;
  i = 2;
  f(b);
  h(i);
} ///:~

Listado 2.1. C02/Declare.cpp


En la declaración de funciones, los identificadores de los argumentos son opcionales. En la definición son necesarios (los identificadores se requieren solamente en C, no en C++).

Incluir ficheros de cabecera

La mayoría de las librerías contienen un número importante de funciones y variables. Para ahorrar trabajo y asegurar la consistencia cuando se hacen declaraciones externas para estos elementos, C y C++ utilizan un artefacto llamado fichero de cabecera. Un fichero de cabecera es un fichero que contiene las declaraciones externas de una librería; convencionalmente tiene un nombre de fichero con extensión .h, como headerfile.h (no es difícil encontrar código más antiguo con extensiones diferentes, como .hxx o .hpp, pero es cada vez más raro).

El programador que crea la librería proporciona el fichero de cabecera. Para declarar las funciones y variables externas de la librería, el usuario simplemente incluye el fichero de cabecera. Para ello se utiliza la directiva de preprocesado #include. Eso le dice al preprocesador que abra el fichero de cabecera indicado e incluya el contenido en el lugar donde se encuentra la sentencia #include. Un #include puede indicar un fichero de dos maneras: mediante paréntesis angulares ( < > ) o comillas dobles.

Los ficheros entre paréntesis angulares, como: 

#include <header>

hacen que el preprocesador busque el fichero como si fuera particular a un proyecto, aunque normalmente hay un camino de búsqueda que se especifica en el entorno o en la línea de comandos del compilador. El mecanismo para cambiar el camino de búsqueda (o ruta) varía entre maquinas, sistemas operativos, e implementaciones de C++ y puede que requiera un poco de investigación por parte del programador.

Los ficheros entre comillas dobles, como: 

#include "header"

le dicen al preprocesador que busque el fichero en (de acuerdo a la especificación) «un medio de definición de implementación», que normalmente significa buscar el fichero de forma relativa al directorio actual. Si no lo encuentra, entonces la directiva se preprocesada como si tuviera paréntesis angulares en lugar de comillas.

Para incluir el fichero de cabecera iostream, hay que escribir: 

#include <iostream>

El preprocesador encontrará el fichero de cabecera iostream (a menudo en un subdirectorio llamado «include») y lo incluirá.

Formato de inclusión del estándar C++

A medida que C++ evolucionaba, los diferentes fabricantes de compiladores elegían diferentes extensiones para los nombres de ficheros. Además, cada sistema operativo tiene sus propias restricciones para los nombres de ficheros, en particular la longitud. Estas características crearon problemas de portabilidad del código fuente. Para limar estos problemas, el estándar usa un formato que permite los nombres de ficheros más largos que los famosos ocho caracteres y permite eliminar la extensión. Por ejemplo en vez de escribir iostream.h en el estilo antiguo, que se asemejaría a algo así: 

#include <iostream.h>

ahora se puede escribir: 

#include <iostream>

El traductor puede implementar la sentencia del include de tal forma que se amolde a las necesidades de un compilador y sistema operativo particular, aunque sea necesario truncar el nombre y añadir una extensión. Evidentemente, también puede copiar las cabeceras que ofrece el fabricante de su compilador a otras sin extensiones si quiere usar este nuevo estilo antes de que su fabricante lo soporte.

Las librerías heredadas de C aún están disponibles con la extensión tradicional «.h». Sin embargo, se pueden usar con el estilo de inclusión más moderno colocando una «c» al nombre. Es decir: 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

Se transformaría en: 

#include <cstdio>
#include <cstdlib>

Y así para todas cabeceras del C Estándar. Eso proporciona al lector una distinción interesante entre el uso de librerías C versus C++.

El efecto del nuevo formato de include no es idéntico al antiguo: usar el «.h» da como resultado una versión más antigua, sin plantillas, y omitiendo el «.h» le ofrece la nueva versión con plantillas. Normalmente podría tener problemas si intenta mezclar las dos formas de inclusión en un mismo programa.

2.2.2. Enlazado

El enlazador (linker) agrupa los módulos objeto (que a menudo tienen extensiones como .o ó .obj), generados por el compilador, en un programa ejecutable que el sistema operativo puede cargar y ejecutar. Es la última fase del proceso de compilación.

Las características del enlazador varían de un sistema a otro. En general, simplemente se indican al enlazador los nombres de los módulos objeto, las librerías que se desean enlazar y el nombre del ejecutable de salida. Algunos sistemas requieren que sea el programador el que invoque al enlazador, aunque en la mayoría de los paquetes de C++ se llama al enlazador a través del compilador. En muchas situaciones, de manera transparente.

Algunos enlazadores antiguos no buscaban ficheros objeto más de una vez y buscaban en la lista que se les pasaba de izquierda a derecha. Esto significa que el orden de los ficheros objeto y las librerías puede ser importante. Si se encuentra con algún problema misterioso que no aparece hasta el proceso de enlazado, una posible razón es el orden en el que se indican los ficheros al enlazador.

2.2.3. Uso de librerías

Ahora que ya conoce la terminología básica, puede entender cómo utilizar una librería. Para usarla:

  1. Se incluye el fichero de cabecera de la librería.

  2. Se usan las funciones y las variables de la librería.

  3. Se enlaza la librería junto con el programa ejecutable.

Estos pasos también se aplican cuando los módulos objeto no se combinan para formar una librería. Incluir el fichero cabecera y enlazar los módulos objeto es la base para la compilación separada en C y en C++.

Cómo busca el enlazador una librería

Cuando se hace una refencia externa a una función o una variable en C o C++, al enlazador, una vez encontrada esta referencia, puede hacer dos cosas. Si todavía no ha encontrado la definición de la función o variable, añade el identificador a su lista de «referencias no resueltas». Si el enlazador ya había encontrado la definición, se resuelve la referencia.

Si el enlazador no puede encontrar la definición en la lista de módulos objeto, busca en las librerías. Las librerías tienen algún tipo de indexación para que el enlazador no necesite buscar en todos los módulos objeto en la librería - solamente mira en el índice. Cuando el enlazador encuentra una definición en una librería, el módulo objeto entero, no sólo la definición de la función, se enlaza al programa ejecutable. Dese cuenta que no se enlaza la librería completa, tan solo el módulo objeto de la librería que contiene la definición que se necesita (de otra forma los programas se volverían innecesariamente largos). Si se desea minimizar el tamaño del programa ejecutable, se debería considerar poner una única función en cada fichero fuente cuando se construyan librerías propias. Esto requiere más trabajo de edición, [36] pero puede ser muy útil para el usuario.

Debido a que el enlazador busca los ficheros en el orden que se le dan, se puede prevenir el uso de una función de una librería insertando un fichero con su propia función, usando el mismo nombre de función, en la lista antes de que aparezca el nombre de la librería. Cuando el enlazador resuelva cualquier referencia a esa función encontrando la función antes de buscar en la librería, se utilizará su función en lugar de la que se encuentra en la librería. Eso también puede ser una fuente de errores, y es la clase de cosas que se puede evitar usando los espacios de nombres (namespaces) de C++.

Añadidos ocultos

Cuando se crea un programa ejecutable en C/C++, ciertos elementos se enlazan en secreto. Uno de estos elementos es el módulo de arranque, que contiene rutinas de inicialización que deben ejecutarse cada vez que arranca un programa C o C++. Estas rutinas preparan la pila e inicializan ciertas variables del programa.

El enlazador siempre busca la librería estándar para las versiones compiladas de cualquier función «estándar» llamada en el programa. Debido a que se busca siempre en la librería estándar, se puede usar cualquier cosa de esta librería simplemente añadiendo a su programa la cabecera apropiada; no necesita indicar dónde hay que buscar la librería estándar. Las funciones de flujo de entrada-salida (iostream), por ejemplo, están en la Librería Estándar de C++. Para usarla, sólo debe incluir el fichero de cabecera <iostream>.

Si se está usando una librería, se debe añadir explícitamente su nombre de ésta a la lista de ficheros manejados por el enlazador.

Uso de librerías C plano

Aunque esté escribiendo código en C++, nada le impide usar librerías de C. De hecho, toda la librería de C está incluida por defecto en el C++ Estándar. Hay una cantidad tremenda de trabajo ya realizado en esas librerías que le pueden ahorrar un montón de tiempo.

Este libro usará la librería Estándar de C++ cuando sea necesario (y por lo tanto la de C), pero sólo se utilizarán funciones de la librería estándar, para asegurar la portabilidad de los programas. En los pocos casos en los que las funciones no sean de C++ estándar, se intentará que sean funciones compatibles con POSIX. POSIX es un estándar basado en el esfuerzo por conseguir la estandarización de Unix, que incluye funciones que van más allá del ámbito de las librerías de C++. Normalmente puede esperar encontrar funciones POSIX en plataformas Unix (en particular, GNU/Linux), y a menudo en sistemas DOS/Windows. Por ejemplo, si está usando hilos (threads) será mejor usar la librería de hilos compatible con POSIX ya que su código será más fácil de entender, portar y mantener (y la librería de hilos usará los servicios que ofrece el sistema operativo, si es que están soportados).

2.3. Su primer programa en C++

Ahora ya tiene suficientes conocimientos para crear y compilar un programa. Este programa usará las clases de flujo de entrada-salida (iostream) del C++ estándar. iostream es capaz de leer y escribir en ficheros o en la entrada y salida estándar (que suele ser la consola, pero que puede ser redirigida a ficheros o dispositivos). En este programa simple, se usa un objeto stream (flujo) para imprimir un mensaje en pantalla.

2.3.1. Uso de las clases iostream

Para declarar las funciones y los datos externos que contenga la clase iostream hay que incluir el fichero de cabecera de la siguiente manera: 

#include <iostream>

El primer programa usa el concepto de salida estándar, que significa «un lugar de propósito general, al que se le pueden enviar cosas». Verá otros ejemplos que utilizan la salida estándar de otras formas, pero aquí simplemente usaremos la consola. El paquete iostream define una variable (un objeto) llamado cout de forma automática que es capaz de enviar todo tipo de datos a la salida estándar.

Para enviar datos a la salida estándar, se usa el operador <<.Los programadores de C lo conocen como operador de «desplazamiento a la izquierda», que se explicará en el siguiente capítulo. Baste decir que el desplazamiento a la izquierda no tiene nada que ver con la salida. Sin embargo, C++ permite que los operadores sean sobrecargados. Cuando se sobrecarga un operador, se le da un nuevo significado siempre que dicho operador se use con un objeto de determinado tipo. Con los objetos de iostream, el operador << significa «enviar a». Por ejemplo: 

cout << "howdy!";

envía la cadena «howdy!» al objeto llamado cout (que es un diminutivo de «console output» (salida por consola).

De momento ya hemos visto suficiente sobrecarga de operadores como para poder empezar. El Capítulo 12 cubre la sobrecarga de operadores con detalle.

2.3.2. Espacios de nombres

Como se menciona en el Capítulo 1, uno de los problemas del lenguaje C es que «nos quedamos sin nombres» para funciones e identificadores cuando los programas llegan a ser de cierto tamaño. Por supuesto que realmente no nos quedamos sin nombres; aunque se hace más difícil pensar en nombres nuevos después de un rato. Y todavía más importante, cuando un programa alcanza cierto tamaño es normal fragmentarlo en trozos más pequeños cada uno de los cuales es mantenido por diferentes personas o grupos. Como C sólo tiene un ruedo para lidiar con todos los identificadores y nombres de función, trae como consecuencia que todos los desarrolladores deben tener cuidado de no usar accidentalmente los mismos nombres en situaciones en las que pueden ponerse en conflicto. Esto se convierte en una pérdida de tiempo, se hace tedioso y en último término, es más caro.

El C++ Estándar tiene un mecanismo para impedir estas colisiones: la palabra reservada namespace (espacio de nombres). Cada conjunto de definiciones de una librería o programa se «envuelve» en un espacio de nombres, y si otra definición tiene el mismo nombre, pero está en otro espacio de nombres, entonces no se produce colisión.

El espacio de nombres es una herramienta útil y conveniente, pero su presencia implica que debe saber usarla antes de escribir un programa. Si simplemente escribe un fichero de cabecera y usa algunas funciones u objetos de esa cabecera, probablemente reciba extraños mensajes cuando compile el programa, debido a que el compilador no pueda encontrar las declaraciones de los elementos del fichero de cabecera. Después de ver este mensaje un par de veces se le hará familiar su significado (que es: Usted ha incluido el fichero de cabecera pero todas las declaraciones están sin un espacio de nombres y no le dijo al compilador que quería usar las declaraciones en ese espacio de nombres).

Hay una palabra reservada que le permite decir «quiero usar las declaraciones y/o definiciones de este espacio de nombres». Esa palabra reservada, bastante apropiada por cierto, es using. Todas las librerías de C++ Estándar están incluidas en un único espacio de nombres, que es std (por «standard»). Como este libro usa la librería estándar casi exclusivamente, verá la siguiente directiva using en casi todos los programas. 

using namespace std;

Esto significa que quiere usar todos los elementos del espacio de nombres llamado std. Después de esta sentencia, ya no hay que preocuparse de si su componente o librería particular pertenece a un espacio de nombres, porque la directiva using hace que el espacio de nombres esté disponible para todo el fichero donde se escribió la directiva using.

Exponer todos los elementos de un espacio de nombres después de que alguien se ha molestado en ocultarlos, parece contraproducente, y de hecho, el lector deberá tener cuidado si considera hacerlo (como aprenderá más tarde en este libro). Sin embargo, la directiva using expone solamente los nombres para el fichero actual, por lo que no es tan drástico como suena al principio. (pero pienselo dos veces antes de usarlo en un fichero cabecera, eso es temerario).

Existe una relación entre los espacios de nombres y el modo en que se incluyes los ficheros de cabecera. Antes de que se estandarizara la nueva forma de inclusión de los ficheros cabecera (sin el «.h» como en <iostream>), la manera típica de incluir un fichero de cabecera era con el «.h» como en <iostream.h>. En esa época los espacios de nombres tampoco eran parte del lenguaje, por lo que para mantener una compatibilidad hacia atrás con el código existente, si se escribía: 

#include <iostream.h>

En realidad, significaba: 

#include <iostream>
using namespace std;

Sin embargo en este libro se usará la forma estándar de inclusión (sin el «.h») y haciendo explícita la directiva using.

Por ahora, esto es todo lo que necesita saber sobre los espacios de nombres, pero el Capítulo 10 cubre esta materia en profundidad.

2.3.3. Fundamentos de la estructura de los programa

Un programa C o C++ es una colección de variables, definiciones de función, y llamada a funciones. Cuando el programa arranca, ejecuta el código de inicialización y llama a una función especial, «main()», que es donde debe colocarse el código principal del programa.

Como se mencionó anteriormente, una definición de función consiste en un valor de retorno (que se debe especificar en C++), un nombre de función, una lista de argumentos, y el código de la función entre llaves. Aquí hay un ejemplo de definición de función: 

int funcion() {
   // Código de la función aquí (esto es un comentario)
}

La función de arriba tiene una lista vacía de argumentos y un cuerpo que contiene únicamente un comentario.

Puede haber varios pares de llaves en la definición de una función, pero siempre debe haber al menos dos que envuelvan todo el cuerpo de la función. Como main() es una función, debe seguir esas reglas. En C++, main() siempre devuelve un valor de tipo int (entero).

C y C++ son lenguajes de formato libre. Con un par de excepciones, el compilador ignora los espacios en blanco y los saltos de línea, por lo que hay que determinar el final de una sentencia. Las sentencias están delimitadas por punto y coma.

Los comentarios en C empiezan con /* y finalizan con */. Pueden incluir saltos de línea. C++ permite este estilo de comentarios y añade la doble barra inclinada: //. La // empieza un comentario que finaliza con el salto de línea. Es más útil que /* */ y se usa ampliamente en este libro.

2.3.4. «Hello, World!»

Y por fin, el primer programa: 

//: C02:Hello.cpp
// Saying Hello with C++
#include <iostream> // Stream declarations
using namespace std;

int main() {
  cout << "Hello, World! I am "
       << 8 << " Today!" << endl;
} ///:~

Listado 2.2. C02/Hello.cpp


El objeto cout maneja una serie de argumentos por medio de los operadores <<, que imprime los argumentos de izquierda a derecha. La función especial endl provoca un salto de línea. Con los iostreams se puede encadenar una serie de argumentos como aquí, lo que hace que sea una clase fácil de usar.

En C, el texto que se encuentra entre comillas dobles se denomina «cadena» (string). Sin embargo, la librería Estándar de C++ tiene una poderosa clase llamada string para manipulación de texto, por lo que usaremos el término más preciso array de caracteres para el texto que se encuentre entre dobles comillas.

El compilador pide espacio de memoria para los arrays de caracteres y guarda el equivalente ASCII para cada carácter en este espacio. El compilador finaliza automáticamente este array de caracteres añadiendo el valor 0 para indicar el final.

Dentro del array de caracteres, se pueden insertar caracteres especiales usando las secuencias de escape. Consisten en una barra invertida (\) seguida de un código especial. por ejemplo \n significa salto de línea. El manual del compilador o la guía concreta de C ofrece una lista completa de secuencia; entre otras se incluye: \t (tabulador), \\ (barra invertida), y \b (retroceso).

Tenga en cuenta que la sentencia puede continuar en otras líneas, y la sentencia completa termina con un punto y coma.

Los argumentos de tipo array de caracteres y los números constantes están mezclados en la sentencia cout anterior. Como el operador << está sobrecargado con varios significados cuando se usa con cout, se pueden enviar distintos argumentos y cout se encargará de mostrarlos.

A lo largo de este libro notará que la primera línea de cada fichero es un comentario (empezando normalmente con //), seguido de dos puntos, y la última línea de cada listado de código acaba con un comentario seguido de «/-». Se trata de una una técnica que uso para extraer fácilmente información de los ficheros fuente (el programa que lo hace se puede encontrar en el Volumen 2 de este libro, en www.BruceEckel.com). La primera línea también tiene el nombre y localización del fichero, por lo que se puede localizar fácilmente en los ficheros de código fuente del libro (que también se puede descargar de www.BruceEckel.com).

2.3.5. Utilizar el compilador

Después de descargar y desempaquetar el código fuente del libro, busque el programa en el subdirectorio CO2. Invoque el compilador con Hello.cpp como parámetro. La mayoría de los compiladores le abstraen de todo el proceso si el programa consta de un único fichero. Por ejemplo, para usar el compilador GNU C++ (que está disponible en Internet), escriba: 

g++ Hello.cpp

Otros compiladores tendrán una sintaxis similar aunque tendrá que consultar la documentación para conocer los detalles particulares.

2.4. Más sobre iostreams

Hasta ahora sólo ha visto los aspectos más rudimentarios de las clases iostream. El formateo de salida que permiten los iostreams también incluyen características como el formateo de números en decimal, octal, y hexadecimal. Aquí tiene otro ejemplo del uso de los iostreams: 

//: C02:Stream2.cpp
// More streams features
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
  // Specifying formats with manipulators:
  cout << "a number in decimal: "
       << dec << 15 << endl;
  cout << "in octal: " << oct << 15 << endl;
  cout << "in hex: " << hex << 15 << endl;
  cout << "a floating-point number: "
       << 3.14159 << endl;
  cout << "non-printing char (escape): "
       << char(27) << endl;
} ///:~

Listado 2.3. C02/Stream2.cpp


Este ejemplo muestra cómo la clase iostreams imprime números en decimal, octal, y hexadecimal usando manipuladores (los cuales no imprimen nada, pero cambian el estado del flujo de salida). El formato de los números en punto flotante lo determina automáticamente el compilador. Además, se puede enviar cualquier carácter a un objeto stream usando un molde (cast) a char (un char es un tipo de datos que manipula un sólo carácter). Este molde parece una llamada a función: char(), devuelve un valor ASCII. En el programa de arriba, el char(27) envía un «escape» a cout.

2.4.1. Concatenar vectores de caracteres

Una característica importante del preprocesador de C es la concatenación de arrays de caracteres. Esta característica se usa en algunos de los ejemplos de este libro. Si se colocan juntos dos arrays de caracteres entrecomillados, sin signos de puntuación entre ellos, el compilador los pegará en un único array de caracteres. Esto es particularmente útil cuando los listados de código tienen restricciones de anchura. 

//: C02:Concat.cpp
// Character array Concatenation
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
  cout << "This is far too long to put on a "
    "single line but it can be broken up with "
    "no ill effects\nas long as there is no "
    "punctuation separating adjacent character "
    "arrays.\n";
} ///:~

Listado 2.4. C02/Concat.cpp


Al principio, el código de arriba puede parecer erróneo porque no está el ya familiar punto y coma al final de cada línea. Recuerde que C y C++ son lenguajes de formato libre, y aunque normalmente verá un punto y coma al final de cada línea, el requisito real es que haya un punto y coma al final de cada sentencia, por lo que es posible encontrar una sentencia que ocupe varias líneas.

2.4.2. Leer de la entrada

Las clases iostream proporcionan la habilidad de leer de la entrada. El objeto usado para la entrada estándar es cin (de «console input»). cin normalmente espera la entrada de la consola, pero esta entrada se puede redirigir desde otras fuentes. Un ejemplo de redirección se muestra más adelante en este capítulo.

El operador que usa iostream con el objeto cin es >>. Este operador espera como parámetro algún tipo de entrada. Por ejemplo, si introduce un parámetro de tipo entero, él espera un entero de la consola. Aquí hay un ejemplo: 

//: C02:Numconv.cpp
// Converts decimal to octal and hex
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
  int number;
  cout << "Enter a decimal number: ";
  cin >> number;
  cout << "value in octal = 0" 
       << oct << number << endl;
  cout << "value in hex = 0x" 
       << hex << number << endl;
} ///:~

Listado 2.5. C02/Numconv.cpp


Este programa convierte un número introducido por el usuario en su representación octal y hexadecimal.

2.4.3. Llamar a otros programas

Mientras que el modo típico de usar un programa que lee de la entrada estándar y escribe en la salida estándar es dentro de un shell script Unix™ o en un fichero batch de DOS™, cualquier programa se puede llamar desde dentro de un programa C o C++ usando la llamada a la función estándar system() que está declarada en el fichero de cabecera <cstdlib>:. 

//: C02:CallHello.cpp
// Call another program
#include <cstdlib> // Declare "system()"
using namespace std;

int main() {
  system("Hello");
} ///:~

Listado 2.6. C02/CallHello.cpp


Para usar la función system(), hay que pasarle un array de caracteres con la línea de comandos que se quiere ejecutar en el prompt del sistema operativo. Puede incluir los parámetros que utilizaría en la línea de comandos, y el array de caracteres se puede fabricar en tiempo de ejecución (en vez de usar un array de caracteres estático como se mostraba arriba). El comando se ejecuta y el control vuelve al programa.

Este programa le muestra lo fácil que es usar C plano en C++; sólo incluya la cabecera y utilice la función. Esta compatibilidad ascendente entre el C y el C++ es una gran ventaja si está aprendiendo C++ y ya tenía conocimientos de C.

2.5. Introdución a las cadenas

Un array de caracteres puede ser bastante útil, aunque está bastante limitado. Simplemente son un grupo de caracteres en memoria, pero si quiere hacer algo útil, debe manejar todos los pequeños detalles. Por ejemplo, el tamaño de un array de caracteres es fijo en tiempo de compilación. Si tiene un array de caracteres y quiere añadirle más caracteres, tendrá que saber mucho sobre ellos (incluso manejo dinámico de memoria, copia de array de caracteres, y concatenación) antes de conseguir lo que desea. Esta es exactamente la clase de cosas que desearíamos que hiciera un objeto por nosotros.

La clase string (cadena) del C++ Estándar ha sido diseñada para que se encargue y oculte las manipulaciones de bajo nivel de los arrays de caracteres que antes tenía que realizar el programador de C. Estas manipulaciones han sido una fuente de constantes pérdidas de tiempo y errores desde los orígenes del lenguaje C. Aunque hay un capítulo entero dedicado a la clase string en el Volumen 2 de este libro, las cadenas son tan importantes y facilitan tanto la vida que las presentaré aquí para usarlas lo antes posible en el libro.

Para usar las cadenas debe incluir el fichero de cabecera <string>. La clase string se encuentra en el espacio de nombres std por lo que se necesita usar la directiva using. Gracias a la sobrecarga de operadores, la sintaxis del uso de las cadenas es muy intuitiva: 

//: C02:HelloStrings.cpp
// The basics of the Standard C++ string class
#include <string>
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
  string s1, s2; // Empty strings
  string s3 = "Hello, World."; // Initialized
  string s4("I am"); // Also initialized
  s2 = "Today"; // Assigning to a string
  s1 = s3 + " " + s4; // Combining strings
  s1 += " 8 "; // Appending to a string
  cout << s1 + s2 + "!" << endl;
} ///:~

Listado 2.7. C02/HelloStrings.cpp


Las dos primeras cadenas, s1 y s2 empiezan estando vacías, mientras que s3 y s4 muestran dos formas de inicializar los objetos string con arrays de caracteres (puede inicializar objetos string igual de fácil con otros objetos string).

Se puede asignar a un objeto string usando =. Eso sustituye el contenido previo de la cadena con lo que se encuentra en el lado derecho de la asignación, y no hay que preocuparse de lo que ocurre con el contenido anterior porque se controla automáticamente. Para combinar las cadenas simplemente debe usar el operador de suma «+», que tambien le permite concatenar cadenas (strings) con arrays de caracteres. Si quiere añadir una cadena o un array de caracteres a otra cadena, puede usar el operador +=. Finalmente, dése cuenta que iostream sabe como tratar las cadenas, por lo que usted puede enviar una cadena (o una expresión que produzca un string, que es lo que sucede con s1 + s2 + "!">) directamente a cout para imprimirla.

2.6. Lectura y escritura de ficheros

En C, el proceso de abrir y manipular ficheros requería un gran conocimiento del lenguaje para prepararle para la complejidad de las operaciones. Sin embargo, la librería iostream de C++ proporciona una forma simple de manejar ficheros, y por eso se puede presentar mucho antes de lo que se haría en C.

Para poder abrir un fichero para leer y escribir, debe incluir la librería fstream. Aunque eso implica la inclusión automática de la librería iostream, es prudente incluir iostream si planea usar cin, cout, etc.

Para abrir un fichero para lectura, debe crear un objeto ifstream que se usará como cin. Para crear un fichero de escritura, se crea un objeto ofstream que se comporta como cout. Una vez que tiene abierto el fichero puede leer o escribir en él como si usara cualquier objeto iostream. Así de simple, que es el objetivo, por supuesto.

Una de funciones las más útiles de la librería iostream es getline(), que permite leer una línea (terminada en nueva línea) y guardarla en un objeto string [37]. El primer argumento es el objeto ifstream del que se va a leer la información y el segundo argumento es el objeto string. Cuando termina la llamada a la función, el objeto string contiene la línea capturada.

Aquí hay un ejemplo que copia el contenido de un fichero en otro. 

//: C02:Scopy.cpp
// Copy one file to another, a line at a time
#include <string>
#include <fstream>
using namespace std;

int main() {
  ifstream in("Scopy.cpp"); // Open for reading
  ofstream out("Scopy2.cpp"); // Open for writing
  string s;
  while(getline(in, s)) // Discards newline char
    out << s << "\n"; // ... must add it back
} ///:~

Listado 2.8. C02/Scopy.cpp


Para abrir los ficheros, únicamente debe controlar los nombres de fichero que se usan en la creación de los objetos ifstream y ofstream.

Aquí se presenta un nuevo concepto: el bucle while. Aunque será explicado en detalle en el siguiente capítulo, la idea básica consiste en que la expresión entre paréntesis que sigue al while controla la ejecución de la sentencia siguiente (pueden ser múltiples sentencias encerradas entre llaves). Mientras la expresión entre paréntesis (en este caso getline(in, s) produzca un resultado «verdadero», las sentencias controladas por el while se ejecutarán. getline() devuelve un valor que se puede interprer como «verdadero» si se ha leido otra línea de forma satisfactoria, y «falso» cuando se llega al final de la entrada. Eso implica que el while anterior lee todas las líneas del fichero de entrada y las envía al fichero de salida.

getline() lee los caracteres de cada línea hasta que descubre un salto de línea (el carácter de terminación se puede cambiar pero eso no se verá hasta el capítulo sobre iostreams del Volumen 2). Sin embargo, descarta el carácter de nueva línea y no lo almacena en el objeto string. Por lo que si queremos copiar el fichero de forma idéntica al original, debemos añadir el carácter de nueva línea como se muestra arriba.

Otro ejemplo interesante es copiar el fichero entero en un único objeto string: 

//: C02:FillString.cpp
// Read an entire file into a single string
#include <string>
#include <iostream>
#include <fstream>
using namespace std;

int main() {
  ifstream in("FillString.cpp");
  string s, line;
  while(getline(in, line))
    s += line + "\n";
  cout << s;
} ///:~

Listado 2.9. C02/FillString.cpp


Debido a la naturaleza dinámica de los strings, no hay que preocuparse de la cantidad de memoria que hay que reservar para el string. Simplemente hay que añadir cosas y el string irá expandiéndose para dar cabida a lo que le introduzca.

Una de las cosas agradables de poner el fichero entero en una cadena es que la clase string proporciona funciones para la búsqueda y manipulación que le permiten modificar el fichero como si fuera una simple línea. Sin embargo, tiene sus limitaciones. Por un lado, a menudo, es conveniente tratar un fichero como una colección de líneas en vez de un gran bloque de texto. Por ejemplo, si quiere añadir numeración de líneas es mucho más fácil si tiene un objeto string distinto para cada línea. Para realizarlo, necesitamos otro concepto.

2.7. Introducción a los vectores

Con cadenas, podemos rellenar un objeto string sin saber cuanta memoria se va a necesitar. El problema de introducir líneas de un fichero en objetos string es que se sabe cuántas cadenas habrá - solamente lo sabemos cuando ya hemos leido el fichero entero. Para resolver este problema necesitamos un nuevo tipo de datos que pueda crecer automáticamente para contener las cadenas que le vayamos introduciendo.

De hecho, ¿por qué limitarnos a manejar objetos string? Parece que este tipo de problema - no saber la cantidad de cosas a manejar mientras está escribiendo el problema - ocurre a menudo. Y este objeto «contenedor» podría resultar más útil si pudiera manejar cualquier clase de objeto. Afortunadamente, la Librería Estándar de C++ tiene una solución: las clases contenedor (container). Las clases contenedor son uno de los puntos fuertes del Estándar C++.

A menudo existe un poco de confusión entre los contenedores y los algoritmos en la librería Estándar de C++, y la STL. La Standard Template Library fue el nombre que usó Alex Stepanov (que en aquella época estaba trabajando en Hewlett-Packard) cuando presentó su librería al Comité del Estándar C++ en el encuentro en San Diego, California, en la primavera de 1994. El nombre sobrevivió, especialmente después de que HP decidiera dejarlo disponible para la descarga pública. Posteriormente el comité integró las STL en la Librería Estándar de C++ haciendo un gran número de cambios. El desarrollo de las STL continúa en Silicon Graphics (SGI; ver www.sgi.com/Technology/STL). Las SGI STL divergen de la Librería Estándar de C++ en muchos detalles sutiles. Aunque es una creencia ampliamente generalizada, el C++ Estándar no "incluye" las STL. Puede ser confuso debido a que los contenedores y los algoritmos en el C++ Estándar tienen la misma raíz (y a menudo el mismo nombre) que en el SGI STL. En este libro, intentaré decir «la librería Estándar de C++» o «Librería Estándar de contenedores», o algo similar y eludiré usar el término STL.

A pesar de que la implementación de los contenedores y algoritmos de la Librería Estándar de C++ usa algunos conceptos avanzados, que se cubren ampliamente en dos largos capítulos en el segundo volumen de este libro, esta librería también puede ser potente sin saber mucho sobre ella. Es tan útil que el más básico de los contenedores estándar, el vector, se introduce en este capítulo y se usará a lo largo de todo el libro. Verá que puede hacer muchas cosas con el vector y no saber cómo está implementado (de nuevo, uno de los objetivos de la POO). Los programas que usan vector en estos primeros capítulos del libro no son exactamente como los haría un programador experimentado, como comprobará en el volumen 2. Aún así, encontrará que en la mayoría de los casos el uso que se hace es adecuado.

La clase vector es una plantilla, lo que significa que se puede aplicar a tipos de datos diferentes. Es decir, se puede crear un vector de figuras, un vector de gatos, un vector de strings, etc. Básicamente, con una plantilla se puede crear un vector de «cualquier clase». Para decirle al compilador con qué clase trabajará (en este caso que va a manejar el vector), hay que poner el nombre del tipo deseado entre «llaves angulares». Por lo que un vector de string se denota como vector<string>. Con eso, se crea un vector a medida que solamente contendrá objetos string, y recibirá un mensaje de error del compilador si intenta poner otra cosa en él.

Como el vector expresa el concepto de «contenedor», debe existir una manera de meter cosas en él y sacar cosas de él. Para añadir un nuevo elemento al final del vector, se una el método push_back(). Recuerde que, como es un método, hay que usar un '.' para invocarlo desde un objeto particular. La razón de que el nombre de la función parezca un poco verboso - push_back() en vez de algo más simple como put - es porque existen otros contenedores y otros métodos para poner nuevos elementos en los contenedores. Por ejemplo, hay un insert() para poner algo en medio de un contenedor. vector la soporta pero su uso es más complicado y no necesitamos explorarla hasta el segundo volumen del libro. También hay un push_front() (que no es parte de vector) para poner cosas al principio. Hay muchas más funciones miembro en vector y muchos más contenedores en la Librería Estándar, pero le sorprenderá ver la de cosas que se pueden hacer con sólo un par de características básicas.

Así que se pueden introducir elementos en un vector con push_back() pero ¿cómo puede sacar esos elementos? La solución es inteligente y elegante: se usa la sobrecarga de operadores para que el vector se parezca a un array. El array (que será descrito de forma más completa en el siguiente capítulo) es un tipo de datos que está disponible prácticamente en cualquier lenguaje de programación por lo que debería estar familiarizado con él. Los arrays son agregados lo que significa que consisten en un número de elementos agrupados. La característica distintiva de un array es que estos elementos tienen el mismo tamaño y están organizados uno junto a otro. Y todavía más importante, que se pueden seleccionar mediante un índice, lo que significa que puede decir: «Quiero el elemento número n» y el elemento será producido, normalmente de forma rápida. A pesar de que existen excepciones en los lenguajes de programación, normalmente se indica la «indexación» mediante corchetes, de tal forma que si se tiene un array a y quiere obtener el quinto elemento, sólo tiene que escribir a[4] (fíjese en que la indexación siempre empieza en cero).

Esta forma compacta y poderosa de notación indexada se ha incorporado al vector mediante la sobrecarga de operadores como el << y el >> de los iostreams. De nuevo, no hay que saber cómo se ha implementado la sobrecarga de operadores - lo dejamos para un capítulo posterior - pero es útil que sea consciente que hay algo de magia detrás de todo esto para conseguir que los corchetes funcionen con el vector.

Con todo esto en mente, ya puede ver un programa que usa la clase vector. Para usar un vector, hay que incluir el fichero de cabecera <vector>: 

//: C02:Fillvector.cpp
// Copy an entire file into a vector of string
#include <string>
#include <iostream>
#include <fstream>
#include <vector>
using namespace std;

int main() {
  vector<string> v;
  ifstream in("Fillvector.cpp");
  string line;
  while(getline(in, line))
    v.push_back(line); // Add the line to the end
  // Add line numbers:
  for(int i = 0; i < v.size(); i++)
    cout << i << ": " << v[i] << endl;
} ///:~

Listado 2.10. C02/Fillvector.cpp


Casi todo este programa es similar al anterior; se abre un fichero abierto y se leen las líneas en objetos string (uno cada vez). Sin embargo, estos objetos string se introducen al final del vector v. Una vez que el bucle while ha terminado, el fichero entero se encuentra en memoria dentro de v.

La siguiente sentencia en el programa es un bucle for. Es parecido a un bucle while aunque añade un control extra. Como en el bucle while, en el for hay una «expresión de control» dentro del paréntesis. Sin embargo, esta expresión está dividida en tres partes: una parte que inicializa, una que comprueba si hay que salir del bucle, y otra que cambia algo, normalmente da un paso en una secuencia de elementos. Este programa muestra el bucle for de la manera más habitual: la parte de inicialización int i = 0 crea un entero i para usarlo como contador y le da el valor inicial de cero. La comprobación consiste en ver si i es menor que el número de elementos del vector v. (Esto se consigue usando la función miembro size() -tamaño- que hay que admitir que tiene un significado obvio) El último trozo, usa el operador de «autoincremento» para aumentar en uno el valor de i. Efectivamente, i++ dice «coge el valor de i añádele uno y guarda el resultado en i». Conclusión: el efecto del bucle for es aumentar la variable i desde cero hasta el tamaño del vector menos uno. Por cada nuevo valor de i se ejecuta la sentencia del cout, que construye un linea con el valor de i (mágicamente convertida a un array de caracteres por cout), dos puntos, un espacio, la línea del fichero y el carácter de nueva línea que nos proporciona endl. Cuando lo compile y lo ejecute verá el efecto de numeración de líneas del fichero.

Debido a que el operador >> funciona con iostreams, se puede modificar fácilmente el programa anterior para que convierta la entrada en palabras separadas por espacios, en vez de líneas: 

//: C02:GetWords.cpp
// Break a file into whitespace-separated words
#include <string>
#include <iostream>
#include <fstream>
#include <vector>
using namespace std;

int main() {
  vector<string> words;
  ifstream in("GetWords.cpp");
  string word;
  while(in >> word)
    words.push_back(word); 
  for(int i = 0; i < words.size(); i++)
    cout << words[i] << endl;
} ///:~

Listado 2.11. C02/GetWords.cpp


La expresión: 

while (in >> word)

es la que consigue que se lea una «palabra» cada vez, y cuando la expresión se evalúa como «falsa» significa que ha llegado al final del fichero. De acuerdo, delimitar una palabra mediante caracteres en blanco es un poco tosco, pero sirve como ejemplo sencillo. Más tarde, en este libro, verá ejemplos más sofisticados que le permiten dividir la entrada de la forma que quiera.

Para demostrar lo fácil que es usar un vector con cualquier tipo, aquí tiene un ejemplo que crea un vector de enteros: 

//: C02:Intvector.cpp
// Creating a vector that holds integers
#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

int main() {
  vector<int> v;
  for(int i = 0; i < 10; i++)
    v.push_back(i);
  for(int i = 0; i < v.size(); i++)
    cout << v[i] << ", ";
  cout << endl;
  for(int i = 0; i < v.size(); i++)
    v[i] = v[i] * 10; // Assignment  
  for(int i = 0; i < v.size(); i++)
    cout << v[i] << ", ";
  cout << endl;
} ///:~

Listado 2.12. C02/Intvector.cpp


Para crear un vector que maneje un tipo diferente basta con poner el tipo entre las llaves angulares (el argumento de las plantillas). Las plantillas y las librerías de plantillas pretenden ofrecer precisamente esta facilidad de uso.

Además este ejemplo demuestra otra característica esencial del vector en la expresión 

v[i] = v[i] * 10;

Puede observar que el vector no está limitado a meter cosas y sacarlas. También puede asignar (es decir, cambiar) cualquier elemento del vector mediante el uso de los corchetes. Eso significa que el vector es un objeto útil, flexible y de propósito general para trabajar con colecciones de objetos, y haremos uso de él en los siguientes capítulos.

2.8. Resumen

Este capítulo pretende mostrarle lo fácil que puede llegar a ser la programación orientada a objetos - si alguien ha hecho el trabajo de definir los objetos por usted. En este caso, sólo hay que incluir el fichero de cabecera, crear los objetos y enviarles mensajes. Si los tipos que está usando están bien diseñados y son potentes, entonces no tendrá mucho trabajo y su programa resultante también será potente.

En este proceso para mostrar la sencillez de la POO cuando se usan librerías de clases, este capítulo, también introduce algunos de los tipos de datos más básicos y útiles de la Librería Estándar de C++: La familia de los iostreams (en particular aquellos que leen y escriben en consola y ficheros), la clase string, y la plantilla vector. Ha visto lo sencillo que es usarlos y ahora es probable que se imagine la de cosas que se pueden hacer con ellos, pero hay muchas más cosas que son capaces de realizar [38]. A pesar de estar usando un pequeño subconjunto de la funcionalidad de estas herramientas en este principio del libro, supone un gran avance frente a los rudimentarios comienzos en el aprendizaje de un lenguaje de bajo nivel como C. Y aunque aprender los aspectos de bajo nivel de C es educativo también lleva tiempo. Al final usted es mucho más productivo si tiene objetos que manejen las características de bajo nivel. Después de todo, el principal objetivo de la POO es esconder los detalles para que usted pueda «pintar con una brocha más gorda».

Sin embargo, debido al alto nivel que la POO intenta tener, hay algunos aspectos fundamentales de C que no se pueden obviar, y de eso trata el siguiente capítulo.

2.9. Ejercicios

Las soluciones a los ejercicios se pueden encontrar en el documento electrónico titulado «The Thinking in C++ Annotated Solution Guide», disponible por poco dinero en www.BruceEckel.com.

  1. Modifique Hello.cpp para que imprima su nombre y edad (o tamaño de pie, o la edad de su perro, si le gusta más). Compile y ejecute el programa.

  2. Utilizando Stream2.cpp y Numconv.cpp como guías, cree un programa que le pida el radio de un círculo y le muestre el área del mismo. Puede usar el operador * para elevar el radio al cuadrado. No intente imprimir el valor en octal o en hexadecimal (sólo funciona con tipos enteros).

  3. Cree un programa que abra un fichero y cuente las palabras (separadas por espacios en blanco) que contiene.

  4. Cree un programa que cuente el número de ocurrencias de una palabra en concreto en un fichero (use el operador == de la clase string para encontrar la palabra)

  5. Cambie Fillvector.cpp para que imprima las líneas al revés (de la última a la primera).

  6. Cambie Fillvector.cpp para que concatene todos los elementos de la clase vector en un único string antes de imprimirlo, pero no añada numeración de líneas

  7. Muestre un fichero línea a línea, esperando que el usuario pulse Enter después de cada línea.

  8. Cree un vector<float> e introduzca en él 25 números en punto flotante usando un bucle for. Muestre el vector.

  9. Cree tres objetos vector<float> y rellene los dos primeros como en el ejercicio anterior. Escriba un bucle for que sume los elementos correspondientes y los añada al tercer vector. Muestre los tres vectores.

  10. Cree un vector<float> e introduzca 25 números en él como en el ejercicio anterior. Eleve cada número al cuadrado y ponga su resultado en la misma posición del vector. Muestre el vector antes y después de la multiplicación.


[33] Los límites entre los compiladores y los intérpretes tienden a ser difusos, especialmente con Python, que tiene muchas de las caractéristicas y el poder de un lenguaje compilado pero también tiene parte de las ventajas de los lenguajes interpretados.

[34] Python vuelve a ser una excepción, debido a que permite compilación separada.

[35] One Definition Rule

[36] Yo le recomendaría usar Perl o Python para automatizar estas tareas como parte de su proceso de empaquetamiento de librerías (ver www.Perl.org ó www.Python.org).

[37] Actualmente existen variantes de getline(), que se discutirán profusamente en el capítulo de iostreams en el Volumen 2

[38] Si está especialmente interesado en ver todas las cosas que se pueden hacer con los componentes de la Librería Estándar, vea el Volumen 2 de este libro en www.BruceEckel.com y también en www.dinkumware.com

3: C en C++

Tabla de contenidos

3.1. Creación de funciones
3.2. Control de flujo
3.3. Introducción a los operadores
3.4. Introducción a los tipos de datos
3.5. Alcance
3.6. Especificar la ubicación del espacio de almacenamiento
3.7. Los operadores y su uso
3.8. Creación de tipos compuestos
3.9. Consejos para depuración
3.10. Direcciones de función
3.11. Make: cómo hacer compilación separada
3.12. Resumen
3.13. Ejercicios

Como C++ está basado en C, debería estar familiarizado con la sintaxis de C para poder programar en C++, del mismo modo que debería tener una fluidez razonable en álgebra para poder hacer cálculos.

Si nunca antes ha visto C, este capítulo le dará una buena base sobre el estilo de C usado en C++. Si está familiarizado con el estilo de C descrito en la primera edición de Kernighan & Ritchie (también llamado K&R) encontrará algunas características nuevas o diferentes tanto en C++ como en el estándar C. Si está familiarizado con el estándar C debería echar un vistazo al capítulo en busca de las características particulares de C++. Note que hay algunas características fundamentales de C++ que se introducen aquí, que son ideas básicas parecidas a características de C o a menudo modificaciones en el modo en que C hace las cosas. Las características más sofisticadas de C++ se explicarán en capítulos posteriores

Este capítulo trata por encima las construcciones de C e introduce algunas construcciones básicas de C++, suponiendo que tiene alguna experiencia programando en otro lenguaje. En el CD-ROM que acompaña a este libro hay una introducción más suave a C, titulada Thinking in C: Foundations for Java & C++ de Chuck Alison (publicada por MidView, Inc. y disponible también en www.MindView.net). Se trata de un seminario en CD-ROM cuyo objetivo es guiarle cuidadosamente a través de los fundamentos del lenguaje C. Se concentra en el conceptos necesarios para permitirle pasarse a C++ o a Java, en lugar de intentar convertirle en un experto en todos los oscuros recovecos de C (una de las razones para usar un lenguaje de alto nivel como C++ o Java es precisamente evitar muchos de estos recovecos). También contiene ejercicios y soluciones guiadas. Tenga presente que este capítulo va después del CD Thinking in C, el CD no reemplaza a este capítulo, sino que debería tomarse como una preparación para este capítulo y para el libro.

3.1. Creación de funciones

En el antiguo C (previo al estándar), se podía invocar una función con cualquier número y tipo de argumentos sin que el compilador se quejase. Todo parecía ir bien hasta que ejecutabas el programa. El programa acababa con resultados misteriosos (o peor, el programa fallaba) sin ninguna pista del motivo. La falta de ayuda acerca del paso de argumentos y los enigmáticos bugs que resultaban es, probablemente, la causa de que C se considerase «un lenguaje ensamblador de alto nivel». Los programadores de pre-Estándar C simplemente se adaptaron.

C y C++ Estándar usan una característica llamada prototipado de funciones. Con esta herramienta se han de describir los tipos de argumentos al declarar y definir una función. Esta descripción es el «prototipo». Cuando la función es llamada, el compilador usa el prototipo para asegurar que los argumentos pasados son los apropiados, y que el valor retornado es tratado correctamente. Si el programador comete un error al llamar a la función, el compilador detecta el error.

Esencialmente, aprendió sobre prototipado de funciones (sin llamarlas de ese modo) en el capítulo previo, ya que la forma de declararlas en C++ requiere de un prototipado apropiado. En un prototipo de función, la lista de argumentos contiene los tipos de argumentos que se deben pasar a la función y (opcionalmente para la declaración), identificadores para los argumentos. El orden y tipo de los argumentos debe coincidir en la declaración, definición y llamada a la función. A continuación se muestra un ejemplo de un prototipo de función en una declaración: 

int translate(float x, float y, float z);

No se puede usar la misma sintaxis para declarar los argumentos en el prototipo de una función que en las definiciones ordinarias de variables. Esto significa que no se puede escribir: float x, y, z. Se debe indicar el tipo de cada argumento. En una declaración de función, lo siguiente también es correcto: 

int translate(float, float, float);

Ya que el compilador no hace más que chequear los tipos cuando se invoca la función, los identificadores se incluyen solamente para mejorar la claridad del código cuando alguien lo está leyendo.

En la definición de la función, los nombres son necesarios ya que los argumentos son referenciados dentro de la función: 

int translate(float x, float  y, float z) {
    x = y = z;
    // ...
}

Esta regla sólo se aplica a C. En C++, un argumento puede no tener nombrado en la lista de argumentos de la definición de la función. Como no tiene nombre, no se puede utilizar en el cuerpo de la función, por supuesto. Los argumentos sin nombre se permiten para dar al programador una manera de «reservar espacio en la lista de argumentos». De cualquier modo, la persona que crea la función aún así debe llamar a la función con los parámetros apropiados. Sin embargo, la persona que crea la función puede utilizar el argumento en el futuro sin forzar una modificación en el código que llama a la función. Esta opción de ignorar un argumento en la lista también es posible si se indica el nombre, pero siempre aparecería un molesto mensaje de advertencia, informando que el valor no se utiliza, cada vez que se compila la función. La advertencia desaparece si se quita el nombre del argumento.

C y C++ tienen otras dos maneras de declarar una lista de argumentos. Si se tiene una lista de argumentos vacía, se puede declarar esta como func() en C++, lo que indica al compilador que hay exactamente cero argumentos. Hay que tener en cuenta que esto sólo significa una lista de argumentos vacía en C++. En C significa «un número indeterminado de argumentos» (lo que es un «agujero» en C ya que deshabilita la comprobación de tipos en ese caso). En ambos, C y C++, la declaración func(void); significa una lista de argumentos vacía. La palabra clave void significa «nada» en este caso (también puede significar «sin tipo» en el caso de los punteros, como se verá mas adelante en este capítulo).

La otra opción para las listas de argumentos se produce cuando no se sabe cuantos argumentos o qué tipos tendrán los argumentos; esto se conoce como lista de argumentos variable. Esta «lista incierta de argumentos» se representada con puntos suspensivos (...). Definir una función con una lista de argumentos variable es significativamente más complicado que definir una función normal. Se puede utilizar una lista de argumentos variable para una función que tiene un grupo de argumentos fijos si (por alguna razón) se quiere deshabilitar la comprobación del prototipo de función. Por eso, se debe restringir el uso de listas de argumentos variables en C y evitarlas en C++ (en el cual, como aprenderá, hay alternativas mucho mejores). El manejo de listas de argumentos variables se describe en la sección de librerías de la documentación de su entorno C particular.

3.1.1. Valores de retorno de las funciones

Un prototipo de función C++ debe especificar el tipo de valor devuelto de la función (en C, si no se especifica será por defecto un int). La especificación del tipo de retorno precede al nombre de la función. Para especificar que no se devolverá valor alguno, se utiliza la palabra reservada void. Esto provocará un error si se intenta devolver un valor desde la función. A continuación hay algunos prototipos completos de funciones: 

int f1(void); // Devuelve un entero, no tiene argumentos
int f2(); //  igual que f1() en C++ pero no en C Stantard
float f3(float, int, char, double); // Devuelve un float
void f4(void); // No toma argumentos, no devuelve nada

Para devolver un valor desde una función, se utiliza la sentencia return. Esta sentencia termina la función y salta hasta la sentencia que se halla justo después de la llamada a la función. Si return tiene un argumento, se convierte en el valor de retorno de la función. Si una función indica que retornara un tipo en particular, entonces cada sentencia return debe retornar un valor de ese tipo. Puede haber más de una sentencia return en una definición de función: 

//: C03:Return.cpp
// Use of "return"
#include <iostream>
using namespace std;

char cfunc(int i) {
  if(i == 0)
    return 'a';
  if(i == 1)
    return 'g';
  if(i == 5)
    return 'z';
  return 'c';
}

int main() {
  cout << "type an integer: ";
  int val;
  cin >> val;
  cout << cfunc(val) << endl;
} ///:~

Listado 3.1. C03/Return.cpp


En cfunc(), el primer if que comprueba que la condición sea true sale de la función con la sentencia return. Fíjese que la declaración de la función no es necesaria puesto que la definición aparece antes de ser utilizada en main(), de modo que el compilador sabe de su existencia desde dicha definición.

3.1.2. Uso de funciones de librerías C

Todas las funciones en la librería local de funciones de C están disponibles cuando se programa en C++. Se debería buscar bien en la librería de funciones antes de definir una propia - hay muchas probabilidades de que alguien haya resuelto el problema antes, y probablemente haya dedicado más tiempo pensando y depurando.

Una advertencia, del mismo modo: muchos compiladores incluyen muchas funciones extra que hacen la vida mucho mas fácil y resultan tentadoras, pero no son parte de la Librería C Estándar. Si está seguro de que jamás deseará portar la aplicación a otra plataforma (¿y quién está seguro de eso?), adelante -utilice esas funciones y haga su vida más fácil. Si desea que la aplicación pueda ser portada, debería ceñirse únicamente al uso de funciones de la Librería Estándar. Si debe realizar actividades específicas de la plataforma, debería intentar aislar este código de tal modo que pueda cambiarse fácilmente al migrarlo a otra plataforma. En C++, las actividades de una plataforma específica a menudo se encapsulan en una clase, que es la solución ideal.

La fórmula para usar una librería de funciones es la siguiente: primero, encontrar la función en la referencia de programación (muchas referencias de programación ordenan las funciones por categoría además de alfabéticamente). La descripción de la función debería incluir una sección que demuestre la sintaxis del código. La parte superior de esta sección tiene al menos una línea #include, mostrando el fichero principal que contiene el prototipo de función. Debe copiar este #include en su fichero para que la función esté correctamente declarada. Ahora puede llamar la función de la misma manera que aparece en la sección de sintaxis. Si comete un error, el compilador lo descubrirá comparando la llamada a la función con el prototipo de la cabecera e informará de dicho error. El enlazador busca en la Librería Estándar por defecto, de modo que lo único que hay que hacer es: incluir el fichero de cabecera y llamar a la función.

3.1.3. Creación de librerías propias

Puede reunir funciones propias juntas en una librería. La mayoría de paquetes de programación vienen con un FIXME:bibliotecario que maneja grupos de módulos objeto. Cada FIXME:bibliotecario tiene sus propios comandos, pero la idea general es la siguiente: si se desea crear una librería, se debe hacer un fichero cabecera que contenga prototipos de todas las funciones de la librería. Hay que ubicar este fichero de cabecera en alguna parte de la ruta de búsqueda del preprocesador, ya sea en el directorio local (de modo que se podrá encontrar mediante #include "header") o bien en el directorio include (por lo que se podrá encontrar mediante #include <header>). Luego se han de juntar todos los módulos objeto y pasarlos al FIXME:bibliotecario junto con un nombre para la librería recién construida (la mayoría de los bibliotecarios requieren una extensión común, como por ejemplo .lib o .a). Se ha de ubicar la librería completa donde residan todas las demás, de manera que el enlazador sabrá buscar esas funciones en dicha librería al ser invocadas. Pueden encontrar todos los detalles en su documentación particular, ya que pueden variar de un sistema a otro.

3.2. Control de flujo

Esta sección cubre las sentencias de control de flujo en C++. Debe familiarizarse con estas sentencias antes de que pueda leer o escribir código C o C++.

C++ usa todas las sentencias de control de ejecución de C. Esto incluye if-else, do-while, for, y una sentencia de selección llamada switch. C++ también admite el infame goto, el cual será evitado en este libro.

3.2.1. Verdadero y falso

Todas las sentencias condicionales utilizan la veracidad o la falsedad de una expresión condicional para determinar el camino de ejecución. Un ejemplo de expresión condicional es A == B. Esto utiliza el operador condicional == para saber si la variable A es equivalente a la variable B. La expresión produce un booleano true o false (estas son palabras reservadas sólo en C++; en C una expresión es verdadera(true) si se evalúa con un valor diferente de cero). Otros operadores condicionales son >, <, >=, etc. Las sentencias condicional se tratarán a fondo más adelante en este capítulo.

3.2.2. if-else

La sentencia if-else puede existir de dos formas: con o sin el else. Las dos formas son: 

if (expresión)
    sentencia

ó 

if (expresión)
    sentencia
else
    sentencia

La «expresión» se evalúa como true o false. La «sentencia» puede ser una simple acabada en un punto y coma, o bien una compuesta, lo que no es más que un grupo de sentencias simples encerradas entre llaves. Siempre que se utiliza la palabra «sentencia», implica que la sentencia es simple o compuesta. Tenga en cuenta que dicha sentencia puede ser incluso otro if, de modo que se pueden anidar. 

//: C03:Ifthen.cpp
// Demonstration of if and if-else conditionals
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
  int i;
  cout << "type a number and 'Enter'" << endl;
  cin >> i;
  if(i > 5)
    cout << "It's greater than 5" << endl;
  else
    if(i < 5)
      cout << "It's less than 5 " << endl;
    else
      cout << "It's equal to 5 " << endl;

  cout << "type a number and 'Enter'" << endl;
  cin >> i;
  if(i < 10)
    if(i > 5)  // "if" is just another statement
      cout << "5 < i < 10" << endl;
    else
      cout << "i <= 5" << endl;
  else // Matches "if(i < 10)"
    cout << "i >= 10" << endl;
} ///:~

Listado 3.2. C03/Ifthen.cpp


Por convenio se indenta el cuerpo de una sentencia de control de flujo, de modo que el lector puede determinar fácilmente donde comienza y dónde acaba [39].

3.2.3. while

En los bucles de control while, do-while, y for, una sentencia se repite hasta que la expresión de control sea false. La estructura de un bucle while es: 

while(expresión) sentencia

La expresión se evalúa una vez al comienzo del bucle y cada vez antes de cada iteración de la sentencia.

Este ejemplo se mantiene en el cuerpo del bucle while hasta que introduzca el número secreto o presione Control-C. 

//: C03:Guess.cpp
// Guess a number (demonstrates "while")
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
  int secret = 15;
  int guess = 0;
  // "!=" is the "not-equal" conditional:
  while(guess != secret) { // Compound statement
    cout << "guess the number: ";
    cin >> guess;
  }
  cout << "You guessed it!" << endl;
} ///:~

Listado 3.3. C03/Guess.cpp


La expresión condicional del while no está restringida a una simple prueba como en el ejemplo anterior; puede ser tan complicada como se desee siempre y cuando se produzca un resultado true o false. También puede encontrar código en el que el bucle no tiene cuerpo, sólo un simple punto y coma: 

while(/* hacer muchas cosas */)
;

En estos casos, el programador ha escrito la expresión condicional no sólo para realizar la evaluación, sino también para hacer el trabajo.

3.2.4. do-while

El aspecto de do-while es 

do
    sentencia
while(expresión);

El do-while es diferente del while ya que la sentencia siempre se ejecuta al menos una vez, aún si la expresión resulta false la primera vez. En un while normal, si la condición es falsa la primera vez, la sentencia no se ejecuta nunca.

Si se utiliza un do-while en Guess.cpp, la variable guess no necesitaría un valor ficticio inicial, ya que se inicializa por la sentencia cin antes de que la variable sea evaluada: 

//: C03:Guess2.cpp
// The guess program using do-while
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
  int secret = 15;
  int guess; // No initialization needed here
  do {
    cout << "guess the number: ";
    cin >> guess; // Initialization happens
  }   while(guess != secret);
  cout << "You got it!" << endl;
} ///:~

Listado 3.4. C03/Guess2.cpp


Por alguna razón, la mayoría de los programadores tienden a evitar el do-while y se limitan a trabajar con while.

3.2.5. for

Un bucle for realiza una inicialización antes de la primera iteración. Luego ejecuta una evaluación condicional y, al final de cada iteración, efectúa algún tipo de «siguiente paso». La estructura del bucle for es: 

for(initialización; condición; paso)
    sentencia

Cualquiera de las expresiones de «inicialización», «condición», o «paso» pueden estar vacías. El código de «inicialización» se ejecuta una única vez al principio. La expresión «condicional» se evalúa antes de cada iteración (si se evalúa a false desde el principio, el cuerpo del bucle nunca llega a ejecutarse). Al final de cada iteración del bucle, se ejecuta «paso».

Los bucles for se utilizan generalmente para tareas de «conteo»: 

//: C03:Charlist.cpp
// Display all the ASCII characters
// Demonstrates "for"
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
  for(int i = 0; i < 128; i = i + 1)
    if (i != 26)  // ANSI Terminal Clear screen
      cout << " value: " << i 
           << " character: " 
           << char(i) // Type conversion
           << endl;
} ///:~

Listado 3.5. C03/Charlist.cpp


Puede ocurrir que la variable i sea definida en el punto en el que se utiliza, en vez de al principio del bloque delimitado por la apertura de la llave {. Esto difiere de los lenguajes procedurales tradicionales (incluyendo C), en los que se requiere que todas las variables se definan al principio del bloque. Esto se discutirá más adelante en este capítulo.

3.2.6. Las palabras reservadas break y continue

Dentro del cuerpo de cualquiera de las estructuras de bucle while, do-while, o for, se puede controlar el flujo del bucle utilizando break y continue. break interrumpe el bucle sin ejecutar el resto de las sentencias de esa iteración. continue detiene la ejecución de la iteración actual, vuelve al principio del bucle y comienza la siguiente iteración.

A modo de ejemplo de break y continue, este programa es un menu de sistema muy simple: 

//: C03:Menu.cpp
// Simple menu program demonstrating
// the use of "break" and "continue"
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
  char c; // To hold response
  while(true) {
    cout << "MAIN MENU:" << endl;
    cout << "l: left, r: right, q: quit -> ";
    cin >> c;
    if(c == 'q')
      break; // Out of "while(1)"
    if(c == 'l') {
      cout << "LEFT MENU:" << endl;
      cout << "select a or b: ";
      cin >> c;
      if(c == 'a') {
        cout << "you chose 'a'" << endl;
        continue; // Back to main menu
      }
      if(c == 'b') {
        cout << "you chose 'b'" << endl;
        continue; // Back to main menu
      }
      else {
        cout << "you didn't choose a or b!"
             << endl;
        continue; // Back to main menu
      }
    }
    if(c == 'r') {
      cout << "RIGHT MENU:" << endl;
      cout << "select c or d: ";
      cin >> c;
      if(c == 'c') {
        cout << "you chose 'c'" << endl;
        continue; // Back to main menu
      }
      if(c == 'd') {
        cout << "you chose 'd'" << endl;
        continue; // Back to main menu
      }
      else {
        cout << "you didn't choose c or d!" 
             << endl;
        continue; // Back to main menu
      }
    }
    cout << "you must type l or r or q!" << endl;
  }
  cout << "quitting menu..." << endl;
} ///:~

Listado 3.6. C03/Menu.cpp


Si el usuario selecciona q en el menu principal, se utiliza la palabra reservada break para salir, de otro modo, el programa continúa ejecutándose indefinidamente. Después de cada selección de sub-menu, se usa la palabra reservada continue para volver atrás hasta el comienzo del bucle while.

La sentencia while(true) es el equivalente a decir «haz este bucle para siempre». La sentencia break permite romper este bucle infinito cuando el usuario teclea q.

3.2.7. switch

Una sentencia switch selecciona un fragmento de código entre varios posibles en base al valor de una expresión entera. Su estructura es: 

switch(selector) {
case valor-entero1 : sentencia; break;
case valor-entero2 : sentencia; break;
case valor-entero3 : sentencia; break;
case valor-entero4 : sentencia; break;
case valor-entero5 : sentencia; break;
    (...)
default: sentencia;
}

selector es una expresión que produce un valor entero. El switch compara el resultado de selector para cada valor entero. Si encuentra una coincidencia, se ejecutará la sentencia correspondiente (sea simple o compuesta). Si no se encuentra ninguna coincidencia se ejecutará la sentencia default.

Se puede observar en la definición anterior que cada case acaba con un break, lo que causa que la ejecución salte hasta el final del cuerpo del switch (la llave final que cierra el switch). Esta es la forma convencional de construir una sentencia switch, pero la palabra break es opcional. Si no se indica, el case que se ha cumplido «cae» al siguiente de la lista. Esto significa, que el código del siguiente case, se ejecutara hasta que se encuentre un break. Aunque normalmente no se desea este tipo de comportamiento, puede ser de ayuda para un programador experimentado.

La sentencia switch es una manera limpia de implementar una selección multi-modo (por ejemplo, seleccionando de entre un número de paths de ejecución), pero requiere un selector que pueda evaluarse como un entero en el momento de la compilación. Si quisiera utilizar, por ejemplo, un objeto string como selector, no funcionará en una sentencia switch. Para un selector de tipo string, se debe utilizar una serie de sentencias if y comparar el string dentro de la condición.

El ejemplo del menu demostrado anteriormente proporciona un ejemplo particularmente interesante de un switch: 

//: C03:Menu2.cpp
// A menu using a switch statement
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
  bool quit = false;  // Flag for quitting
  while(quit == false) {
    cout << "Select a, b, c or q to quit: ";
    char response;
    cin >> response;
    switch(response) {
      case 'a' : cout << "you chose 'a'" << endl;
                 break;
      case 'b' : cout << "you chose 'b'" << endl;
                 break;
      case 'c' : cout << "you chose 'c'" << endl;
                 break;
      case 'q' : cout << "quitting menu" << endl;
                 quit = true;
                 break;
      default  : cout << "Please use a,b,c or q!"
                 << endl;
    }
  }
} ///:~

Listado 3.7. C03/Menu2.cpp


El flag quit es un bool, abreviatura para «booleano», que es un tipo que sólo se encuentra en C++. Puede tener únicamente los valores true o false. Seleccionando q se asigna el valor true al flag «quit». La próxima vez que el selector sea evaluado, quit == false retornará false de modo que el cuerpo del bucle while no se ejecutará.

3.2.8. Uso y maluso de goto

La palabra clave goto está soportada en C++, dado que existe en C. El uso de goto a menudo es considerado como un estilo de programación pobre, y la mayor parte de las veces lo es. Siempre que se utilice goto, se debe revisar bien el código para ver si hay alguna otra manera de hacerlo. En raras ocasiones, goto puede resolver un problema que no puede ser resuelto de otra manera, pero, aún así, se debe considerar cuidadosamente. A continuación aparece un ejemplo que puede ser un candidato plausible: 

//: C03:gotoKeyword.cpp
// The infamous goto is supported in C++
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
  long val = 0;
  for(int i = 1; i < 1000; i++) {
    for(int j = 1; j < 100; j += 10) {
      val = i * j;
      if(val > 47000)
        goto bottom; 
        // Break would only go to the outer 'for'
    }
  }
  bottom: // A label
  cout << val << endl;
} ///:~

Listado 3.8. C03/gotoKeyword.cpp


La alternativa sería dar valor a un booleano que sea evaluado en el for externo, y luego hacer un break desde el for interno. De todos modos, si hay demasiados niveles de for o while esto puede llegar a ser pesado.

3.2.9. Recursividad

La recursividad es una técnica de programación interesante y a veces útil, en donde se llama a la función desde el cuerpo de la propia función. Por supuesto, si eso es todo lo que hace, se estaría llamando a la función hasta que se acabase la memoria de ejecución, de modo que debe existir una manera de «escaparse» de la llamada recursiva. En el siguiente ejemplo, esta «escapada» se consigue simplemente indicando que la recursión sólo continuará hasta que cat exceda Z: [40] 

//: C03:CatsInHats.cpp
// Simple demonstration of recursion
#include <iostream>
using namespace std;

void removeHat(char cat) {
  for(char c = 'A'; c < cat; c++)
    cout << "  ";
  if(cat <= 'Z') {
    cout << "cat " << cat << endl;
    removeHat(cat + 1); // Recursive call
  } else
    cout << "VOOM!!!" << endl;
}

int main() {
  removeHat('A');
} ///:~

Listado 3.9. C03/CatsInHats.cpp


En removeHat(), se puede ver que mientras cat sea menor que Z, removeHat() se llamará a sí misma, efectuando así la recursividad. Cada vez que se llama removeHat(), su argumento crece en una unidad más que el cat actual de modo que el argumento continúa aumentando.

La recursividad a menudo se utiliza cuando se evalúa algún tipo de problema arbitrariamente complejo, ya que no se restringe la solución a ningún tamaño particular - la función puede simplemente efectuar la recursividad hasta que se haya alcanzado el final del problema.

3.3. Introducción a los operadores

Se pueden ver los operadores como un tipo especial de función (aprenderá que en C++ la sobrecarga de operadores los trata precisamente de esa forma). Un operador recibe uno o más argumentos y produce un nuevo valor. Los argumentos se pasan de una manera diferente que en las llamadas a funciones normales, pero el efecto es el mismo.

Por su experiencia previa en programación, debe estar razonablemente cómodo con los operadores que se han utilizados. Los conceptos de adición (+), substracción y resta unaria (-), multiplicación (*), división (/), y asignación (=) tienen todos el mismo significado en cualquier lenguaje de programación. El grupo completo de operadores se enumera más adelante en este capítulo.

3.3.1. Precedencia

La precedencia de operadores define el orden en el que se evalúa una expresión con varios operadores diferentes. C y C++ tienen reglas específicas para determinar el orden de evaluación. Lo más fácil de recordar es que la multiplicación y la división se ejecutan antes que la suma y la resta. Luego, si una expresión no es transparente al programador que la escribe, probablemente tampoco lo será para nadie que lea el código, de modo que se deben usar paréntesis para hacer explícito el orden de la evaluación. Por ejemplo: 

A = X + Y - 2/2 + Z;

Tiene un significado muy distinto de la misma expresión pero con un configuración de paréntesis particular: 

A = X + (Y - 2)/(2 + Z);

(Intente evaluar el resultado con X =1, Y = 2, y Z = 3.)

3.3.2. Auto incremento y decremento

C, y por tanto C++, está lleno de atajos. Los atajos pueden hacer el código mucho mas fácil de escribir, y a veces más difícil de leer. Quizás los diseñadores del lenguaje C pensaron que sería más fácil entender un trozo de código complicado si los ojos no tienen que leer una larga línea de letras.

Los operadores de auto-incremento y auto-decremento son de los mejores atajos. Se utilizan a menudo para modificar las variables que controlan el número de veces que se ejecuta un bucle.

El operador de auto-decremento es -- que significa «decrementar de a una unidad». El operador de auto-incremento es ++ que significa «incrementar de a una unidad». Si es un entero, por ejemplo, la expresión ++A es equivalente a (A = A + 1). Los operadores de auto-incremento y auto-decremento producen el valor de la variable como resultado. Si el operador aparece antes de la variable (p.ej, ++A), la operación se ejecuta primero y después se produce el valor resultante. Si el operador aparece a continuación de la variable (p.ej, A++), primero se produce el valor actual, y luego se realiza la operación. Por ejemplo: 

//: C03:AutoIncrement.cpp
// Shows use of auto-increment
// and auto-decrement operators.
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
  int i = 0;
  int j = 0;
  cout << ++i << endl; // Pre-increment
  cout << j++ << endl; // Post-increment
  cout << --i << endl; // Pre-decrement
  cout << j-- << endl; // Post decrement
} ///:~

Listado 3.10. C03/AutoIncrement.cpp


Si se ha estado preguntando acerca del nombre «C++», ahora lo entenderá. Significa «un paso más allá de C» [41]

3.4. Introducción a los tipos de datos

Los tipos de datos definen el modo en que se usa el espacio (memoria) en los programas. Especificando un tipo de datos, está indicando al compilador como crear un espacio de almacenamiento en particular, y también como manipular este espacio.

Los tipos de datos pueden estar predefinidos o abstractos. Un tipo de dato predefinido es intrínsecamente comprendido por el compilador. Estos tipos de datos son casi idénticos en C y C++. En contraste, un tipo de datos definido por el usuario es aquel que usted o cualquier otro programador crea como una clase. Estos se denominan comúnmente tipos de datos abstractos. El compilador sabe como manejar tipos predefinidos por si mismo; y «aprende» como manejar tipos de datos abstractos leyendo los ficheros de cabeceras que contienen las declaraciones de las clases (esto se verá con más detalle en los siguientes capítulos).

3.4.1. Tipos predefinidos básicos

La especificación del Estándar C para los tipos predefinidos (que hereda C++) no indica cuantos bits debe contener cada uno de ellos. En vez de eso, estipula el mínimo y máximo valor que cada tipo es capaz de almacenar. Cuando una máquina se basa en sistema binario, este valor máximo puede ser directamente traducido a un numero mínimo necesario de bits para alojar ese valor. De todos modos, si una maquina usa, por ejemplo, el código binario decimal (BCD) para representar los números, entonces el espacio requerido para alojar el máximo número para cada tipo de datos será diferente. El mínimo y máximo valor que se puede almacenar en los distintos tipos de datos se define en los ficheros de cabeceras del sistema limits.h y float.h (en C++ normalmente será #include <climits> y <cfloat>).

C y C++ tienen cuatro tipos predefinidos básicos, descritos aquí para máquinas basadas en sistema binario. Un char es para almacenar caracteres y utiliza un mínimo de 8 bits (un byte) de espacio, aunque puede ser mas largo. Un int almacena un número entero y utiliza un mínimo de dos bytes de espacio. Los tipos float y el double almacenan números con coma flotante, usualmente en formato IEEE. el float es para precisión simple y el double es para doble precisión.

Como se ha mencionado previamente, se pueden definir variables en cualquier sitio en un ámbito determinado, y puede definirlas e inicializarlas al mismo tiempo. A continuación se indica cómo definir variables utilizando los cuatro tipos básicos de datos: 

//: C03:Basic.cpp
// Defining the four basic data
// types in C and C++

int main() {
  // Definition without initialization:
  char protein;
  int carbohydrates;
  float fiber;
  double fat;
  // Simultaneous definition & initialization:
  char pizza = 'A', pop = 'Z';
  int dongdings = 100, twinkles = 150, 
    heehos = 200;
  float chocolate = 3.14159;
  // Exponential notation:
  double fudge_ripple = 6e-4; 
} ///:~

Listado 3.11. C03/Basic.cpp


La primera parte del programa define variables de los cuatro tipos básicos sin inicializarlas. Si no se inicializa una variable, el Estándar dice que su contenido es indefinido (normalmente, esto significa que contienen basura). La segunda parte del programa define e inicializa variables al mismo tiempo (siempre es mejor, si es posible, dar un valor inicial en el momento de la definición). Note que el uso de notación exponencial en la contante 6e-4, significa «6 por 10 elevado a -4».

3.4.2. booleano, verdadero y falso

Antes de que bool se convirtiese en parte del Estándar C++, todos tendían a utilizar diferentes técnicas para producir comportamientos similares a los booleanos. Esto produjo problemas de portabilidad y podían acarrear errores sutiles.

El tipo bool del Estándar C++ puede tener dos estados expresados por las constantes predefinidas true (lo que lo convierte en el entero 1) y false (lo que lo convierte en el entero 0). Estos tres nombres son palabras reservadas. Además, algunos elementos del lenguaje han sido adaptados:

ElementoUso con booleanos
&& || ! Toman argumentos booleanos y producen valores bool
< > <= >= == != Producen resultados bool
if, for, while, do Las expresiones condicionales se convierten en valores bool
?: El primer operando se convierte a un valor bool

Tabla 3.1. Expresiones que utilizan booleanos


Como hay mucho código existente que utiliza un int para representar una bandera, el compilador lo convertirá implícitamente de int a bool (los valores diferentes de cero producirán true, mientras que los valores cero, producirán false). Idealmente, el compilador le dará un aviso como una sugerencia para corregir la situación.

Un modismo que se considera «estilo de programación pobre» es el uso de ++ para asignar a una bandera el valor true. Esto aún se permite, pero está obsoleto, lo que implica que en el futuro será ilegal. El problema es que se está haciendo una conversión implícita de un bool a un int, incrementando el valor (quizá más allá del rango de valores booleanos cero y uno), y luego implícitamente convirtiéndolo otra vez a bool.

Los punteros (que se describen más adelante en este capitulo) también se convierten automáticamente a bool cuando es necesario.

3.4.3. Especificadores

Los especificadores modifican el significado de los tipos predefinidos básicos y los expanden a un conjunto más grande. Hay cuatro especificadores: long, short, signed y unsigned.

long y short modifican los valores máximos y mínimos que un tipo de datos puede almacenar. Un int plano debe tener al menos el tamaño de un short. La jerarquía de tamaños para tipos enteros es: short int, int, long int. Todos pueden ser del mismo tamaño, siempre y cuando satisfagan los requisitos de mínimo/máximo. En una maquina con una palabra de 64 bits, por defecto, todos los tipos de datos podrían ser de 64 bits.

La jerarquía de tamaño para los números en coma flotante es: float, double y long double. «long float» no es un tipo válido. No hay números en coma flotantes de tamaño short.

Los especificadores signed y unsigned indican al compilador cómo utilizar el bit del signo con los tipos enteros y los caracteres (los números de coma flotante siempre contienen un signo). Un número unsigned no guarda el valor del signo y por eso tiene un bit extra disponible, de modo que puede guardar el doble de números positivos que pueden guardarse en un número signed. signed se supone por defecto y sólo es necesario con char, char puede ser o no por defecto un signed. Especificando signed char, se está forzando el uso del bit del signo.

El siguiente ejemplo muestra el tamaño de los tipos de datos en bytes utilizando el operador sizeof, descripto más adelante en ese capítulo: 

//: C03:Specify.cpp
// Demonstrates the use of specifiers
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
  char c;
  unsigned char cu;
  int i;
  unsigned int iu;
  short int is;
  short iis; // Same as short int
  unsigned short int isu;
  unsigned short iisu;
  long int il;
  long iil;  // Same as long int
  unsigned long int ilu;
  unsigned long iilu;
  float f;
  double d;
  long double ld;
  cout 
    << "\n char= " << sizeof(c)
    << "\n unsigned char = " << sizeof(cu)
    << "\n int = " << sizeof(i)
    << "\n unsigned int = " << sizeof(iu)
    << "\n short = " << sizeof(is)
    << "\n unsigned short = " << sizeof(isu)
    << "\n long = " << sizeof(il) 
    << "\n unsigned long = " << sizeof(ilu)
    << "\n float = " << sizeof(f)
    << "\n double = " << sizeof(d)
    << "\n long double = " << sizeof(ld) 
    << endl;
} ///:~

Listado 3.12. C03/Specify.cpp


Tenga en cuenta que es probable que los resultados que se consiguen ejecutando este programa sean diferentes de una maquina/sistema operativo/compilador a otro, ya que (como se mencionaba anteriormente) lo único que ha de ser consistente es que cada tipo diferente almacene los valores mínimos y máximos especificados en el Estándar.

Cuando se modifica un int con short o long, la palabra reservada int es opcional, como se muestra a continuación.

3.4.4. Introducción a punteros

Siempre que se ejecuta un programa, se carga primero (típicamente desde disco) a la memoria del ordenador. De este modo, todos los elementos del programa se ubican en algún lugar de la memoria. La memoria se representa normalmente como series secuenciales de posiciones de memoria; normalmente se hace referencia a estas localizaciones como bytes de ocho bits, pero realmente el tamaño de cada espacio depende de la arquitectura de cada máquina particular y se llamada normalmente tamaño de palabra de la máquina. Cada espacio se puede distinguir unívocamente de todos los demás espacios por su dirección. Para este tema en particular, se establecerá que todas las máquinas usan bytes que tienen direcciones secuenciales, comenzando en cero y subiendo hasta la cantidad de memoria que posea la máquina.

Como el programa reside en memoria mientras se está ejecutando, cada elemento de dicho programa tiene una dirección. Suponga que empezamos con un programa simple: 

//: C03:YourPets1.cpp
#include <iostream>
using namespace std;

int dog, cat, bird, fish;

void f(int pet) {
  cout << "pet id number: " << pet << endl;
}

int main() {
  int i, j, k;
} ///:~

Listado 3.13. C03/YourPets1.cpp


Cada uno de los elementos de este programa tiene una localización en memoria mientras el programa se está ejecutando. Incluso las funciones ocupan espacio. Como verá, se da por sentado que el tipo de un elemento y la forma en que se define determina normalmente el área de memoria en la que se ubica dicho elemento.

Hay un operador en C y C++ que permite averiguar la dirección de un elemento. Se trata del operador &. Sólo hay que anteponer el operador & delante del nombre identificador y obtendrá la dirección de ese identificador. Se puede modificar YourPets1.cpp para mostrar las direcciones de todos sus elementos, del siguiente modo: 

//: C03:YourPets2.cpp
#include <iostream>
using namespace std;

int dog, cat, bird, fish;

void f(int pet) {
  cout << "pet id number: " << pet << endl;
}

int main() {
  int i, j, k;
  cout << "f(): " << (long)&f << endl;
  cout << "dog: " << (long)&dog << endl;
  cout << "cat: " << (long)&cat << endl;
  cout << "bird: " << (long)&bird << endl;
  cout << "fish: " << (long)&fish << endl;
  cout << "i: " << (long)&i << endl;
  cout << "j: " << (long)&j << endl;
  cout << "k: " << (long)&k << endl;
} ///:~

Listado 3.14. C03/YourPets2.cpp


El (long) es una molde. Indica «No tratar como su tipo normal, sino como un long». El molde no es esencial, pero si no existiese, las direcciones aparecerían en hexadecimal, de modo que el moldeado a long hace las cosas más legibles.

Los resultados de este programa variarán dependiendo del computador, del sistema operativo, y de muchos otros tipos de factores, pero siempre darán un resultado interesante. Para una única ejecución en mi computador, los resultados son como estos: 

f(): 4198736
dog: 4323632
cat: 4323636
bird: 4323640
fish: 4323644
i: 6684160
j: 6684156
k: 6684152

Se puede apreciar como las variables que se han definido dentro de main() están en un área distinta que las variables definidas fuera de main(); entenderá el porque cuando se profundice más en el lenguaje. También, f() parece estar en su propia área; el código normalmente se separa del resto de los datos en memoria.

Otra cosa a tener en cuenta es que las variables definidas una a continuación de la otra parecen estar ubicadas de manera contigua en memoria. Están separadas por el número de bytes requeridos por su tipo de dato. En este programa el único tipo de dato utilizado es el int, y la variable cat está separada de dog por cuatro bytes, bird está separada por cuatro bytes de cat, etc. De modo que en el computador en que ha sido ejecutado el programa, un entero ocupa cuatro bytes.

¿Qué se puede hacer con las direcciones de memoria, además de este interesante experimento de mostrar cuanta memoria ocupan? Lo más importante que se puede hacer es guardar esas direcciones dentro de otras variables para su uso posterior. C y C++ tienen un tipo de variable especial para guardar una dirección. Esas variables se llaman punteros.

El operador que define un puntero es el mismo que se utiliza para la multiplicación: *. El compilador sabe que no es una multiplicación por el contexto en el que se usa, tal como podrá comprobar.

Cuando se define un puntero, se debe especificar el tipo de variable al que apunta. Se comienza dando el nombre de dicho tipo, después en lugar de escribir un identificador para la variable, usted dice «Espera, esto es un puntero» insertando un asterisco entre el tipo y el identificador. De modo que un puntero a int tiene este aspecto: 

int* ip; // ip apunta a una variable int

La asociación del * con el tipo parece práctica y legible, pero puede ser un poco confusa. La tendencia podría ser decir «puntero-entero» como un si fuese un tipo simple. Sin embargo, con un int u otro tipo de datos básico, se puede decir: 

int a, b, c;

así que con un puntero, diría: 

int* ipa, ipb, ipc;

La sintaxis de C (y por herencia, la de C++) no permite expresiones tan cómodas. En las definiciones anteriores, sólo ipa es un puntero, pero ipb e ipc son ints normales (se puede decir que «* está mas unido al identificador»). Como consecuencia, los mejores resultados se pueden obtener utilizando sólo una definición por línea; y aún se conserva una sintaxis cómoda y sin la confusión: 

int* ipa;
int* ipb;
int* ipc;

Ya que una pauta de programación de C++ es que siempre se debe inicializar una variable al definirla, realmente este modo funciona mejor. Por ejemplo, Las variables anteriores no se inicializan con ningún valor en particular; contienen basura. Es más fácil decir algo como: 

int a = 47;
int* ipa = &a;

Ahora tanto a como ipa están inicializadas, y ipa contiene la dirección de a.

Una vez que se inicializa un puntero, lo más básico que se puede hacer con Él es utilizarlo para modificar el valor de lo que apunta. Para acceder a la variable a través del puntero, se dereferencia el puntero utilizando el mismo operador que se usó para definirlo, como sigue: 

*ipa = 100;

Ahora a contiene el valor 100 en vez de 47.

Estas son las normas básicas de los punteros: se puede guardar una dirección, y se puede utilizar dicha dirección para modificar la variable original. Pero la pregunta aún permanece: ¿por qué se querría cambiar una variable utilizando otra variable como intermediario?

Para esta visión introductoria a los punteros, podemos dividir la respuesta en dos grandes categorías:

  1. Para cambiar «objetos externos» desde dentro de una función. Esto es quizás el uso más básico de los punteros, y se examinará más adelante.

  2. Para conseguir otras muchas técnicas de programación ingeniosas, sobre las que aprenderá en el resto del libro.

3.4.5. Modificar objetos externos

Normalmente, cuando se pasa un argumento a una función, se hace una copia de dicho argumento dentro de la función. Esto se llama paso-por-valor. Se puede ver el efecto de un paso-por-valor en el siguiente programa: 

//: C03:PassByValue.cpp
#include <iostream>
using namespace std;

void f(int a) {
  cout << "a = " << a << endl;
  a = 5;
  cout << "a = " << a << endl;
}

int main() {
  int x = 47;
  cout << "x = " << x << endl;
  f(x);
  cout << "x = " << x << endl;
} ///:~

Listado 3.15. C03/PassByValue.cpp


En f(), a es una variable local, de modo que existe únicamente mientras dura la llamada a la función f(). Como es un argumento de una función, el valor de a se inicializa mediante los argumentos que se pasan en la invocación de la función; en main() el argumento es x, que tiene un valor 47, de modo que el valor es copiado en a cuando se llama a f().

Cuando ejecute el programa verá: 

x = 47
a = 47
a = 5
x = 47

Por supuesto, inicialmente x es 47. Cuando se llama f(), se crea un espacio temporal para alojar la variable a durante la ejecución de la función, y el valor de x se copia a a, el cual es verificado mostrándolo por pantalla. Se puede cambiar el valor de a y demostrar que ha cambiado. Pero cuando f() termina, el espacio temporal que se había creado para a desaparece, y se puede observar que la única conexión que existía entre a y x ocurrió cuando el valor de x se copió en a.

Cuando está dentro de f(), x es el objeto externo (mi terminología), y cambiar el valor de la variable local no afecta al objeto externo, lo cual es bastante lógico, puesto que son dos ubicaciones separadas en la memoria. Pero ¿y si quiere modificar el objeto externo? Aquí es donde los punteros entran en acción. En cierto sentido, un puntero es un alias de otra variable. De modo que si a una función se le pasa un puntero en lugar de un valor ordinario, se está pasando de hecho un alias del objeto externo, dando la posibilidad a la función de que pueda modificar el objeto externo, tal como sigue: 

//: C03:PassAddress.cpp
#include <iostream>
using namespace std;

void f(int* p) {
  cout << "p = " << p << endl;
  cout << "*p = " << *p << endl;
  *p = 5;
  cout << "p = " << p << endl;
}

int main() {
  int x = 47;
  cout << "x = " << x << endl;
  cout << "&x = " << &x << endl;
  f(&x);
  cout << "x = " << x << endl;
} ///:~

Listado 3.16. C03/PassAddress.cpp


Ahora f() toma el puntero como un argumento y dereferencia el puntero durante la asignación, lo que modifica el objeto externo x. La salida es: 

x = 47
&x = 0065FE00
p = 0065FE00
*p = 47
p = 0065FE00
x = 5

Tenga en cuenta que el valor contenido en p es el mismo que la dirección de x - el puntero p de hecho apunta a x. Si esto no es suficientemente convincente, cuando p es dereferenciado para asignarle el valor 5, se ve que el valor de x cambia a 5 también.

De ese modo, pasando un puntero a una función le permitirá a esa función modificar el objeto externo. Se verán muchos otros usos de los punteros más adelante, pero podría decirse que éste es el más básico y posiblemente el más común.

3.4.6. Introducción a las referencias de C++

Los punteros funcionan más o menos igual en C y en C++, pero C++ añade un modo adicional de pasar una dirección a una función. Se trata del paso-por-referencia y existe en otros muchos lenguajes, de modo que no es una invención de C++.

La primera impresión que dan las referencias es que no son necesarias, que se pueden escribir cualquier programa sin referencias. En general, eso es verdad, con la excepción de unos pocos casos importantes que se tratarán más adelante en el libro, pero la idea básica es la misma que la demostración anterior con el puntero: se puede pasar la dirección de un argumento utilizando una referencia. La diferencia entre referencias y punteros es que invocar a una función que recibe referencias es mas limpio, sintácticamente, que llamar a una función que recibe punteros (y es exactamente esa diferencia sintáctica la que hace a las referencias esenciales en ciertas situaciones). Si PassAddress.cpp se modifica para utilizar referencias, se puede ver la diferencia en la llamada a la función en main(): 

//: C03:PassReference.cpp
#include <iostream>
using namespace std;

void f(int& r) {
  cout << "r = " << r << endl;
  cout << "&r = " << &r << endl;
  r = 5;
  cout << "r = " << r << endl;
}

int main() {
  int x = 47;
  cout << "x = " << x << endl;
  cout << "&x = " << &x << endl;
  f(x); // Looks like pass-by-value, 
        // is actually pass by reference
  cout << "x = " << x << endl;
} ///:~

Listado 3.17. C03/PassReference.cpp


En la lista de argumentos de f(), en lugar de escribir int* para pasar un puntero, se escribe int& para pasar una referencia. Dentro de f(), si dice simplemente r (lo que produciría la dirección si r fuese un puntero) se obtiene el valor en la variable que r está referenciando. Si se asigna a r, en realidad se está asignado a la variable a la que que r referencia. De hecho, la única manera de obtener la dirección que contiene r es con el operador &.

En main(), se puede ver el efecto clave de las referencias en la sintaxis de la llamada a f(), que es simplemente f(x). Aunque eso parece un paso-por-valor ordinario, el efecto de la referencia es que en realidad toma la dirección y la pasa, en lugar de hacer una copia del valor. La salida es: 

x = 47
&x = 0065FE00
r = 47
&r = 0065FE00
r = 5
x = 5

De manera que se puede ver que un paso-por-referencia permite a una función modificar el objeto externo, al igual que al pasar un puntero (también se puede observar que la referencia esconde el hecho de que se está pasando una dirección; esto se verá más adelante en el libro). Gracias a esta pequeña introducción se puede asumir que las referencias son sólo un modo sintácticamente distinto (a veces referido como «azúcar sintáctico») para conseguir lo mismo que los punteros: permitir a las funciones cambiar los objetos externos.

3.4.7. Punteros y Referencias como modificadores

Hasta ahora, se han visto los tipos básicos de datos char, int, float, y double, junto con los especificadores signed, unsigned, short, y long, que se pueden utilizar con los tipos básicos de datos en casi cualquier combinación. Ahora hemos añadido los punteros y las referencias, que son lo ortogonal a los tipos básicos de datos y los especificadores, de modo que las combinaciones posibles se acaban de triplicar: 

//: C03:AllDefinitions.cpp
// All possible combinations of basic data types, 
// specifiers, pointers and references
#include <iostream>
using namespace std;

void f1(char c, int i, float f, double d);
void f2(short int si, long int li, long double ld);
void f3(unsigned char uc, unsigned int ui, 
  unsigned short int usi, unsigned long int uli);
void f4(char* cp, int* ip, float* fp, double* dp);
void f5(short int* sip, long int* lip, 
  long double* ldp);
void f6(unsigned char* ucp, unsigned int* uip, 
  unsigned short int* usip, 
  unsigned long int* ulip);
void f7(char& cr, int& ir, float& fr, double& dr);
void f8(short int& sir, long int& lir, 
  long double& ldr);
void f9(unsigned char& ucr, unsigned int& uir, 
  unsigned short int& usir, 
  unsigned long int& ulir);

int main() {} ///:~

Listado 3.18. C03/AllDefinitions.cpp


Los punteros y las referencias entran en juego también cuando se pasan objetos dentro y fuera de las funciones; aprenderá sobre ello en un capítulo posterior.

Hay otro tipo que funciona con punteros: void. Si se establece que un puntero es un void*, significa que cualquier tipo de dirección se puede asignar a ese puntero (en cambio si tiene un int*, sólo puede asignar la dirección de una variable int a ese puntero). Por ejemplo: 

//: C03:VoidPointer.cpp
int main() {
  void* vp;
  char c;
  int i;
  float f;
  double d;
  // The address of ANY type can be
  // assigned to a void pointer:
  vp = &c;
  vp = &i;
  vp = &f;
  vp = &d;
} ///:~

Listado 3.19. C03/VoidPointer.cpp


Una vez que se asigna a un void* se pierde cualquier información sobre el tipo de la variables. Esto significa que antes de que se pueda utilizar el puntero, se debe moldear al tipo correcto: 

//: C03:CastFromVoidPointer.cpp
int main() {
  int i = 99;
  void* vp = &i;
  // Can't dereference a void pointer:
  // *vp = 3; // Compile-time error
  // Must cast back to int before dereferencing:
  *((int*)vp) = 3;
} ///:~

Listado 3.20. C03/CastFromVoidPointer.cpp


El molde (int*)vp toma el void* y le dice al compilador que lo trate como un int*, y de ese modo se puede dereferenciar correctamente. Puede observar que esta sintaxis es horrible, y lo es, pero es peor que eso - el void* introduce un agujero en el sistema de tipos del lenguaje. Eso significa, que permite, o incluso promueve, el tratamiento de un tipo como si fuera otro tipo. En el ejemplo anterior, se trata un int como un int mediante el moldeado de vp a int*, pero no hay nada que indique que no se lo puede moldear a char* o double*, lo que modificaría una cantidad diferente de espacio que ha sido asignada al int, lo que posiblemente provocará que el programa falle.. En general, los punteros void deberían ser evitados, y utilizados únicamente en raras ocasiones, que no se podrán considerar hasta bastante más adelante en el libro.

No se puede tener una referencia void, por razones que se explicarán en el capítulo 11.

3.5. Alcance

Las reglas de ámbitos dicen cuando es válida una variable, dónde se crea, y cuándo se destruye (es decir, sale de ámbito). El ámbito de una variable se extiende desde el punto donde se define hasta la primera llave que empareja con la llave de apertura antes de que la variable fuese definida. Eso quiere decir que un ámbito se define por su juego de llaves «más cercanas». Para ilustrarlo: 

//: C03:Scope.cpp
// How variables are scoped
int main() {
  int scp1;
  // scp1 visible here
  {
    // scp1 still visible here
    //.....
    int scp2;
    // scp2 visible here
    //.....
    {
      // scp1 & scp2 still visible here
      //..
      int scp3;
      // scp1, scp2 & scp3 visible here
      // ...
    } // <-- scp3 destroyed here
    // scp3 not available here
    // scp1 & scp2 still visible here
    // ...
  } // <-- scp2 destroyed here
  // scp3 & scp2 not available here
  // scp1 still visible here
  //..
} // <-- scp1 destroyed here
///:~

Listado 3.21. C03/Scope.cpp


El ejemplo anterior muestra cuándo las variables son visibles y cuando dejan de estar disponibles (es decir, cuando salen del ámbito). Una variable se puede utilizar sólo cuando se está dentro de su ámbito. Los ámbitos pueden estar anidados, indicados por parejas de llaves dentro de otras parejas de llaves. El anidado significa que se puede acceder a una variable en un ámbito que incluye el ámbito en el que se está. En el ejemplo anterior, la variable scp1 está disponible dentro de todos los demás ámbitos, mientras que scp3 sólo está disponible en el ámbito más interno.

3.5.1. Definición de variables «al vuelo»

Como se ha mencionado antes en este capítulo, hay una diferencia importante entre C y C++ al definir variables. Ambos lenguajes requieren que las variables estén definidas antes de utilizarse, pero C (y muchos otros lenguajes procedurales tradicionales) fuerzan a que se definan todas las variables al principio del bloque, de modo que cuando el compilador crea un bloque puede crear espacio para esas variables.

Cuando uno lee código C, normalmente lo primero que encuentra cuando empieza un ámbito, es un bloque de definiciones de variables. Declarar todas las variables al comienzo de un bloque requiere que el programador escriba de un modo particular debido a los detalles de implementación del lenguaje. La mayoría de las personas no conocen todas las variables que van a utilizar antes de escribir el código, de modo que siempre están volviendo al principio del bloque para insertar nuevas variables, lo cual resulta pesado y causa errores. Normalmente estas definiciones de variables no significan demasiado para el lector, y de hecho tienden a ser confusas porque aparecen separadas del contexto en el cual se utilizan.

C++ (pero no C) permite definir variables en cualquier sitio dentro de un ámbito, de modo que se puede definir una variable justo antes de usarla. Además, se puede inicializar la variable en el momento de la definición, lo que previene cierto tipo de errores. Definir las variables de este modo hace el código más fácil de escribir y reduce los errores que provoca estar forzado a volver atrás y adelante dentro de un ámbito. Hace el código más fácil de entender porque es una variable definida en el contexto de su utilización. Esto es especialmente importante cuando se está definiendo e inicializando una variable al mismo tiempo - se puede ver el significado del valor de inicialización por el modo en el que se usa la variable.

También se pueden definir variables dentro de expresiones de control tales como los bucles for y while, dentro de las sentencias de condiciones if, y dentro de la sentencia de selección switch. A continuación hay un ejemplo que muestra la definición de variables al-vuelo: 

//: C03:OnTheFly.cpp
// On-the-fly variable definitions
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
  //..
  { // Begin a new scope
    int q = 0; // C requires definitions here
    //..
    // Define at point of use:
    for(int i = 0; i < 100; i++) { 
      q++; // q comes from a larger scope
      // Definition at the end of the scope:
      int p = 12; 
    }
    int p = 1;  // A different p
  } // End scope containing q & outer p
  cout << "Type characters:" << endl;
  while(char c = cin.get() != 'q') {
    cout << c << " wasn't it" << endl;
    if(char x = c == 'a' || c == 'b')
      cout << "You typed a or b" << endl;
    else
      cout << "You typed " << x << endl;
  }
  cout << "Type A, B, or C" << endl;
  switch(int i = cin.get()) {
    case 'A': cout << "Snap" << endl; break;
    case 'B': cout << "Crackle" << endl; break;
    case 'C': cout << "Pop" << endl; break;
    default: cout << "Not A, B or C!" << endl;
  }
} ///:~

Listado 3.22. C03/OnTheFly.cpp


En el ámbito más interno, se define p antes de que acabe el ámbito, de modo que realmente es un gesto inútil (pero demuestra que se puede definir una variable en cualquier sitio). La variable p en el ámbito exterior está en la misma situación.

La definición de i en la expresión de control del bucle for es un ejemplo de que es posible definir una variable exactamente en el punto en el que se necesita (esto sólo se puede hacer en C++). El ámbito de i es el ámbito de la expresión controlada por el bucle for, de modo que se puede re-utilizar i en el siguiente bucle for. Se trata de un modismo conveniente y común en C++; i es el nombre habitual para el contador de un for y así no hay que inventar nombres nuevos.

A pesar de que el ejemplo también muestra variables definidas dentro de las sentencias while, if y switch, este tipo de definiciones es menos común que las de expresiones for, quizás debido a que la sintaxis es más restrictiva. Por ejemplo, no se puede tener ningún paréntesis. Es decir, que no se puede indicar: 

while((char c = cin.get()) != 'q')

Añadir los paréntesis extra parecería una acción inocente y útil, y debido a que no se pueden utilizar, los resultados no son los esperados. El problema ocurre porque != tiene orden de precedencia mayor que =, de modo que el char c acaba conteniendo un bool convertido a char. Cuando se muestra, en muchos terminales se vería el carácter de la cara sonriente.

En general, se puede considerar la posibilidad de definir variables dentro de las sentencias while, if y switch por completitud, pero el único lugar donde se debería utilizar este tipo de definición de variables es en el bucle for (dónde usted las utilizará más a menudo).

3.6. Especificar la ubicación del espacio de almacenamiento

Al crear una variable, hay varias alternativas para especificar la vida de dicha variable, la forma en que se decide la ubicación para esa variable y cómo la tratará el compilador.

3.6.1. Variables globales

Las variables globales se definen fuera de todos los cuerpos de las funciones y están disponibles para todo el programa (incluso el código de otros ficheros). Las variables globales no están afectadas por ámbitos y están siempre disponibles (es decir, la vida de una variable global dura hasta la finalización del programa). Si la existencia de una variable global en un fichero se declara usando la palabra reservada extern en otro fichero, la información está disponible para su utilización en el segundo fichero. A continuación, un ejemplo del uso de variables globales: 

//: C03:Global.cpp
//{L} Global2
// Demonstration of global variables
#include <iostream>
using namespace std;

int globe;
void func();
int main() {
  globe = 12;
  cout << globe << endl;
  func(); // Modifies globe
  cout << globe << endl;
} ///:~

Listado 3.23. C03/Global.cpp


Y el fichero que accede a globe como un extern: 

//: C03:Global2.cpp {O}
// Accessing external global variables
extern int globe;  
// (The linker resolves the reference)
void func() {
  globe = 47;
} ///:~

Listado 3.24. C03/Global2.cpp


El espacio para la variable globe se crea mediante la definición en Global.cpp, y esa misma variable es accedida por el código de Global2.cpp. Ya que el código de Global2.cpp se compila separado del código de Global.cpp, se debe informar al compilador de que la variable existe en otro sitio mediante la declaración 

extern int globe;

Cuando ejecute el programa, observará que la llamada fun() afecta efectivamente a la única instancia global de globe.

En Global.cpp, se puede ver el comentario con una marca especial (que es diseño mío): 

//{L} Global2

Eso indica que para crear el programa final, el fichero objeto con el nombre Global2 debe estar enlazado (no hay extensión ya que los nombres de las extensiones de los ficheros objeto difieren de un sistema a otro). En Global2.cpp, la primera línea tiene otra marca especial {O}, que significa «No intentar crear un ejecutable de este fichero, se compila para que pueda enlazarse con otro fichero». El programa ExtractCode.cpp en el Volumen 2 de este libro (que se puede descargar de www.BruceEckel.com) lee estas marcas y crea el makefile apropiado de modo que todo se compila correctamente (aprenderá sobre makefiles al final de este capítulo).

3.6.2. Variables locales

Las variables locales son las que se encuentran dentro de un ámbito; son «locales» a una función. A menudo se las llama variables automáticas porque aparecen automáticamente cuando se entra en un ámbito y desaparecen cuando el ámbito se acaba. La palabra reservada auto lo enfatiza, pero las variables locales son auto por defecto, de modo que nunca se necesita realmente declarar algo como auto.

Variables registro

Una variable registro es un tipo de variable local. La palabra reservada register indica al compilador «Haz que los accesos a esta variable sean lo más rápidos posible». Aumentar la velocidad de acceso depende de la implementación, pero, tal como sugiere el nombre, a menudo se hace situando la variable en un registro del microprocesador. No hay garantía alguna de que la variable pueda ser ubicada en un registro y tampoco de que la velocidad de acceso aumente. Es una ayuda para el compilador.

Hay restricciones a la hora de utilizar variables registro. No se puede consular o calcular la dirección de una variable registro. Una variable registro sólo se puede declarar dentro de un bloque (no se pueden tener variables de registro globales o estáticas). De todos modos, se pueden utilizar como un argumento formal en una función (es decir, en la lista de argumentos).

En general, no se debería intentar influir sobre el optimizador del compilador, ya que probablemente él hará mejor el trabajo de lo que lo pueda hacer usted. Por eso, es mejor evitar el uso de la palabra reservada register.

3.6.3. Static

La palabra reservada static tiene varios significados. Normalmente, las variables definidas localmente a una función desaparecen al final del ámbito de ésta. Cuando se llama de nuevo a la función, el espacio de las variables se vuelve a pedir y las variables son re-inicializadas. Si se desea que el valor se conserve durante la vida de un programa, puede definir una variable local de una función como static y darle un valor inicial. La inicialización se realiza sólo la primera vez que se llama a la función, y la información se conserva entre invocaciones sucesivas de la función. De este modo, una función puede «recordar» cierta información entre una llamada y otra.

Puede surgir la duda de porqué no utilizar una variable global en este caso. El encanto de una variable static es que no está disponible fuera del ámbito de la función, de modo que no se puede modificar accidentalmente. Esto facilita la localización de errores.

A continuación, un ejemplo del uso de variables static: 

//: C03:Static.cpp
// Using a static variable in a function
#include <iostream>
using namespace std;

void func() {
  static int i = 0;
  cout << "i = " << ++i << endl;
}

int main() {
  for(int x = 0; x < 10; x++)
    func();
} ///:~

Listado 3.25. C03/Static.cpp


Cada vez que se llama a func() dentro del bucle, se imprime un valor diferente. Si no se utilizara la palabra reservada static, el valor mostrado sería siempre 1.

El segundo significado de static está relacionado con el primero en el sentido de que «no está disponible fuera de cierto ámbito». Cuando se aplica static al nombre de una función o de una variable que está fuera de todas las funciones, significa «Este nombre no está disponible fuera de este fichero». El nombre de la función o de la variable es local al fichero; decimos que tiene ámbito de fichero. Como demostración, al compilar y enlazar los dos ficheros siguientes aparece un error en el enlazado: 

//: C03:FileStatic.cpp
// File scope demonstration. Compiling and 
// linking this file with FileStatic2.cpp
// will cause a linker error

// File scope means only available in this file:
static int fs; 

int main() {
  fs = 1;
} ///:~

Listado 3.26. C03/FileStatic.cpp


Aunque la variable fs está destinada a existir como un extern en el siguiente fichero, el enlazador no la encontraría porque ha sido declarada static en FileStatic.cpp. 

//: C03:FileStatic2.cpp {O}
// Trying to reference fs
extern int fs;
void func() {
  fs = 100;
} ///:~

Listado 3.27. C03/FileStatic2.cpp


El especificador static también se puede usar dentro de una clase. Esta explicación se dará más adelante en este libro, cuando aprenda a crear clases.

3.6.4. extern

La palabra reservada extern ya ha sido brevemente descripta. Le dice al compilador que una variable o una función existe, incluso si el compilado aún no la ha visto en el fichero que está siendo compilado en ese momento. Esta variable o función puede definirse en otro fichero o más abajo en el fichero actual. A modo de ejemplo: 

//: C03:Forward.cpp
// Forward function & data declarations
#include <iostream>
using namespace std;

// This is not actually external, but the 
// compiler must be told it exists somewhere:
extern int i; 
extern void func();
int main() {
  i = 0;
  func();
}
int i; // The data definition
void func() {
  i++;
  cout << i;
} ///:~

Listado 3.28. C03/Forward.cpp


Cuando el compilador encuentra la declaración extern int i sabe que la definición para i debe existir en algún sitio como una variable global. Cuando el compilador alcanza la definición de i, ninguna otra declaración es visible, de modo que sabe que ha encontrado la misma i declarada anteriormente en el fichero. Si se hubiera definido i como static, estaría indicando al compilador que i se define globalmente (por extern), pero también que tiene el ámbito de fichero (por static), de modo que el compilador generará un error.

Enlazado

Para comprender el comportamiento de los programas C y C++, es necesario saber sobre enlazado. En un programa en ejecución, un identificador se representa con espacio en memoria que aloja una variable o un cuerpo de función compilada. El enlazado describe este espacio tal como lo ve el enlazador. Hay dos formas de enlazado: enlace interno y enlace externo.

Enlace interno significa que el espacio se pide para representar el identificador sólo durante la compilación del fichero. Otros ficheros pueden utilizar el mismo nombre de identificador con un enlace interno, o para una variable global, y el enlazador no encontraría conflictos - se pide un espacio separado para cada identificador. El enlace interno se especifica mediante la palabra reservada static en C y C++.

Enlace externo significa que se pide sólo un espacio para representar el identificador para todos los ficheros que se estén compilando. El espacio se pide una vez, y el enlazador debe resolver todas las demás referencias a esa ubicación. Las variables globales y los nombres de función tienen enlace externo. Son accesibles desde otros ficheros declarándolas con la palabra reservada extern. Por defecto, las variables definidas fuera de todas las funciones (con la excepción de const en C++) y las definiciones de las funciones implican enlace externo. Se pueden forzar específicamente a tener enlace interno utilizando static. Se puede establecer explícitamente que un identificador tiene enlace externo definiéndolo como extern. No es necesario definir una variable o una función como extern en C, pero a veces es necesario para const en C++.

Las variables automáticas (locales) existen sólo temporalmente, en la pila, mientras se está ejecutando una función. El enlazador no entiende de variables automáticas, de modo que no tienen enlazado.

3.6.5. Constantes

En el antiguo C (pre-Estándar), si se deseaba crear una constante, se debía utilizar el preprocesador: 

#define PI 3.14159

En cualquier sitio en el que utilizase PI, el preprocesador lo substituía por el valor 3.14159 (aún se puede utilizar este método en C y C++).

Cuando se utiliza el preprocesador para crear constantes, su control queda fuera del ámbito del compilador. No existe ninguna comprobación de tipo y no se puede obtener la dirección de PI (de modo que no se puede pasar un puntero o una referencia a PI). PI no puede ser una variable de un tipo definido por el usuario. El significado de PI dura desde el punto en que es definida, hasta el final del fichero; el preprocesador no entiende de ámbitos.

C++ introduce el concepto de constantes con nombre que es lo mismo que variable, excepto que su valor no puede cambiar. El modificador const le indica al compilador que el nombre representa una constante. Cualquier tipo de datos predefinido o definido por el usuario, puede ser definido como const. Si se define algo como const y luego se intenta modificar, el compilador generará un error.

Se debe especificar el tipo de un const, de este modo: 

const int x = 10;

En C y C++ Estándar, se puede usar una constante en una lista de argumentos, incluso si el argumento que ocupa es un puntero o una referencia (p.e, se puede obtener la dirección de una constante). Las constantes tienen ámbito, al igual que una variable ordinaria, de modo que se puede «esconder» una constante dentro de una función y estar seguro de que ese nombre no afectará al resto del programa.

const ha sido tomado de C++ e incorporado al C Estándar pero un modo un poco distinto. En C, el compilador trata a const del mismo modo que a una variable que tuviera asociado una etiqueta que dice «No me cambies». Cuando se define un const en C, el compilador pide espacio para él, de modo que si se define más de un const con el mismo nombre en dos ficheros distintos (o se ubica la definición en un fichero de cabeceras), el enlazador generará mensajes de error sobre del conflicto. El concepto de const en C es diferente de su utilización en C++ (en resumen, es más bonito en C++).

Valores constantes

En C++, una constante debe tener siempre un valor inicial (En C, eso no es cierto). Los valores de las constantes para tipos predefinidos se expresan en decimal, octal, hexadecimal, o números con punto flotante (desgraciadamente, no se consideró que los binarios fuesen importantes), o como caracteres.

A falta de cualquier otra pista, el compilador assume que el valor de una constante es un número decimal. Los números 47, 0 y 1101 se tratan como números decimales.

Un valor constante con un cero al principio se trata como un número octal (base 8). Los números con base 8 pueden contener únicamente dígitos del 0 al 7; el compilador interpreta otros dígitos como un error. Un número octal legítimo es 017 (15 en base 10).

Un valor constante con 0x al principio se trata como un número hexadecimal (base 16). Los números con base 16 pueden contener dígitos del 0 al 9 y letras de la a a la f o A a F. Un número hexadecimal legítimo es 0x1fe (510 en base 10).

Los números en punto flotante pueden contener comas decimales y potencias exponenciales (representadas mediante e, lo que significa «10 elevado a»). Tanto el punto decimal como la e son opcionales. Si se asigna una constante a una variable de punto flotante, el compilador tomará el valor de la constante y la convertirá a un número en punto flotante (este proceso es una forma de lo que se conoce como conversión implícita de tipo). De todos modos, es una buena idea el usar el punto decimal o una e para recordar al lector que está utilizando un número en punto flotante; algunos compiladores incluso necesitan esta pista.

Algunos valores válidos para una constante en punto flotante son: 1e4, 1.0001, 47.0, 0.0 y 1.159e-77. Se pueden añadir sufijos para forzar el tipo de número de punto flotante: f o F fuerza que sea float, L o l fuerza que sea un long double; de lo contrario, el número será un double.

Las constantes de tipo char son caracteres entre comillas simples, tales como: 'A', 'o', ''. Fíjese en que hay una gran diferencia entre el carácter 'o' (ASCII 96) y el valor 0. Los caracteres especiales se representan con la «barra invertida»: '\n' (nueva línea), '\t' (tabulación), '\\' (barra invertida), '\r' (retorno de carro), '\"' (comilla doble), '\'' (comilla simple), etc. Incluso se puede expresar constantes de tipo char en octal: '\17' o hexadecimal: '\xff'.

3.6.6. Volatile

Mientras que el calificador const indica al compilador «Esto nunca cambia» (lo que permite al compilador realizar optimizaciones extra), el calificador volatile dice al compilador «Nunca se sabe cuando cambiará esto», y evita que el compilador realice optimizaciones basadas en la estabilidad de esa variable. Se utiliza esta palabra reservada cuando se lee algún valor fuera del control del código, algo así como un registro en un hardware de comunicación. Una variable volatile se lee siempre que su valor es requerido, incluso si se ha leído en la línea anterior.

Un caso especial de espacio que está «fuera del control del código» es en un programa multi-hilo. Si está comprobando una bandera particular que puede ser modificada por otro hilo o proceso, esta bandera debería ser volatile de modo que el compilador no asuma que puede optimizar múltiples lecturas de la bandera.

Fíjese en que volatile puede no tener efecto cuando el compilador no está optimizando, pero puede prevenir errores críticos cuando se comienza a optimizar el código (que es cuando el compilador empezará a buscar lecturas redundantes).

Las palabras reservadas const y volatile se verán con más detalle en un capítulo posterior.

3.7. Los operadores y su uso

Esta sección cubre todos los operadores de C y C++.

Todos los operadores producen un valor a partir de sus operandos. Esta operación se efectúa sin modificar los operandos, excepto con los operadores de asignación, incremento y decremento. El hecho de modificar un operando se denomina efecto colateral. El uso más común de los operadores que modifican sus operandos es producir el efecto colateral, pero se debería tener en cuenta que el valor producido está disponible para su uso al igual que el de los operadores sin efectos colaterales.

3.7.1. Asignación

La asignación se realiza mediante el operador =. Eso significa «Toma el valor de la derecha (a menudo llamado rvalue) y cópialo en la variable de la izquierda (a menudo llamado lvalue).» Un rvalue es cualquier constante, variable o expresión que pueda producir un valor, pero un lvalue debe ser una variable con un nombre distintivo y único (esto quiere decir que debe haber un espacio físico dónde guardar la información). De hecho, se puede asignar el valor de una constante a una variable (A = 4;), pero no se puede asignar nada a una constante - es decir, una constante no puede ser un lvalue (no se puede escribir 4 = A;).

3.7.2. Operadores matemáticos

Los operadores matemáticos básicos son los mismos que están disponibles en la mayoría de los lenguajes de programación: adición (+), substracción (-), división (/), multiplicación (*), y módulo (%; que produce el resto de una división entera). La división entera trunca el resultado (no lo redondea). El operador módulo no se puede utilizar con números con punto flotante.

C y C++ también utilizan notaciones abreviadas para efectuar una operación y una asignación al mismo tiempo. Esto se denota por un operador seguido de un signo igual, y se puede aplicar a todos los operadores del lenguaje (siempre que tenga sentido). Por ejemplo, para añadir 4 a la variable x y asignar x al resultado, se escribe: x += 4;.

Este ejemplo muestra el uso de los operadores matemáticos: 

//: C03:Mathops.cpp
// Mathematical operators
#include <iostream>
using namespace std;

// A macro to display a string and a value.
#define PRINT(STR, VAR) \
  cout << STR " = " << VAR << endl

int main() {
  int i, j, k;
  float u, v, w;  // Applies to doubles, too
  cout << "enter an integer: ";
  cin >> j;
  cout << "enter another integer: ";
  cin >> k;
  PRINT("j",j);  PRINT("k",k);
  i = j + k; PRINT("j + k",i);
  i = j - k; PRINT("j - k",i);
  i = k / j; PRINT("k / j",i);
  i = k * j; PRINT("k * j",i);
  i = k % j; PRINT("k % j",i);
  // The following only works with integers:
  j %= k; PRINT("j %= k", j);
  cout << "Enter a floating-point number: ";
  cin >> v;
  cout << "Enter another floating-point number:";
  cin >> w;
  PRINT("v",v); PRINT("w",w);
  u = v + w; PRINT("v + w", u);
  u = v - w; PRINT("v - w", u);
  u = v * w; PRINT("v * w", u);
  u = v / w; PRINT("v / w", u);
  // The following works for ints, chars, 
  // and doubles too:
  PRINT("u", u); PRINT("v", v);
  u += v; PRINT("u += v", u);
  u -= v; PRINT("u -= v", u);
  u *= v; PRINT("u *= v", u);
  u /= v; PRINT("u /= v", u);
} ///:~

Listado 3.29. C03/Mathops.cpp


Los rvalues de todas las asignaciones pueden ser, por supuesto, mucho mas complejos.

Introducción a las macros del preprocesador

Observe el uso de la macro PRINT() para ahorrar líneas (y errores de sintaxis!). Las macros de preprocesador se nombran tradicionalmente con todas sus letras en mayúsculas para que sea fácil distinguirlas - aprenderá más adelante que las macros pueden ser peligrosas (y también pueden ser muy útiles).

Los argumentos de de la lista entre paréntesis que sigue al nombre de la macro son sustituidos en todo el código que sigue al paréntesis de cierre. El preprocesador elimina el nombre PRINT y sustituye el código donde se invoca la macro, de modo que el compilador no puede generar ningún mensaje de error al utilizar el nombre de la macro, y no realiza ninguna comprobación de sintaxis sobre los argumentos (esto lo último puede ser beneficioso, como se muestra en las macros de depuración al final del capítulo).

3.7.3. Operadores relacionales

Los operadores relacionales establecen una relación entre el valor de los operandos. Producen un valor booleano (especificado con la palabra reservada bool en C++) true si la relación es verdadera, y false si la relación es falsa. Los operadores relacionales son: menor que (<), mayor que (>), menor o igual a (<=), mayor o igual a (>=), equivalente (==), y distinto (!=). Se pueden utilizar con todos los tipos de datos predefinidos en C y C++. Se pueden dar definiciones especiales para tipos definidos por el usuario en C++ (aprenderá más sobre el tema en el Capítulo 12, que cubre la sobrecarga de operadores).

3.7.4. Operadores lógicos

Los operadores lógicos and (&&) y or (||) producen true o false basándose en la relación lógica de sus argumentos. Recuerde que en C y C++, una condición es cierta si tiene un valor diferente de cero, y falsa si vale cero. Si se imprime un bool, por lo general verá un 1' para true y 0 para false.

Este ejemplo utiliza los operadores relacionales y lógicos: 

//: C03:Boolean.cpp
// Relational and logical operators.
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
  int i,j;
  cout << "Enter an integer: ";
  cin >> i;
  cout << "Enter another integer: ";
  cin >> j;
  cout << "i > j is " << (i > j) << endl;
  cout << "i < j is " << (i < j) << endl;
  cout << "i >= j is " << (i >= j) << endl;
  cout << "i <= j is " << (i <= j) << endl;
  cout << "i == j is " << (i == j) << endl;
  cout << "i != j is " << (i != j) << endl;
  cout << "i && j is " << (i && j) << endl;
  cout << "i || j is " << (i || j) << endl;
  cout << " (i < 10) && (j < 10) is "
       << ((i < 10) && (j < 10))  << endl;
} ///:~

Listado 3.30. C03/Boolean.cpp


Se puede reemplazar la definición de int con float o double en el programa anterior. De todos modos, dese cuenta de que la comparación de un número en punto flotante con el valor cero es estricta; un número que es la fracción más pequeña diferente de otro número aún se considera «distinto de». Un número en punto flotante que es poca mayor que cero se considera verdadero.

3.7.5. Operadores para bits

Los operadores de bits permiten manipular bits individuales y dar como salida un número (ya que los valores con punto flotante utilizan un formato interno especial, los operadores de bitS sólo funcionan con tipos enteros: char, int y long). Los operadores de bitS efectúan álgebra booleana en los bits correspondientes de los argumentos para producir el resultado.

El operador and (&) para bits produce uno en la salida si ambos bits de entrada valen uno; de otro modo produce un cero. El operador or (|) para bits produce un uno en la salida si cualquiera de los dos valores de entrada vale uno, y produce un cero sólo si ambos valores de entrada son cero. El operador or exclusivo o xor (^) para bits produce uno en la salida si uno de los valores de entrada es uno, pero no ambos. El operador not (~) para bits (también llamado operador de complemento a uno) es un operador unario - toma un único argumento (todos los demás operadores son binarios). El operador not para bits produce el valor contrario a la entrada - uno si el bit de entrada es cero, y cero si el bit de entrada es uno.

Los operadores de bits pueden combinarse con el signo = para unir la operación y la asignación: &=, |=, y ^= son todas operaciones legales (dado que ~ es un operador unario no puede combinarse con el signo =).

3.7.6. Operadores de desplazamiento

Los operadores de desplazamiento también manipulan bits. El operador de desplazamiento a izquierda (<<) produce el desplazamiento del operando que aparece a la izquierda del operador tantos bits a la izquierda como indique el número a la derecha del operador. El operador de desplazamiento a derecha (>>) produce el desplazamiento del operando de la izquierda hacia la derecha tantos bits como indique el número a la derecha del operador. Si el valor que sigue al operador de desplazamiento es mayor que el número de bits del lado izquierdo, el resultado es indefinido. Si el operando de la izquierda no tiene signo, el desplazamiento a derecha es un desplazamiento lógico de modo que los bits del principio se rellenan con ceros. Si el operando de la izquierda tiene signo, el desplazamiento derecho puede ser un desplazamiento lógico (es decir, significa que el comportamiento es indeterminado).

Los desplazamientos pueden combinarse con el signo igual (<<= y >>=). El lvalue se reemplaza por lvalue desplazado por el rvalue.

Lo que sigue a continuación es un ejemplo que demuestra el uso de todos los operadores que involucran bits. Primero, una función de propósito general que imprime un byte en formato binario, creada para que se pueda reutilizar fácilmente. El fichero de cabecera declara la función: 

//: C03:printBinary.h
// Display a byte in binary
void printBinary(const unsigned char val);
///:~

Listado 3.31. C03/printBinary.h


A continuación la implementación de la función: 

//: C03:printBinary.cpp {O}
#include <iostream>
void printBinary(const unsigned char val) {
  for(int i = 7; i >= 0; i--)
    if(val & (1 << i))
      std::cout << "1";
    else
      std::cout << "0";
} ///:~

Listado 3.32. C03/printBinary.cpp


La función printBinary() toma un único byte y lo muestra bit a bit. La expresión: 

(1 << i)

produce un uno en cada posición sucesiva de bit; en binario: 00000001, 00000010, etc. Si se hace and a este bit con val y el resultado es diferente de cero, significa que había un uno en esa posición de val.

Finalmente, se utiliza la función en el ejemplo que muestra los operadores de manipulación de bits: 

//: C03:Bitwise.cpp
//{L} printBinary
// Demonstration of bit manipulation
#include "printBinary.h"
#include <iostream>
using namespace std;

// A macro to save typing:
#define PR(STR, EXPR) \
  cout << STR; printBinary(EXPR); cout << endl;  

int main() {
  unsigned int getval;
  unsigned char a, b;
  cout << "Enter a number between 0 and 255: ";
  cin >> getval; a = getval;
  PR("a in binary: ", a);
  cout << "Enter a number between 0 and 255: ";
  cin >> getval; b = getval;
  PR("b in binary: ", b);
  PR("a | b = ", a | b);
  PR("a & b = ", a & b);
  PR("a ^ b = ", a ^ b);
  PR("~a = ", ~a);
  PR("~b = ", ~b);
  // An interesting bit pattern:
  unsigned char c = 0x5A; 
  PR("c in binary: ", c);
  a |= c;
  PR("a |= c; a = ", a);
  b &= c;
  PR("b &= c; b = ", b);
  b ^= a;
  PR("b ^= a; b = ", b);
} ///:~

Listado 3.33. C03/Bitwise.cpp


Una vez más, se usa una macro de preprocesador para ahorrar líneas. Imprime la cadena elegida, luego la representación binaria de una expresión, y luego un salto de línea.

En main(), las variables son unsigned. Esto es porque, en general, no se desean signos cuando se trabaja con bytes. Se debe utilizar un int en lugar de un char para getval porque de otro modo la sentencia cin >> trataría el primer dígito como un carácter. Asignando getval a a y b, se convierte el valor a un solo byte (truncándolo).

Los operadores << y >> proporcionan un comportamiento de desplazamiento de bits, pero cuando desplazan bits que están al final del número, estos bits se pierden (comúnmente se dice que se caen en el mítico cubo de bits, el lugar donde acaban los bits descartados, presumiblemente para que puedan ser utilizados...). Cuando se manipulan bits también se pueden realizar rotaciones; es decir, que los bits que salen de uno de los extremos se pueden insertar por el otro extremo, como si estuviesen rotando en un bucle. Aunque la mayoría de los procesadores de ordenadores ofrecen un comando de rotación a nivel máquina (se puede ver en el lenguaje ensamblador de ese procesador), no hay un soporte directo para rotate en C o C++. Se supone que a los diseñadores de C les pareció justificado el hecho de prescindir de rotate (en pro, como dijeron, de un lenguaje minimalista) ya que el programador se puede construir su propio comando rotate. Por ejemplo, a continuación hay funciones para realizar rotaciones a izquierda y derecha: 

//: C03:Rotation.cpp {O}
// Perform left and right rotations

unsigned char rol(unsigned char val) {
  int highbit;
  if(val & 0x80) // 0x80 is the high bit only
    highbit = 1;
  else
    highbit = 0;
  // Left shift (bottom bit becomes 0):
  val <<= 1;
  // Rotate the high bit onto the bottom:
  val |= highbit;
  return val;
}

unsigned char ror(unsigned char val) {
  int lowbit;
  if(val & 1) // Check the low bit
    lowbit = 1;
  else
    lowbit = 0;
  val >>= 1; // Right shift by one position
  // Rotate the low bit onto the top:
  val |= (lowbit << 7);
  return val;
} ///:~

Listado 3.34. C03/Rotation.cpp


Al intentar utilizar estas funciones en Bitwise.cpp, advierta que las definiciones (o cuando menos las declaraciones) de rol() y ror() deben ser vistas por el compilador en Bitwise.cpp antes de que se puedan utilizar.

Las funciones de tratamiento de bits son por lo general extremadamente eficientes ya que traducen directamente las sentencias a lenguaje ensamblador. A veces una sentencia de C o C++ generará una única línea de código ensamblador.

3.7.7. Operadores unarios

El not no es el único operador de bits que toma sólo un argumento. Su compañero, el not lógico (!), toma un valor true y produce un valor false. El menos unario (-) y el más unario (+) son los mismos operadores que los binarios menos y más; el compilador deduce que uso se le pretende dar por el modo en el que se escribe la expresión. De hecho, la sentencia: 

x = -a;

tiene un significado obvio. El compilador puede deducir: 

x = a * -b;

pero el lector se puede confundir, de modo que es más seguro escribir: 

x = a * (-b);

El menos unario produce el valor negativo. El más unario ofrece simetría con el menos unario, aunque en realidad no hace nada.

Los operadores de incremento y decremento (++ y --) se comentaron ya en este capítulo. Son los únicos operadores, además de los que involucran asignación, que tienen efectos colaterales. Estos operadores incrementan o decrementan la variable en una unidad, aunque «unidad» puede tener diferentes significados dependiendo del tipo de dato - esto es especialmente importante en el caso de los punteros.

Los últimos operadores unarios son dirección-de (&), indirección (* y ->), los operadores de moldeado en C y C++, y new y delete en C++. La dirección-de y la indirección se utilizan con los punteros, descriptos en este capítulo. El moldeado se describe mas adelante en este capítulo, y new y delete se introducen en el Capítulo 4.

3.7.8. El operador ternario

El if-else ternario es inusual porque tiene tres operandos. Realmente es un operador porque produce un valor, al contrario de la sentencia ordinaria if-else. Consta de tres expresiones: si la primera expresión (seguida de un ?) se evalúa como cierto, se devuelve el resultado de evaluar la expresión que sigue al ?. Si la primera expresión es falsa, se ejecuta la tercera expresión (que sigue a :) y su resultado se convierte en el valor producido por el operador.

El operador condicional se puede usar por sus efectos colaterales o por el valor que produce. A continuación, un fragmento de código que demuestra ambas cosas: 

a = --b ? b : (b = -99);

Aquí, el condicional produce el rvalue. A a se le asigna el valor de b si el resultado de decrementar b es diferente de cero. Si b se queda a cero, a y b son ambas asignadas a -99. b siempre se decrementa, pero se asigna a -99 sólo si el decremento provoca que b valga 0. Se puede utilizar un sentencia similar sin el a = sólo por sus efectos colaterales: 

--b ? b : (b = -99);

Aquí la segunda b es superflua, ya que no se utiliza el valor producido por el operador. Se requiere una expresión entre el ? y :. En este caso, la expresión puede ser simplemente una constante, lo que haría que el código se ejecute un poco más rápido.

3.7.9. El operador coma

La coma no se limita a separar nombres de variables en definiciones múltiples, tales como 

int i, j, k;

Por supuesto, también se usa en listas de argumentos de funciones. De todos modos, también se puede utilizar como un operador para separar expresiones - en este caso produce el valor de la última expresión. El resto de expresiones en la lista separada por comas se evalúa sólo por sus efectos colaterales. Este ejemplo incrementa una lista de variables y usa la última como el rvalue: 

//: C03:CommaOperator.cpp
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
  int a = 0, b = 1, c = 2, d = 3, e = 4;
  a = (b++, c++, d++, e++);
  cout << "a = " << a << endl;
  // The parentheses are critical here. Without
  // them, the statement will evaluate to:
  (a = b++), c++, d++, e++;
  cout << "a = " << a << endl;
} ///:~

Listado 3.35. C03/CommaOperator.cpp


En general, es mejor evitar el uso de la coma para cualquier otra cosa que no sea separar, ya que la gente no está acostumbrada a verla como un operador.

3.7.10. Trampas habituales cuando se usan operadores

Como se ha ilustrado anteriormente, una de las trampas al usar operadores es tratar de trabajar sin paréntesis incluso cuando no se está seguro de la forma en la que se va a evaluar la expresión (consulte su propio manual de C para comprobar el orden de la evaluación de las expresiones).

Otro error extremadamente común se ve a continuación: 

//: C03:Pitfall.cpp
// Operator mistakes

int main() {
  int a = 1, b = 1;
  while(a = b) {
    // ....
  }
} ///:~

Listado 3.36. C03/Pitfall.cpp


La sentencia a = b siempre se va a evaluar como cierta cuando b es distinta de cero. La variable a obtiene el valor de b, y el valor de b también es producido por el operador =. En general, lo que se pretende es utilizar el operador de equivalencia (== dentro de una sentencia condicional, no la asignación. Esto le ocurre a muchos programadores (de todos modos, algunos compiladores advierten del problema, lo cual es una ayuda).

Un problema similar es usar los operadores and y or de bits en lugar de sus equivalentes lógicos. Los operadores and y or de bits usan uno de los caracteres (& o |), mientras que los operadores lógicos utilizan dos (&& y ||). Al igual que con = y ==, es fácil escribir simplemente un carácter en vez de dos. Una forma muy fácil de recordarlo es que «los bits son mas pequeños, de modo que no necesitan tantos caracteres en sus operadores».

3.7.11. Operadores de moldeado

La palabra molde(cast) se usa en el sentido de "colocar dentro de un molde". El compilador cambiará automáticamente un tipo de dato a otro si tiene sentido. De hecho, si se asigna un valor entero a una variable de punto flotante, el compilador llamará secretamente a una función (o más probablemente, insertará código) para convertir el int a un float. El molde permite hacer este tipo de conversión explicita, o forzarla cuando normalmente no pasaría.

Para realizar un molde, se debe situar el tipo deseado (incluyendo todos los modificadores) dentro de paréntesis a la izquierda del valor. Este valor puede ser una variable, una constante, el valor producido por una expresión, o el valor devulto por una función. A continuación, un ejemplo: 

//: C03:SimpleCast.cpp
int main() {
  int b = 200;
  unsigned long a = (unsigned long int)b;
} ///:~

Listado 3.37. C03/SimpleCast.cpp


El moldeado es poderoso, pero puede causar dolores de cabeza porque en algunas situaciones fuerza al compilador a tratar datos como si fuesen (por ejemplo) más largos de lo que realmente son, de modo que ocupará más espacio en memoria; lo que puede afectar a otros datos. Esto ocurre a menudo cuando se moldean punteros, no cuando se hacen moldes simples como los que ha visto anteriormente.

C++ tiene una sintaxis adicional para moldes, que sigue a la sintaxis de llamada a funciones. Esta sintaxis pone los paréntesis alrededor del argumento, como en una llamada a función, en lugar de a los lados del tipo: 

//: C03:FunctionCallCast.cpp
int main() {
  float a = float(200);
  // This is equivalent to:
  float b = (float)200;
} ///:~

Listado 3.38. C03/FunctionCallCast.cpp


Por supuesto, en el caso anterior, en realidad no se necesitaría un molde; simplemente se puede decir 200.f o 200.0f (en efecto, eso es típicamente lo que el compilador hará para la expresión anterior). Los moldes normalmente se utilizan con variables, en lugar de con constantes.

3.7.12. Los moldes explícitos de C++

Los moldes se deben utilizar con cuidado, porque lo que está haciendo en realidad es decir al compilador «Olvida la comprobación de tipo - trátalo como si fuese de este otro tipo.» Esto significa, que está introduciendo un agujero en el sistema de tipos de C++ y evitando que el compilador informe de que está haciendo algo erróneo con un tipo. Lo que es peor, el compilador lo cree implícitamente y no realiza ninguna otra comprobación para buscar errores. Una vez ha comenzado a moldear, está expuesto a todo tipo de problemas. De hecho, cualquier programa que utilice muchos moldes se debe revisar con detenimiento, no importa cuanto haya dado por sentado que simplemente «debe» hacerse de esta manera. En general, los moldes deben ser pocos y aislados para solucionar problemas específicos.

Una vez se ha entendido esto y se presente un programa con errores, la primera impresión puede que sea mirar los moldes como si fuesen los culpables. Pero, ¿cómo encontrar los moldes estilo C? Son simplemente nombres de tipos entre paréntesis, y si se empieza a buscar estas cosas descubrirá que a menudo es difícil distinguirlos del resto del código.

El C++ Estándar incluye una sintaxis explícita de molde que se puede utilizar para reemplazar completamente los moldes del estilo antiguo de C (por supuesto, los moldes de estilo C no se pueden prohibir sin romper el código, pero los escritores de compiladores pueden advertir fácilmente acerca de los moldes antiguos). La sintaxis explícita de moldes está pensada para que sea fácil encontrarlos, tal como se puede observar por sus nombres:

static_cast Para moldes que se comportan bien o razonablemente bien, incluyendo cosas que se podrían hacer sin un molde (como una conversión automática de tipo).
const_cast Para moldear const y/o volatile
reinterpret_cast Para moldear a un significado completamente diferente. La clave es que se necesitará volver a moldear al tipo original para poderlo usar con seguridad. El tipo al que moldee se usa típicamente sólo para jugar un poco o algún otro propósito misterioso. Éste es el más peligroso de todos los moldes.
dynamic_cast Para realizar un downcasting seguro (este molde se describe en el Capítulo 15).

Tabla 3.2. Moldes explícitos de C++


Los primeros tres moldes explícitos se describirán completamente en las siguientes secciones, mientras que los últimos se explicarán después de que haya aprendido más en el Capítulo 15.

static_cast

El static_cast se utiliza para todas las conversiones que están bien definidas. Esto incluye conversiones «seguras» que el compilador permitiría sin utilizar un molde, y conversiones menos seguras que están sin embargo bien definidas. Los tipos de conversiones que cubre static_cast incluyen las conversiones típicas sin molde, conversiones de estrechamiento (pérdida de información), forzar una conversión de un void*, conversiones de tipo implícitas, y navegación estática de jerarquías de clases (ya que no se han visto aún clases ni herencias, este último apartado se pospone hasta el Capítulo 15): 

//: C03:static_cast.cpp
void func(int) {}

int main() {
  int i = 0x7fff; // Max pos value = 32767
  long l;
  float f;
  // (1) Typical castless conversions:
  l = i;
  f = i;
  // Also works:
  l = static_cast<long>(i);
  f = static_cast<float>(i);

  // (2) Narrowing conversions:
  i = l; // May lose digits
  i = f; // May lose info
  // Says "I know," eliminates warnings:
  i = static_cast<int>(l);
  i = static_cast<int>(f);
  char c = static_cast<char>(i);

  // (3) Forcing a conversion from void* :
  void* vp = &i;
  // Old way produces a dangerous conversion:
  float* fp = (float*)vp;
  // The new way is equally dangerous:
  fp = static_cast<float*>(vp);

  // (4) Implicit type conversions, normally
  // performed by the compiler:
  double d = 0.0;
  int x = d; // Automatic type conversion
  x = static_cast<int>(d); // More explicit
  func(d); // Automatic type conversion
  func(static_cast<int>(d)); // More explicit
} ///:~

Listado 3.39. C03/static_cast.cpp


En la sección (FIXME:xref:1), se pueden ver tipos de conversiones que eran usuales en C, con o sin un molde. Promover un int a long o float no es un problema porque el último puede albergar siempre cualquier valor que un int pueda contener. Aunque es innecesario, se puede utilizar static_cast para remarcar estas promociones.

Se muestra en (2) como se convierte al revés. Aquí, se puede perder información porque un int no es tan «ancho» como un long o un float; no aloja números del mismo tamaño. De cualquier modo, este tipo de conversión se llama conversión de estrechamiento. El compilador no impedirá que ocurran, pero normalmente dará una advertencia. Se puede eliminar esta advertencia e indicar que realmente se pretendía esto utilizando un molde.

Tomar el valor de un void* no está permitido en C++ a menos que use un molde (al contrario de C), como se puede ver en (3). Esto es peligroso y requiere que los programadores sepan lo que están haciendo. El static_cast, al menos, es mas fácil de localizar que los moldes antiguos cuando se trata de cazar fallos.

La sección (FIXME:xref:4) del programa muestra las conversiones de tipo implícitas que normalmente se realizan de manera automática por el compilador. Son automáticas y no requieren molde, pero el utilizar static_cast acentúa dicha acción en caso de que se quiera reflejar claramente qué está ocurriendo, para poder localizarlo después.

const_cast

Si quiere convertir de un const a un no-const o de un volatile a un no-volatile, se utiliza const_cast. Es la única conversión permitida con const_cast; si está involucrada alguna conversión adicional se debe hacer utilizando una expresión separada o se obtendrá un error en tiempo de compilación. 

//: C03:const_cast.cpp
int main() {
  const int i = 0;
  int* j = (int*)&i; // Deprecated form
  j  = const_cast<int*>(&i); // Preferred
  // Can't do simultaneous additional casting:
//! long* l = const_cast<long*>(&i); // Error
  volatile int k = 0;
  int* u = const_cast<int*>(&k);
} ///:~

Listado 3.40. C03/const_cast.cpp


Si toma la dirección de un objeto const, produce un puntero a const, éste no se puede asignar a un puntero que no sea const sin un molde. El molde al estilo antiguo lo puede hacer, pero el const_cast es el más apropiado en este caso. Lo mismo ocurre con volatile.

reinterpret_cast

Este es el menos seguro de los mecanismos de molde, y el más susceptible de crear fallos. Un reinterpret_cast supone que un objeto es un patrón de bits que se puede tratar (para algún oscuro propósito) como si fuese de un tipo totalmente distinto. Ese es el jugueteo de bits a bajo nivel por el cual C es famoso. Prácticamente siempre necesitará hacer reinterpret_cast para volver al tipo original (o de lo contrario tratar a la variable como su tipo original) antes de hacer nada más con ella. 

//: C03:reinterpret_cast.cpp
#include <iostream>
using namespace std;
const int sz = 100;

struct X { int a[sz]; };

void print(X* x) {
  for(int i = 0; i < sz; i++)
    cout << x->a[i] << ' ';
  cout << endl << "--------------------" << endl;
}

int main() {
  X x;
  print(&x);
  int* xp = reinterpret_cast<int*>(&x);
  for(int* i = xp; i < xp + sz; i++)
    *i = 0;
  // Can't use xp as an X* at this point
  // unless you cast it back:
  print(reinterpret_cast<X*>(xp));
  // In this example, you can also just use
  // the original identifier:
  print(&x);
} ///:~

Listado 3.41. C03/reinterpret_cast.cpp


En este ejemplo, struct X contiene un array de int, pero cuando se crea uno en la pila como en X x, los valores de cada uno de los ints tienen basura (esto se demuestra utilizando la función print() para mostrar los contenidos de struct). Para inicializarlas, la dirección del X se toma y se moldea a un puntero int, que es luego iterado a través del array para inicializar cada int a cero. Fíjese como el límite superior de i se calcula «añadiendo» sz a xp; el compilador sabe que lo que usted quiere realmente son las direcciones de sz mayores que xp y él realiza el cálculo aritmético por usted. FIXME(Comprobar lo que dice este párrafo de acuerdo con el código)

La idea del uso de reinterpret_cast es que cuando se utiliza, lo que se obtiene es tan extraño que no se puede utilizar para los propósitos del tipo original, a menos que se vuelva a moldear. Aquí, vemos el molde otra vez a X* en la llamada a print(), pero por supuesto, dado que tiene el identificador original también se puede utilizar. Pero xp sólo es útil como un int*, lo que es verdaderamente una «reinterpretación» del X original.

Un reinterpret_cast a menudo indica una programación desaconsejada y/o no portable, pero está disponible si decide que lo necesita.

3.7.13. sizeof - un operador en si mismo

El operador sizeof es independiente porque satisface una necesidad inusual. sizeof proporciona información acerca de la cantidad de memoria ocupada por los elementos de datos. Como se ha indicado antes en este capítulo, sizeof indica el número de bytes utilizado por cualquier variable particular. También puede dar el tamaño de un tipo de datos (sin necesidad de un nombre de variable): 

//: C03:sizeof.cpp
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
  cout << "sizeof(double) = " << sizeof(double);
  cout << ", sizeof(char) = " << sizeof(char);
} ///:~

Listado 3.42. C03/sizeof.cpp


Por definición, el sizeof de cualquier tipo de char (signed, unsigned o simple) es siempre uno, sin tener en cuenta que el almacenamiento subyacente para un char es realmente un byte. Para todos los demás tipos, el resultado es el tamaño en bytes.

Tenga en cuenta que sizeof es un operador, no una función. Si lo aplica a un tipo, se debe utilizar con la forma entre paréntesis mostrada anteriormente, pero si se aplica a una variable se puede utilizar sin paréntesis: 

//: C03:sizeofOperator.cpp
int main() {
  int x;
  int i = sizeof x;
} ///:~

Listado 3.43. C03/sizeofOperator.cpp


sizeof también puede informar de los tamaños de tipos definidos por el usuario. Se utilizará más adelante en el libro.

3.7.14. La palabra reservada asm

Este es un mecanismo de escape que permite escribir código ensamblador para el hardware dentro de un programa en C++. A menudo es capaz de referenciar variables C++ dentro del código ensamblador, lo que significa que se puede comunicar fácilmente con el código C++ y limitar el código ensamblador a lo necesario para ajustes eficientes o para utilizar instrucciones especiales del procesador. La sintaxis exacta que se debe usar cuando se escribe en lenguaje ensamblador es dependiente del compilador y se puede encontrar en la documentación del compilador.

3.7.15. Operadores explícitos

Son palabras reservadas para los operadores lógicos y binarios. Los programadores de fuera de los USA sin teclados con caracteres tales como &, |, ^, y demás, estaban forzados a utilizar horribles trígrafos, que no sólo eran insoportable de escribir, además eran difíciles de leer. Esto se ha paliado en C++ con palabras reservadas adicionales:

Palabra reservadaSignificado
and&& ( «y» lógica)
or|| («o» lógica)
not! (negación lógica)
not_eq!= (no-equivalencia lógica)
bitand& (and para bits)
and_eq&= (asignación-and para bits)
bitor| (or para bits)
or_eq!= (asignación-or para bits)
xor^ («o» exclusiva para bits)
xor_equ^= (asignación xor para bits)
compl~ (complemento binario)

Tabla 3.3. Nuevas palabras reservadas para operadores booleanos


Si el compilador obedece al Estándar C++, soportará estas palabras reservadas.

3.8. Creación de tipos compuestos

Los tipos de datos fundamentales y sus variantes son esenciales, pero más bien primitivos. C y C++ incorporan herramientas que permiten construir tipos de datos más sofisticados a partir de los tipos de datos fundamentales. Como se verá, el más importante de estos es struct, que es el fundamento para las class en C++. Sin embargo, la manera más simple de crear tipos más sofisticados es simplemente poniendo un alias a otro nombre mediante typedef.

3.8.1. Creación de alias usando typedef

Esta palabra reservada promete más de lo que da: typedef sugiere «definición de tipo» cuando «alias» habría sido probablemente una descripción más acertada, ya que eso es lo que hace realmente. La sintaxis es:

typedef descripción-de-tipo-existente nombre-alias

La gente a menudo utiliza typedef cuando los tipos de datos se vuelven complicados, simplemente para evitar escribir más de lo necesario. A continuación, una forma común de utilizar typedef: 

typedef unsigned long ulong;

Ahora si pone ulong, el compilador sabe que se está refiriendo a unsigned long. Puede pensar que esto se puede lograr fácilmente utilizando sustitución en el preprocesador, pero hay situaciones en las cuales el compilador debe estar advertido de que está tratando un nombre como si fuese un tipo, y por eso typedef es esencial. 

int* x, y;

Esto genera en realidad un int* que es x, y un int (no un int*) que es y. Esto significa que el * añade a la derecha, no a la izquierda. Pero, si utiliza un typedef: 

typedef int* IntPtr;
IntPtr x, y;

Entonces ambos, x e y son del tipo int*.

Se puede discutir sobre ello y decir que es más explícito y por consiguiente mas legible evitar typedefs para los tipos primitivos, y de hecho los programas se vuelven difíciles de leer cuando se utilizan demasiados typedefs. De todos modos, los typedefs se vuelven especialmente importantes en C cuando se utilizan con struct.

3.8.2. Usar struct para combinar variables

Un struct es una manera de juntar un grupo de variables en una estructura. Cuando se crea un struct, se pueden crear varias instancias de este «nuevo» tipo de variable que ha inventado. Por ejemplo: 

//: C03:SimpleStruct.cpp
struct Structure1 {
  char c;
  int i;
  float f;
  double d;
};

int main() {
  struct Structure1 s1, s2;
  s1.c = 'a'; // Select an element using a '.'
  s1.i = 1;
  s1.f = 3.14;
  s1.d = 0.00093;
  s2.c = 'a';
  s2.i = 1;
  s2.f = 3.14;
  s2.d = 0.00093;
} ///:~

Listado 3.44. C03/SimpleStruct.cpp


La declaración de struct debe acabar con una llave. En main(), se crean dos instancias de Structure1: s1 y s2. Cada una de ellas tiene su versión propia y separada de c, I, f y d. De modo que s1 y s2 representan bloques de variables completamente independientes. Para seleccionar uno de estos elementos dentro de s1 o s2, se utiliza un ., sintaxis que se ha visto en el cápitulo previo cuando se utilizaban objetos class de C++ - ya que las clases surgían de structs, de ahí proviene esta sintaxis.

Una cosa a tener en cuenta es la torpeza de usar Structure1 (como salta a la vista, eso sólo se requiere en C, y no en C++). En C, no se puede poner Structure1 cuando se definen variables, se debe poner struct Structure1. Aquí es donde typedef se vuelve especialmente útil en C: 

//: C03:SimpleStruct2.cpp
// Using typedef with struct
typedef struct {
  char c;
  int i;
  float f;
  double d;
} Structure2;

int main() {
  Structure2 s1, s2;
  s1.c = 'a';
  s1.i = 1;
  s1.f = 3.14;
  s1.d = 0.00093;
  s2.c = 'a';
  s2.i = 1;
  s2.f = 3.14;
  s2.d = 0.00093;
} ///:~

Listado 3.45. C03/SimpleStruct2.cpp


Usando typedef de este modo, se puede simular (en C; intentar eliminar el typedef para C++) que Structure2 es un tipo predefinido, como int o float, cuando define s1 y s2 (pero se ha de tener en cuenta de que sólo tiene información - características - y no incluye comportamiento, que es lo que se obtiene con objetos reales en C++). Observe que el struct se ha declarado al principio, porque el objetivo es crear el typedef. Sin embargo, hay veces en las que sería necesario referirse a struct durante su definición. En esos casos, se puede repetir el nombre del struct como tal y como typedef. 

//: C03:SelfReferential.cpp
// Allowing a struct to refer to itself

typedef struct SelfReferential {
  int i;
  SelfReferential* sr; // Head spinning yet?
} SelfReferential;

int main() {
  SelfReferential sr1, sr2;
  sr1.sr = &sr2;
  sr2.sr = &sr1;
  sr1.i = 47;
  sr2.i = 1024;
} ///:~

Listado 3.46. C03/SelfReferential.cpp


Si lo observa detenidamente, puede ver que sr1 y sr2 apuntan el uno al otro, guardando cada uno una parte de la información.

En realidad, el nombre struct no tiene que ser lo mismo que el nombre typedef, pero normalmente se hace de esta manera ya que tiende a simplificar las cosas.

Punteros y estructuras

En los ejemplos anteriores, todos los structs se manipulan como objetos. Sin embargo, como cualquier bloque de memoria, se puede obtener la dirección de un objeto struct (tal como se ha visto en SelfReferential.cpp). Para seleccionar los elementos de un objeto struct en particular, se utiliza un ., como se ha visto anteriormente. No obstante, si tiene un puntero a un objeto struct, debe seleccionar un elemento de dicho objeto utilizando un operador diferente: el ->. A continuación, un ejemplo: 

//: C03:SimpleStruct3.cpp
// Using pointers to structs
typedef struct Structure3 {
  char c;
  int i;
  float f;
  double d;
} Structure3;

int main() {
  Structure3 s1, s2;
  Structure3* sp = &s1;
  sp->c = 'a';
  sp->i = 1;
  sp->f = 3.14;
  sp->d = 0.00093;
  sp = &s2; // Point to a different struct object
  sp->c = 'a';
  sp->i = 1;
  sp->f = 3.14;
  sp->d = 0.00093;
} ///:~

Listado 3.47. C03/SimpleStruct3.cpp


En main(), el puntero sp está apuntando inicialmente a s1, y los miembros de s1 se inicializan seleccionándolos con el -> (y se utiliza este mismo operador para leerlos). Pero luego sp apunta a s2, y esas variables se inicializan del mismo modo. Como puede ver, otro beneficio en el uso de punteros es que pueden ser redirigidos dinámicamente para apuntar a objetos diferentes, eso proporciona más flexibilidad a sus programas, tal como verá.

De momento, es todo lo que debe saber sobre struct, pero se sentirá mucho más cómodo con ellos (y especialmente con sus sucesores mas potentes, las clases) a medida que progrese en este libro.

3.8.3. Programas más claros gracias a enum

Un tipo de datos enumerado es una manera de asociar nombres a números, y por consiguiente de ofrecer más significado a alguien que lea el código. La palabra reservada enum (de C) enumera automáticamente cualquier lista de identificadores que se le pase, asignándoles valores de 0, 1, 2, etc. Se pueden declarar variables enum (que se representan siempre como valores enteros). La declaración de un enum se parece a la declaración de un struct.

Un tipo de datos enumerado es útil cuando se quiere poder seguir la pista de alguna característica: 

//: C03:Enum.cpp
// Keeping track of shapes

enum ShapeType {
  circle,
  square,
  rectangle
};  // Must end with a semicolon like a struct

int main() {
  ShapeType shape = circle;
  // Activities here....
  // Now do something based on what the shape is:
  switch(shape) {
    case circle:  /* circle stuff */ break;
    case square:  /* square stuff */ break;
    case rectangle:  /* rectangle stuff */ break;
  }
} ///:~

Listado 3.48. C03/Enum.cpp


shape es una variable del tipo de datos enumerado ShapeType, y su valor se compara con el valor en la enumeración. Ya que shape es realmente un int, puede albergar cualquier valor que corresponda a int (incluyendo un número negativo). También se puede comparar una variable int con un valor de una enumeración.

Se ha de tener en cuenta que el ejemplo anterior de intercambiar los tipos tiende a ser una manera problemática de programar. C++ tiene un modo mucho mejor de codificar este tipo de cosas, cuya explicación se pospondrá para mucho mas adelante en este libro.

Si el modo en que el compilador asigna los valores no es de su agrado, puede hacerlo manualmente, como sigue: 

enum ShapeType {
  circle = 10, square = 20, rectangle = 50
};

Si da valores a algunos nombres y a otros no, el compilador utilizará el siguiente valor entero. Por ejemplo, 

enum snap { crackle = 25, pop };

El compilador le da a pop el valor 26.

Es fácil comprobar que el código es más legible cuando se utilizan tipos de datos enumerados. No obstante, en cierto grado esto sigue siendo un intento (en C) de lograr las cosas que se pueden lograr con una class en C++, y por eso verá que enum se utiliza menos en C++.

Comprobación de tipos para enumerados

Las enumeraciones en C son bastante primitivas, simplemente asocian valores enteros a nombres, pero no aportan comprobación de tipos. En C++, como era de esperar a estas alturas, el concepto de tipos es fundamental, y eso se cumple con las enumeraciones. Cuando crea una enumeración nombrada, crea efectivamente un nuevo tipo, tal como se hace con una clase: El nombre de la enumeración se convierte en una palabra reservada durante esa unidad de traducción.

Además, hay una comprobación de tipos mas estricta para la enumeración en C++ que en C. En particular, resulta evidente si tiene una instancia de la enumeración color llamada a. En C puede decir a++, pero en C++ no es posible. Eso se debe a que el incrementar una enumeración se realizan dos conversiones de tipo, una de ellas es legal en C++ y la otra no. Primero, el valor de la enumeración se convierte del tipo color a int, luego el valor se incrementa, y finalmente el int se vuelve a convertir a tipo color. En C++ esto no está permitido, porque color es un tipo diferente de int. Eso tiene sentido, porque ¿cómo saber si el incremento de blue siquiera estará en la lista de colores? Si quiere poder incrementar un color, debería ser una clase (con una operación de incremento) y no un enum, porque en la clase se puede hacer de modo que sea mucho más seguro. Siempre que escriba código que asuma una conversión implícita a un tipo enum, el compilador alertará de que se trata de una actividad inherentemente peligrosa.

Las uniones (descriptas a continuación) tienen una comprobación adicional de tipo similar en C++.

3.8.4. Cómo ahorrar memoria con union

A veces un programa manejará diferentes tipos de datos utilizando la misma variable. En esta situación, se tienen dos elecciones: se puede crear un struct que contenga todos los posibles tipos que se puedan necesitar almacenar, o se puede utilizar una union. Una union amontona toda la información en un único espacio; calcula la cantidad de espacio necesaria para el elemento más grande, y hace de ese sea el tamaño de la union. Utilice la union para ahorrar memoria.

Cuando se coloca un valor en una union, el valor siempre comienza en el mismo sitio al principio de la union, pero sólo utiliza el espacio necesario. Por eso, se crea una «super-variable» capaz de alojar cualquiera de las variables de la union. Las direcciones de todas las variables de la union son la misma (en una clase o struct, las direcciones son diferentes).

A continuación, un uso simple de una union. Intente eliminar varios elementos y observe qué efecto tiene en el tamaño de la union. Fíjese que no tiene sentido declarar más de una instancia de un sólo tipo de datos en una union (a menos que quiera darle un nombre distinto). 

//: C03:Union.cpp
// The size and simple use of a union
#include <iostream>
using namespace std;

union Packed { // Declaration similar to a class
  char i;
  short j;
  int k;
  long l;
  float f;
  double d;  
  // The union will be the size of a 
  // double, since that's the largest element
};  // Semicolon ends a union, like a struct

int main() {
  cout << "sizeof(Packed) = " 
       << sizeof(Packed) << endl;
  Packed x;
  x.i = 'c';
  cout << x.i << endl;
  x.d = 3.14159;
  cout << x.d << endl;
} ///:~

Listado 3.49. C03/Union.cpp


El compilador realiza la asignación apropiada para el miembro de la unión seleccionado.

Una vez que se realice una asignación, al compilador le da igual lo que se haga con la unión. En el ejemplo anterior, se puede asignar un valor en coma-flotante a x: 

x.f = 2.222;

Y luego enviarlo a la salida como si fuese un int: 

cout << x.i;

Eso produciría basura.

3.8.5. Arrays

Los vectores son un tipo compuesto porque permiten agrupar muchas variables, una a continuación de la otra, bajo un identificador único. Si dice: 

int a[10];

Se crea espacio para 10 variables int colocadas una después de la otra, pero sin identificadores únicos para cada variable. En su lugar, todas están englobadas por el nombre a.

Para acceder a cualquiera de los elementos del vector, se utiliza la misma sintaxis de corchetes que se utiliza para definir el vector: 

a[5] = 47;

Sin embargo, debe recordar que aunque el tamaño de a es 10, se seleccionan los elementos del vector comenzando por cero (esto se llama a veces indexado a cero[42], de modo que sólo se pueden seleccionar los elementos del vector de 0 a 9, como sigue: 

//: C03:Arrays.cpp
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
  int a[10];
  for(int i = 0; i < 10; i++) {
    a[i] = i * 10;
    cout << "a[" << i << "] = " << a[i] << endl;
  }
} ///:~

Listado 3.50. C03/Arrays.cpp


Los accesos a vectores son extremadamente rápidos, Sin embargo, si se indexa más allá del final del vector, no hay ninguna red de seguridad - se entrará en otras variables. La otra desventaja es que se debe definir el tamaño del vector en tiempo de compilación; si se quiere cambiar el tamaño en tiempo de ejecución no se puede hacer con la sintaxis anterior (C tiene una manera de crear un vector dinámicamente, pero es significativamente más sucia). El vector de C++ presentado en el capítulo anterior, proporciona un objeto parecido al vector que se redimensiona automáticamente , de modo que es una solución mucho mejor si el tamaño del vector no puede conocer en tiempo de compilación.

Se puede hacer un vector de cualquier tipo, incluso de structs: 

//: C03:StructArray.cpp
// An array of struct

typedef struct {
  int i, j, k;
} ThreeDpoint;

int main() {
  ThreeDpoint p[10];
  for(int i = 0; i < 10; i++) {
    p[i].i = i + 1;
    p[i].j = i + 2;
    p[i].k = i + 3;
  }
} ///:~

Listado 3.51. C03/StructArray.cpp


Fíjese como el identificador de struct i es independiente del i del bucle for.

Para comprobar que cada elemento del vector es contiguo con el siguiente, puede imprimir la dirección de la siguiente manera: 

//: C03:ArrayAddresses.cpp
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
  int a[10];
  cout << "sizeof(int) = "<< sizeof(int) << endl;
  for(int i = 0; i < 10; i++)
    cout << "&a[" << i << "] = " 
         << (long)&a[i] << endl;
} ///:~

Listado 3.52. C03/ArrayAddresses.cpp


Cuando se ejecuta este programa, se ve que cada elemento está separado por el tamaño de un int del anterior. Esto significa, que están colocados uno a continuación del otro.

Punteros y arrays

El identificador de un vector es diferente de los identificadores de las variables comunes. Un identificador de un vector no es un lvalue; no se le puede asignar nada. En realidad es FIXME:gancho dentro de la sintaxis de corchetes, y cuando se usa el nombre de un vector, sin los corchetes, lo que se obtiene es la dirección inicial del vector: 

//: C03:ArrayIdentifier.cpp
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
  int a[10];
  cout << "a = " << a << endl;
  cout << "&a[0] =" << &a[0] << endl;
} ///:~

Listado 3.53. C03/ArrayIdentifier.cpp


Cuando se ejecuta este programa, se ve que las dos direcciones (que se imprimen en hexadecimal, ya que no se moldea a long) son las misma.

De modo que una manera de ver el identificador de un vector es como un puntero de sólo lectura al principio de éste. Y aunque no se pueda hacer que el identificador del vector apunte a cualquier otro sitio, se puede crear otro puntero y utilizarlo para moverse dentro del vector. De hecho, la sintaxis de corchetes también funciona con punteros convencionales: 

//: C03:PointersAndBrackets.cpp
int main() {
  int a[10];
  int* ip = a;
  for(int i = 0; i < 10; i++)
    ip[i] = i * 10;
} ///:~

Listado 3.54. C03/PointersAndBrackets.cpp


El hecho de que el nombre de un vector produzca su dirección de inicio resulta bastante importante cuando hay que pasar un vector a una función. Si declara un vector como un argumento de una función, lo que realmente está declarando es un puntero. De modo que en el siguiente ejemplo, fun1() y func2() tienen la misma lista de argumentos: 

//: C03:ArrayArguments.cpp
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

void func1(int a[], int size) {
  for(int i = 0; i < size; i++)
    a[i] = i * i - i;
}

void func2(int* a, int size) {
  for(int i = 0; i < size; i++)
    a[i] = i * i + i;
}

void print(int a[], string name, int size) {
  for(int i = 0; i < size; i++)
    cout << name << "[" << i << "] = " 
         << a[i] << endl;
}

int main() {
  int a[5], b[5];
  // Probably garbage values:
  print(a, "a", 5);
  print(b, "b", 5);
  // Initialize the arrays:
  func1(a, 5);
  func1(b, 5);
  print(a, "a", 5);
  print(b, "b", 5);
  // Notice the arrays are always modified:
  func2(a, 5);
  func2(b, 5);
  print(a, "a", 5);
  print(b, "b", 5);
} ///:~

Listado 3.55. C03/ArrayArguments.cpp


A pesar de que func1() y func2() declaran sus argumentos de distinta forma, el uso es el mismo dentro de la función. Hay otros hechos que revela este ejemplo: los vectores no se pueden pasados por valor[43], es decir, que nunca se puede obtener automáticamente una copia local del vector que se pasa a una función. Por eso, cuando se modifica un vector, siempre se está modificando el objeto externo. Eso puede resultar un poco confuso al principio, si lo que se espera es el paso-por-valor como en los argumentos ordinarios.

Fíjese que print() utiliza la sintaxis de corchetes para los argumentos de tipo vector. Aunque la sintaxis de puntero y la sintaxis de corchetes efectivamente es la mismo cuando se están pasando vectores como argumentos, la sintaxis de corchetes deja más clara al lector que se pretende enfatizar que dicho argumento es un vector.

Observe también que el argumento size se pasa en cada caso. La dirección no es suficiente información al pasar un vector; siempre se debe ser posible obtener el tamaño del vector dentro de la función, de manera que no se salga de los límites de dicho vector.

Los vectores pueden ser de cualquier tipo, incluyendo vectores de punteros. De hecho, cuando se quieren pasar argumentos de tipo línea de comandos dentro del programa, C y C++ tienen una lista de argumentos especial para main(), que tiene el siguiente aspecto: 

int main(int argc, char* argv[]) { // ...

El primer argumento es el número de elementos en el vector, que es el segundo argumento. El segundo argumento es siempre un vector de char*, porque los argumentos se pasan desde la línea de comandos como vectores de caracteres (y recuerde, un vector sólo se puede pasar como un puntero). Cada bloque de caracteres delimitado por un espacio en blanco en la línea de comandos se aloja en un elemento separado en el vector. El siguiente programa imprime todos los argumentos de línea de comandos recorriendo el vector: 

//: C03:CommandLineArgs.cpp
#include <iostream>
using namespace std;

int main(int argc, char* argv[]) {
  cout << "argc = " << argc << endl;
  for(int i = 0; i < argc; i++)
    cout << "argv[" << i << "] = " 
         << argv[i] << endl;
} ///:~

Listado 3.56. C03/CommandLineArgs.cpp


Observe que argv[0] es la ruta y el nombre del programa en sí mismo. Eso permite al programa descubrir información de sí mismo. También añade un argumento más al vector de argumentos del programa, de modo que un error común al recoger argumentos de línea de comandos es tomar argv[0] como si fuera el primer argumento.

No es obligatorio utilizar argc y argv como identificadores de los parámetros de main(); estos identificadores son sólo convenciones (pero puede confundir al lector si no se respeta). También, hay un modo alternativo de declarar argv: 

int main(int argc, char** argv) { // ...

Las dos formas son equivalentes, pero la versión utilizada en este libro es la más intuitiva al leer el código, ya que dice, directamente, «Esto es un vector de punteros a carácter».

Todo lo que se obtiene de la línea de comandos son vectores de caracteres; si quiere tratar un argumento como algún otro tipo, ha de convertirlos dentro del programa. Para facilitar la conversión a números, hay algunas funciones en la librería de C Estándar, declaradas en <cstdlib>. Las más fáciles de utilizar son atoi(), atol(), y atof() para convertir un vector de caracteres ASCII a int, long y double, respectivamente. A continuación, un ejemplo utilizando atoi() (las otras dos funciones se invocan del mismo modo): 

//: C03:ArgsToInts.cpp
// Converting command-line arguments to ints
#include <iostream>
#include <cstdlib>
using namespace std;

int main(int argc, char* argv[]) {
  for(int i = 1; i < argc; i++)
    cout << atoi(argv[i]) << endl;
} ///:~

Listado 3.57. C03/ArgsToInts.cpp


En este programa, se puede poner cualquier número de argumentos en la línea de comandos. Fíjese que el bucle for comienza en el valor 1 para saltar el nombre del programa en argv[0]. También, si se pone un número decimal que contenga un punto decimal en la línea de comandos, atoi() sólo toma los dígitos hasta el punto decimal. Si pone valores no numéricos en la línea de comandos, atoi() los devuelve como ceros.

El formato de punto flotante

La función printBinary() presentada anteriormente en este capítulo es útil para indagar en la estructura interna de varios tipos de datos. El más interesante es el formato de punto-flotante que permite a C y C++ almacenar números que representan valores muy grandes y muy pequeños en un espacio limitado. Aunque los detalles no se pueden exponer completamente expuestos, los bits dentro de los floats y doubles están divididos en tres regiones: el exponente, la mantisa, y el bit de signo; así almacena los valores utilizando notación científica. El siguiente programa permite jugar con ello imprimiendo los patrones binarios de varios números en punto-flotante de modo que usted mismo pueda deducir el esquema del formato de punto flotante de su compilador (normalmente es el estándar IEEE para números en punto-flotante, pero su compilador puede no seguirlo): 

//: C03:FloatingAsBinary.cpp
//{L} printBinary
//{T} 3.14159
#include "printBinary.h"
#include <cstdlib>
#include <iostream>
using namespace std;

int main(int argc, char* argv[]) {
  if(argc != 2) {
    cout << "Must provide a number" << endl;
    exit(1);
  }
  double d = atof(argv[1]);
  unsigned char* cp = 
    reinterpret_cast<unsigned char*>(&d);
  for(int i = sizeof(double)-1; i >= 0 ; i -= 2){
    printBinary(cp[i-1]);
    printBinary(cp[i]);
  }
} ///:~

Listado 3.58. C03/FloatingAsBinary.cpp


Primero, el programa garantiza que se le haya pasado un argumento comprobando el valor de argc, que vale dos si hay un solo argumento (es uno si no hay argumentos, ya que el nombre del programa siempre es el primer elemento de argv). Si eso falla, imprime un mensaje e invoca la función exit() de la librería Estándar de C para finalizar el programa.

El programa toma el argumento de la línea de comandos y convierte los caracteres a double utilizando atof(). Luego el double se trata como un vector de bytes tomando la dirección y moldeándola a un unsigned char*. Para cada uno de estos bytes se llama a printBinary() para mostrarlos.

Este ejemplo se ha creado para imprimir los bytes en un orden tal que el bit de signo aparece al principio - en mi máquina. En otras máquinas puede ser diferente, por lo que puede querer re-organizar el modo en que se imprimen los bytes. También debería tener cuidado porque los formatos en punto-flotante no son tan triviales de entender; por ejemplo, el exponente y la mantisa no se alinean generalmente entre los límites de los bytes, en su lugar un número de bits se reserva para cada uno y se empaquetan en la memoria tan apretados como se pueda. Para ver lo que esta pasando, necesitaría averiguar el tamaño de cada parte del número (los bit de signo siempre son de un bit, pero los exponentes y las mantisas pueden ser de diferentes tamaños) e imprimir separados los bits de cada parte.

Aritmética de punteros

Si todo lo que se pudiese hacer con un puntero que apunta a un vector fuese tratarlo como si fuera un alias para ese vector, los punteros a vectores no tendrían mucho interés. Sin embargo, los punteros son mucho más flexibles que eso, ya que se pueden modificar para apuntar a cualquier otro sitio (pero recuerde, el identificador del vector no se puede modificar para apuntar a cualquier otro sitio).

La aritmética de punteros se refiere a la aplicación de alguno de los operadores aritméticos a los punteros. Las razón por la cual la aritmética de punteros es un tema separado de la aritmética ordinaria es que los punteros deben ajustarse a cláusulas especiales de modo que se comporten apropiadamente. Por ejemplo, un operador común para utilizar con punteros es ++, lo que "añade uno al puntero." Lo que de hecho significa esto es que el puntero se cambia para moverse al "siguiente valor," Lo que sea que ello signifique. A continuación, un ejemplo: 

//: C03:PointerIncrement.cpp
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
  int i[10];
  double d[10];
  int* ip = i;
  double* dp = d;
  cout << "ip = " << (long)ip << endl;
  ip++;
  cout << "ip = " << (long)ip << endl;
  cout << "dp = " << (long)dp << endl;
  dp++;
  cout << "dp = " << (long)dp << endl;
} ///:~

Listado 3.59. C03/PointerIncrement.cpp


Para una ejecución en mi máquina, la salida es: 

ip = 6684124
ip = 6684128
dp = 6684044
dp = 6684052

Lo interesante aquí es que aunque la operación ++ parece la misma tanto para el int* como para el double*, se puede comprobar que el puntero de int* ha cambiado 4 bytes mientras que para el double* ha cambiado 8. No es coincidencia, que estos sean los tamaños de int y double en esta máquina. Y ese es el truco de la aritmética de punteros: el compilador calcula la cantidad apropiada para cambiar el puntero de modo que apunte al siguiente elemento en el vector (la aritmética de punteros sólo tiene sentido dentro de los vectores). Esto funciona incluso con vectores de structs: 

//: C03:PointerIncrement2.cpp
#include <iostream>
using namespace std;

typedef struct {
  char c;
  short s;
  int i;
  long l;
  float f;
  double d;
  long double ld;
} Primitives;

int main() {
  Primitives p[10];
  Primitives* pp = p;
  cout << "sizeof(Primitives) = " 
       << sizeof(Primitives) << endl;
  cout << "pp = " << (long)pp << endl;
  pp++;
  cout << "pp = " << (long)pp << endl;
} ///:~

Listado 3.60. C03/PointerIncrement2.cpp


La salida en esta máquina es: 

sizeof(Primitives) = 40
pp = 6683764
pp = 6683804

Como puede ver, el compilador también hace lo adecuado para punteros a structs (y con class y union).

La aritmética de punteros también funciona con los operadores --, + y -, pero los dos últimos están limitados: no se puede sumar dos punteros, y si se restan punteros el resultado es el número de elementos entre los dos punteros. Sin embargo, se puede sumar o restar un valor entero y un puntero. A continuación, un ejemplo demostrando el uso de la aritmética de punteros: 

//: C03:PointerArithmetic.cpp
#include <iostream>
using namespace std;

#define P(EX) cout << #EX << ": " << EX << endl;

int main() {
  int a[10];
  for(int i = 0; i < 10; i++)
    a[i] = i; // Give it index values
  int* ip = a;
  P(*ip);
  P(*++ip);
  P(*(ip + 5));
  int* ip2 = ip + 5;
  P(*ip2);
  P(*(ip2 - 4));
  P(*--ip2);
  P(ip2 - ip); // Yields number of elements
} ///:~

Listado 3.61. C03/PointerArithmetic.cpp


Comienza con otra macro, pero esta utiliza una característica del preprocesador llamada stringizing (implementada mediante el signo # antes de una expresión) que toma cualquier expresión y la convierte a un vector de caracteres. Esto es bastante conveniente, ya que permite imprimir la expresión seguida de dos puntos y del valor de la expresión. En main() puede ver lo útil que resulta este atajo.

Aunque tanto la versión prefijo como sufijo de ++ y -- son válidas para los punteros, en este ejemplo sólo se utilizan las versiones prefijo porque se aplican antes de referenciar el puntero en las expresiones anteriores, de modo que permite ver los efectos en las operaciones. Observe que se han sumado y restado valores enteros; si se combinasen de este modo dos punteros, el compilador no lo permitiría.

Aquí se ve la salida del programa anterior: 

*ip: 0
*++ip: 1
*(ip + 5): 6
*ip2: 6
*(ip2 - 4): 2
*--ip2: 5

En todos los casos, el resultado de la aritmética de punteros es que el puntero se ajusta para apuntar al «sitio correcto», basándose en el tamaño del tipo de los elementos a los que está apuntado.

Si la aritmética de punteros le sobrepasa un poco al principio, no tiene porqué preocuparse. La mayoría de las veces sólo la necesitará para crear vectores e indexarlos con [], y normalmente la aritmética de punteros más sofisticada que necesitará es ++ y -- . La aritmética de punteros generalmente está reservada para programas más complejos e ingeniosos, y muchos de los contenedores en la librería de Estándar C++ esconden muchos de estos inteligentes detalles, por lo que no tiene que preocuparse de ellos.

3.9. Consejos para depuración

En un entorno ideal, habrá un depurador excelente disponible que hará que el comportamiento de su programa sea transparente y podrá descubrir cualquier error rápidamente. Sin embargo, muchos depuradores tienen puntos débiles, y eso puede requerir tenga que añadir trozos de código a su programa que le ayuden a entender que está pasando. Además, puede que para la plataforma para la que esté desarrollando (por ejemplo en sistemas empotrados, con lo que yo tuve que tratar durante mis años de formación) no haya ningún depurador disponible, y quizá tenga una realimentación muy limitada (por ejemplo, un display de LEDs de una línea). En esos casos debe ser creativo a la hora de descubrir y representar información acerca de la ejecución de su programa. Esta sección sugiere algunas técnicas para conseguirlo.

3.9.1. Banderas para depuración

Si coloca el código de depuración mezclado con un programa, tendrá problemas. Empezará a tener demasiada información, que hará que los errores sean difíciles de aislar. Cuando cree que ha encontrado el error empieza a quitar el código de depuración, sólo para darse cuenta que necesita ponerlo de nuevo. Puede resolver estos problemas con dos tipos de banderas: banderas de depuración del preprocesador y banderas de depuración en ejecución.

Banderas de depuración para el preprocesador

Usando el preprocesador para definir (con #define) una o más banderas de depuración (preferiblemente en un fichero de cabecera), puede probar una bandera usando una sentencia #ifdef e incluir condicionalmente código de depuración. Cuando crea que la depuración ha terminado, simplemente utilice #undef la bandera y el código quedará eliminado automáticamente (y reducirá el tamaño y sobrecarga del fichero ejecutable).

Es mejor decidir los nombres de las banderas de depuración antes de empezar a contruir el proyecto para que los nombres sean consistentes. Las banderas del preprocesador tradicionalmente se distinguen de las variables porque se escriben todo en mayúsculas. Un nombre habitual es simplemente DEBUG (pero tenga cuidado de no usar NDEBUG, que está reservado en C). La secuencia de sentencias podrías ser: 

#define DEBUG // Probably in a header file
//...
#ifdef DEBUG // Check to see if flag is defined
/* debugging code here */
#endif // DEBUG

La mayoría de las implementaciones de C y C++ también le permitirán definir y eliminar banderas (con #define y #undef) desde línea de comandos, y de ese modo puede recompilar código e insertar información de depuración con un único comando (preferiblemente con un makefile, una herramienta que será descrita en breve). Compruebe la documentación de su entorno si necesita más detalles.

Banderas para depuración en tiempo de ejecución

En algunas situaciones es más conveniente activar y desactivar las banderas de depuración durante la ejecución del programa, especialmente cuando el programa se ejecuta usando la línea de comandos. Con programas grandes resulta pesado recompilar sólo para insertar código de depuración.

Para activar y desactivar código de depuración dinámicamente cree banderas booleanas. 

//: C03:DynamicDebugFlags.cpp
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
// Debug flags aren't necessarily global:
bool debug = false;

int main(int argc, char* argv[]) {
  for(int i = 0; i < argc; i++)
    if(string(argv[i]) == "--debug=on")
      debug = true;
  bool go = true;
  while(go) {
    if(debug) {
      // Debugging code here
      cout << "Debugger is now on!" << endl;
    } else {
      cout << "Debugger is now off." << endl;
    }  
    cout << "Turn debugger [on/off/quit]: ";
    string reply;
    cin >> reply;
    if(reply == "on") debug = true; // Turn it on
    if(reply == "off") debug = false; // Off
    if(reply == "quit") break; // Out of 'while'
  }
} ///:~

Listado 3.62. C03/DynamicDebugFlags.cpp


Este programa sigue permitiéndole activar y desactivar la bandera de depuración hasta que escriba quit para indicarle que quiere salir. Fíjese que es necesario escribir palabras completas, no solo letras (puede abreviarlo a letras si lo desea). Opcionalmente, también se puede usar un argumento en línea de comandos para comenzar la depuración - este argumento puede aparecer en cualquier parte de la línea de comando, ya que el código de activación en main() busca en todos los argumentos. La comprobación es bastante simple como se ve en la expresión: 

string(argv[i])

Esto toma la cadena argv[i] y crea un string, el cual se puede comparar fácilmente con lo que haya a la derecha de ==. El programa anterior busca la cadena completa --debug=on. También puede buscar --debug= y entonces ver que hay después, para proporcionar más opciones. El Volumen 2 (disponible en www.BruceEckel.com) contiene un capítulo dedicado a la clase string Estándar de C++.

Aunque una bandera de depuración es uno de los relativamente pocos casos en los que tiene mucho sentido usar una variable global, no hay nada que diga que debe ser así. Fíjese en que la variable está escrita en minúsculas para recordar al lector que no es una bandera del preprocesador.

3.9.2. Convertir variables y expresiones en cadenas

Cuando se escribe código de depuración, resulta pesado escribir expresiones print que consisten en una cadena que contiene el nombre de una variable, seguido de el valor de la variable. Afortunadamente, el C estándar incluye el operador de FIXME cadenización #, que ya se usó antes en este mismo capítulo. Cuando se coloca un # antes de una argumentos en una macro, el preprocesador convierte ese argumentos en una cadena. Esto, combinado con el hecho de que las cadenas no indexadas colocadas una a continuación de la otra se concatenan, permite crear macros muy adecuadas para imprimir los valores de las variables durante la depuración: 

#define PR(x) cout << #x " = " << x << "\n";

Si se imprime la variable a invocando PR(a), tendrá el mismo efecto que este código: 

cout << "a = " << a << "\n";

Este mismo proceso funciona con expresiones completas. El siguiente programa usa una macro para crear un atajo que imprime la expresión cadenizadas y después evalúa la expresión e imprime el resultado: 

//: C03:StringizingExpressions.cpp
#include <iostream>
using namespace std;

#define P(A) cout << #A << ": " << (A) << endl;

int main() {
  int a = 1, b = 2, c = 3;
  P(a); P(b); P(c);
  P(a + b);
  P((c - a)/b);
} ///:~

Listado 3.63. C03/StringizingExpressions.cpp


Puede comprobar cómo una técnica como esta se puede convertir rápidamente en algo indispensable, especialmente si no tiene depurador (o debe usar múltiples entornos de desarrollo). También puede insertar un #ifdef para conseguir que P(A) se defina como «nada» cuando quiera eliminar el código de depuración.

3.9.3. La macro C assert()

En el fichero de cabecera estándar <cassert> aparece assert(), que es una macro de depuración. Cuando se utiliza assert(), se le debe dar un argumento que es una expresión que usted está «aseverando». El preprocesador genera código que comprueba la aserción. Si la aserción no es cierta, el programa parará después de imprimir un mensaje de error informando que la aserción falló. Este es un ejemplo trivial: 

//: C03:Assert.cpp
// Use of the assert() debugging macro
#include <cassert>  // Contains the macro
using namespace std;

int main() {
  int i = 100;
  assert(i != 100); // Fails
} ///:~

Listado 3.64. C03/Assert.cpp


La macro original es C Estándar, así que está disponible también en el fichero de cabecera assert.h.

Cuando haya terminado la depuración, puede eliminar el código generado por la macro escribiendo la siguiente línea: 

#define NDEBUG

en el programa, antes de la inclusión de <cassert>, o definiendo NDEBUG en la línea de comandos del compilador. NDEBUG es una bandera que se usa en <cassert> para cambiar el código generado por las macros.

Más adelante en este libro, verá algunas alternativas más sofisticadas a assert().

3.10. Direcciones de función

Una vez que una función es compilada y cargada en la computadora para ser ejecutada, ocupa un trozo de memoria. Esta memoria, y por tanto esa función, tiene una dirección.

C nunca ha sido un lenguaje [FIXME] donde otros temen pisar. Puede usar direcciones de función con punteros igual que puede usar direcciones variables. La declaración y uso de punteros a función parece un poco opaca al principio, pero sigue el formato del resto del lenguaje.

3.10.1. Definición de un puntero a función

Para definir un puntero a una función que no tiene argumentos y no retorna nada, se dice: 

void (*funcPtr)();

Cuando se observa una definición compleja como esta, el mejor método para entenderla es empezar en el medio e ir hacia afuera. «Empezar en el medio» significa empezar con el nombre de la variable, que es funPtr. «Ir hacia afuera» significa mirar al elemento inmediatamente a la derecha (nada en este caso; el paréntesis derecho marca el fin de ese elemento), después mire a la izquierda (un puntero denotado por el asterisco), después mirar de nuevo a la derecha (una lista de argumentos vacía que indica que no función no toma argumentos), después a la izquierda (void, que indica que la función no retorna nada). Este movimiento derecha-izquierda-derecha funciona con la mayoría de las declaraciones. [44]

Para repasar, «empezar en el medio» («funcPtr es un ...», va a la derecha (nada aquí - pare en el paréntesis derecho), va a la izquierda y encuentra el * («... puntero a ...»), va a la derecha y encuentra la lista de argumentos vacía («... función que no tiene argumentos ...») va a la izquierda y encuentra el void («funcPtr es un puntero a una función que no tiene argumentos y retorna void»).

Quizá se pregunte porqué *funcPtr necesita paréntesis. Si no los usara, el compilador podría ver: 

void *funcPtr();

Lo que corresponde a la declaración de una función (que retorna un void*) en lugar de definir una variable. Se podría pensar que el compilador sería capaz distinguir una declaración de una definición por lo que se supone que es. El compilador necesita los paréntesis para «tener contra qué chocar» cuando vaya hacia la izquierda y encuentre el *, en lugar de continuar hacia la derecha y encontrar la lista de argumentos vacía.

3.10.2. Declaraciones y definiciones complicadas

Al margen, una vez que entienda cómo funciona la sintáxis de declaración de C y C++ podrá crear elementos más complicados. Por ejemplo: 

//: V1C03:ComplicatedDefinitions.cpp

/* 1. */     void * (*(*fp1)(int))[10];

/* 2. */     float (*(*fp2)(int,int,float))(int);

/* 3. */     typedef double (*(*(*fp3)())[10])();
             fp3 a;

/* 4. */     int (*(*f4())[10])();

int main() {}

Estudie cada uno y use la regla derecha-izquierda para entenderlos. El número 1 dice «fp1 es un puntero a una función que toma un entero como argumento y retorna un puntero a un array de 10 punteros void».

El 2 dice «fp2 es un puntero a función que toma tres argumentos (int, int y float) de retorna un puntero a una función que toma un entero como argumento y retorna un float»

Si necesita crear muchas definiciones complicadas, debería usar typedef. El número 3 muestra cómo un typedef ahorra tener que escribir una descripción complicada cada vez. Dice «Un fp3 es un puntero a una función que no tiene argumentos y que retorna un puntero a un array de 10 punteros a funciones que no tienen argumentos y retornan doubles». Después dice «a es una variable de ese tipo fp3». typedef es útil para construir descripciones complicadas a partir de otras simples.

El 4 es una declaración de función en lugar de una definición de variable. Dice «f4 es una función que retorna un puntero a un array de 10 punteros a funciones que retornan enteros».

Es poco habitual necesitar declaraciones y definiciones tan complicadas como éstas. Sin embargo, si se propone entenderlas, no le desconcertarán otras algo menos complicadas pero que si encontrará en la vida real.

3.10.3. Uso de un puntero a función

Una vez que se ha definido un puntero a función, debe asignarle la dirección de una función antes de poder usarlo. Del mismo modo que la dirección de un array arr[10] se obtiene con el nombre del array sin corchetes (arr), la dirección de una función func() se obtiene con el nombre de la función sin lista de argumentos (func). También puede usar una sintáxis más explícita: &func(). Para invocar la función, debe dereferenciar el puntero de la misma forma que lo ha declarado (recuerde que C y C++ siempre intentan hacer que las definiciones se parezcan al modo en que se usan). El siguiente ejemplo muestra cómo se define y usa un puntero a función: 

//: C03:PointerToFunction.cpp
// Defining and using a pointer to a function
#include <iostream>
using namespace std;

void func() {
  cout << "func() called..." << endl;
}

int main() {
  void (*fp)();  // Define a function pointer
  fp = func;  // Initialize it
  (*fp)();    // Dereferencing calls the function
  void (*fp2)() = func;  // Define and initialize
  (*fp2)();
} ///:~

Listado 3.65. C03/PointerToFunction.cpp


Una vez definido el puntero a función fp, se le asigna la dirección de una función func() usando fp = func (fíjese que la lista de argumentos no aparece junto al nombre de la función). El segundo caso muestra una definición e inicialización simultánea.

3.10.4. Arrays de punteros a funciones

Una de las construcciones más interesantes que puede crear es un array de punteros a funciones. Para elegir una función, sólo indexe el array y dereferencie el puntero. Esto permite implementar el concepto de código dirigido por tabla(table-driven code); en lugar de usar estructuras condicionales o sentencias case, se elige la función a ejecutar en base a una variable (o una combinación de variables). Este tipo de diseño puede ser útil si añade y elimina funciones de la tabla con frecuencia (o si quiere crear o cambiar una tabla dinámicamente).

El siguiente ejemplo crea algunas funciones falsas usando una macro de preprocesador, después crea un array de punteros a esas funciones usando inicialización automática. Como puede ver, es fácil añadir y eliminar funciones de la table (y por tanto, la funcionalidad del programa) cambiando una pequeña porción de código. 

//: C03:FunctionTable.cpp
// Using an array of pointers to functions
#include <iostream>
using namespace std;

// A macro to define dummy functions:
#define DF(N) void N() { \
   cout << "function " #N " called..." << endl; }

DF(a); DF(b); DF(c); DF(d); DF(e); DF(f); DF(g);

void (*func_table[])() = { a, b, c, d, e, f, g };

int main() {
  while(1) {
    cout << "press a key from 'a' to 'g' "
      "or q to quit" << endl;
    char c, cr;
    cin.get(c); cin.get(cr); // second one for CR
    if ( c == 'q' ) 
      break; // ... out of while(1)
    if ( c < 'a' || c > 'g' ) 
      continue;
    (*func_table[c - 'a'])();
  }
} ///:~

Listado 3.66. C03/FunctionTable.cpp


A partir de este punto, debería ser capaz de imaginar cómo esta técnica podría resultarle útil cuando tenga que crear algún tipo de intérprete o programa para procesar listas.

3.11. Make: cómo hacer compilación separada

Cuando se usa compilación separada (dividiendo el código en varias unidades de traducción), aparece la necesidad de un medio para compilar automáticamente cada fichero y decirle al enlazador como montar todas las piezas - con las librerías apropiadas y el código de inicio - en un fichero ejecutable. La mayoría de los compiladores le permiten hacerlo desde una sólo instrucción desde línea de comandos. Por ejemplo, para el compilador de C++ de GNU se puede hacer: 

$ g++ SourceFile1.cpp SourceFile2.cpp

En problema con este método es que el compilador compilará cada fichero individual tanto si el fichero necesita ser recompilado como sino. Cuando un proyecto tiene muchos ficheros, puede resultar prohibitivo recompilar todo cada vez que se cambia una línea en un fichero.

La solución a este problema, desarrollada en Unix pero disponible de alún modo en todos los sistemas es un programa llamado make. La utilidad make maneja todos los ficheros individuales de un proyecto siguiendo las instrucciones escritas en un fichero de texto llamado makefile. Cuando edite alguno de los ficheros del proyecto y ejecute make, el programa make seguirá las directrices del makefile para comparar las fechas de los ficheros fuente con las de los ficheros resultantes correspondientes, y si una fichero fuente es más reciente que su fichero resultante, make recompila ese fichero fuente. make sólo recompila los ficheros fuente que han cambiado, y cualquier otro fichero que esté afectado por el fichero modificado. Usando make no tendrá que recompilar todos los ficheros de su proyecto cada vez que haga un cambio, ni tendrá que comprobar si todo se construye adecuadamente. El makefile contiene todas las instrucciones para montar el proyecto. Aprender a usar make le permitirá ahorrar mucho tiempo y frustraciones. También descubrirá que make es el método típico para instalar software nuevo en máquinas GNU o Unix[45] (aunque esos makefiles tienen a ser mucho más complicados que los que aparecen en este libro, y a menudo podrá generar automáticamente un makefile para su máquina particular como parte del proceso de instalación).

Como make está disponible de algún modo para prácticamente todos los compiladores de C++ (incluso si no lo está, puede usar makes libres con cualquier compilador), será la herramienta usada en este libro. Sin embargo, los fabricantes de compiladores crean también sus propias herramientas para construir proyectos. Estás herramientas preguntan qué ficheros hay en el proyecto y determinan las relaciones entre ellos. Estas herramientas utilizan algo similar a un makefile, normalmente llamado fichero de proyecto, pero el entorno de programación mantiene este fichero para que el programador no tenga que preocuparse de él. La configuración y uso de los ficheros de proyecto varía de un entorno de desarrollo a otro, de modo que tendrá que buscar la documentación apropiada en cada caso (aunque esas herramientas proporcionadas por el fabricante normalmente son tan simples de usar que es fácil aprender a usarlas jugando un poco con ellas - mi método educativo favorito).

Los makefiles que acompañan a este libro deberían funcionar bien incluso si también usa una herramienta específica para construcción de proyectos.

3.11.1. Las actividades de Make

Cuando escribe make (o cualquiera que sea el nombre del su programa make), make busca un fichero llamado makefile o Makefile en el directorio actual, que usted habrá creado para su proyecto. Este fichero contiene una lista de dependencias entre ficheros fuente, make comprueba las fechas de los ficheros. Si un fichero tiene una fecha más antigua que el fichero del que depende, make ejecuta la regla indicada después de la dependencia.

Todos los comentarios de los makefiles empiezan con un # y continúan hasta el fina de la línea.

Como un ejemplo sencillo, el makefile para una programa llamado «hello» podría contener: 

# A comment
hello.exe: hello.cpp
        mycompiler hello.cpp

Esto dice que hello.exe (el objetivo) depende de hello.cpp. Cuando hello.cpp tiene una fecha más reciente que hello.exe, make ejecuta la «regla» mycompiler hello.cpp. Puede haber múltiples dependencias y múltiples reglas. Muchas implementaciones de make requieren que todas las reglas empiecen con un tabulador. Para lo demás, por norma general los espacios en blanco se ignoran de modo que se pueden usar a efectos de legibilidad.

Las reglas no están restringidas a llamadas al compilador; puede llamar a cualquier programa que quiera. Creando grupos de reglas de dependencia, puede modificar sus ficheros fuentes, escribir make y estar seguro de que todos los fichero afectados serán re-construidos correctamente.

Macros

Un makefile puede contener macros (tenga en cuenta que estas macros no tienen nada que ver con las del preprocesador de C/C++). La macros permiten reemplazar cadenas de texto. Los makefiles del libro usan una macro para invocar el compilador de C++. Por ejemplo, 

CPP = mycompiler
hello.exe: hello.cpp
        $(CPP) hello.cpp

El = se usa para indicar que CPP es una macro, y el $ y los paréntesis expanden la macro. En este caso, la expansión significa que la llamada a la macro $(CPP) será reemplazada con la cadena mycompiler. Con esta macro, si quiere utilizar un compilador diferente llamado cpp, sólo tiene que cambiar la macro a: 

CPP = cpp

También puede añadir a la macro opciones del compilador, etc., o usar otras macros para añadir dichas opciones.

Reglas de sufijo

Es algo tedioso tener que decir a make que invoque al compilador para cada fichero cpp del proyecto, cuando se sabe que básicamente siempre es el mismo proceso. Como make está diseñado para ahorrar tiempo, también tiene un modo de abreviar acciones, siempre que dependan del sufijo de los ficheros. Estas abreviaturas se llaman reglas de sufijo. Una regla de sufijo es la la forma de indicar a make cómo convertir un fichero con cierta extensión (.cpp por ejemplo) en un fichero con otra extensión (.obj o .exe). Una vez que le haya indicado a make las reglas para producir un tipo de fichero a partir de otro, lo único que tiene que hacer es decirle a make cuales son las dependencias respecto a otros ficheros. Cuando make encuentra un fichero con una fecha previa a otro fichero del que depende, usa la regla para crear la versión actualizada del fichero objetivo.

La regla de sufijo le dice a make que no se necesitan reglas explícitas para construir cada cosa, en su lugar le explica cómo construir cosas en base a la extensión del fichero. En este caso dice «Para contruir un fichero con extensión .exe a partir de uno con extensión .cpp, invocar el siguiente comando». Así sería para ese ejemplo: 

CPP = mycompiler
.SUFFIXES: .exe .cpp
.cpp.exe:
        $(CPP) $<

La directiva .SUFFIXES le dice a make que debe vigilar las extensiones que se indican porque tiene un significado especial para este makefile en particular. Lo siguiente que aparece es la regla de sufijo .cpp.exe, que dice «cómo convertir cualquier fichero con extensión .cpp a uno con extensión .exe» (cuando el fichero .cpp es más reciente que el fichero ..exe). Como antes, se usa la macro $(CPP), pero aquí aparece algo nuevo: $<. Como empieza con un $ es que es una macro, pero esta es una de las macros especiales predefinidas por make. El $< se puede usar sólo en reglas de sufijo y significa «cualquier prerrequisito que dispare la regla» (a veces llamado dependencia), que en este caso se refiere al «fichero .cpp que necesita ser compilado».

Una ver que las reglas de sufijo se han fijado, puede indicar por ejemplo algo tan simple como make Union.exe y se aplicará la regla sufijo, incluso aunque no se mencione «Union» en ninguna parte del makefile.

Objetivos predeterminados

Después de las macros y las reglas de sufijo, make busca la primero «regla» del fichero, y la ejecuta, a menos que se especifica una regla diferente. Así que pare el siguiente makefile: 

CPP = mycompiler
.SUFFIXES: .exe .cpp
.cpp.exe:
        $(CPP) $<
target1.exe:
target2.exe:

Si ejecuta simplemente make, se construirá target1.exe (usando la regla de sufijo predeterminada) porque ese es el primer objetivo que make va a encontrar. Para construir target2.exe se debe indicar explícitamente diciendo make target2.exe. Esto puede resultar tedioso de modo que normalmente se crea un objetivo «dummy» por defecto que depende del resto de objetivos, como éste: 

CPP = mycompiler
.SUFFIXES: .exe .cpp
.cpp.exe:
        $(CPP) $<
all: target1.exe target2.exe

Aquí, all no existe y no hay ningún fichero llamada all, así que cada vez que ejecute make, el programa verá que all es el primer objetivo de la lista (y por tanto el objetivo por defecto), entonces comprobará que all no existe y analizará sus dependencias. Comprueba target1.exe y (usando la regla de sufijo) comprobará (1) que target1.exe existe y (2) que target1.cpp es más reciente que target1.exe , y si es así ejecutará la regla (si proporciona una regla explícita para un objetivo concreto, se usará esa regla en su lugar). Después pasa a analizar el siguiente fichero de la lista de objetivos por defecto. De este modo, breando una lista de objetivos por defecto (típicamente llamada all por convenio, aunque se puede tener cualquier nombre) puede conseguir que se construyan todos los ejecutables de su proyecto simplemente escribiendo make. Además, puede tener otras listas de objetivos para hacer otras cosas - por ejemplo, podría hacer que escribiendo make debug se reconstruyeran todos los ficheros pero incluyendo información de depuración.

3.11.2. Los Makefiles de este libro

Usando el programa ExtractCode.cpp del Volumen 2 de este libro, se han extraido automáticamente todos los listado de código de este libro a partir de la versión en texto ASCII y se han colocado en subdirectorios de acuerdo a sus capítulos. Además, ExtractCode.cpp crea varios makefiles en cada subdirectorio (con nombres diferentes) para que pueda ir a cualquier subdirectorio y escribir make -f mycompiler.makefile (sustituyendo «mycompiler» por el nombre de su compilador, la opción -f dice «utiliza lo siguiente como un makefile»). Finalmente, ExtractCode.cpp crea un makefile «maestro» en el directorio raíz donde se hayan extraido los fichero del libro, y este makefile descienda a cada subdirectorio y llama a make con el makefile apropiado. De este modo, se puede compilar todo el código de los listados del libro invocando un único comando make, y el proceso parará cada vez que su compilador no pueda manejar un fichero particular (tenga presente que un compilador conforme al Estándar C++ debería ser compatible con todos los ficheros de este libro). Como algunas implementaciones de make varían de un sistema a otro, en los makefiles generados se usan sólo las características más básicas y comunes.

3.11.3. Un ejemplo de Makefile

Tal como se mencionaba, la herramienta de extracción de código ExtractCode.cpp genera automáticamente makefiles para cada capítulo. Por eso, los makefiles de cada capítulo no aparecen en el libro (todos los makefiles están empaquetados con el código fuente, que se puede descargar de www.BruceEckel.com). Sin embargo, es útil ver un ejemplo de un makefile. Lo siguiente es una versión recortada de uno de esos makefiles generados automáticamente para este capítulo. Encontrará más de un makefile en cada subdirectorio (tienen nombres diferentes; puede invocar uno concreto con make -f. Éste es para GNU C++: 

CPP = g++
OFLAG = -o
.SUFFIXES : .o .cpp .c
.cpp.o :
  $(CPP) $(CPPFLAGS) -c $<
.c.o :
  $(CPP) $(CPPFLAGS) -c $<

all: \
  Return \
  Declare \
  Ifthen \
  Guess \
  Guess2
# Rest of the files for this chapter not shown

Return: Return.o
  $(CPP) $(OFLAG)Return Return.o

Declare: Declare.o
  $(CPP) $(OFLAG)Declare Declare.o

Ifthen: Ifthen.o
  $(CPP) $(OFLAG)Ifthen Ifthen.o

Guess: Guess.o
  $(CPP) $(OFLAG)Guess Guess.o

Guess2: Guess2.o
  $(CPP) $(OFLAG)Guess2 Guess2.o

Return.o: Return.cpp
Declare.o: Declare.cpp
Ifthen.o: Ifthen.cpp
Guess.o: Guess.cpp
Guess2.o: Guess2.cpp

La macro CPP contiene el nombre del compilador. Para usar un compilador diferente, puede editar el makefile o cambiar el valor de la macro desde línea de comandos, algo como: 

$ make CPP=cpp

Tenga en cuenta, sin embargo, que ExtractCode.cpp tiene un esquema automático para construir makefiles para compiladores adicionales.

La segunda macro OFLAG es la opción que se usa para indicar el nombre del fichero de salida. Aunque muchos compiladores asumen automáticamente que el fichero de salida tiene el mismo nombre base que el fichero de entrada, otros no (como los compiladores GNU/Unix, que por defecto crean un fichero llamado a.out).

Como ve, hay dos reglas de sufijo, una para ficheros .cpp y otra para fichero .c (en caso de que se necesite compilar algún fuente C). El objetivo por defecto es all, y cada línea de este objetivo está «continuada» usando la contrabarra, hasta Guess2, que el el último de la lista y por eso no tiene contrabarra. Hay muchos más fichero en este capítulo, pero (por brevedad) sólo se muestran algunos.

Las reglas de sufijo se ocupan de crear fichero objeto (con extensión .o) a partir de los fichero .cpp, pero en general se necesita escribir reglas explícitamente para crear el ejecutable, porque normalmente el ejecutable se crea enlazando muchos fichero objeto diferente y make no puede adivinar cuales son. También, en este caso (GNU/Unix) no se usan extensiones estándar para los ejecutables de modo que una regla de sufijo no sirve para esas situaciones. Por eso, verá que todas las reglas para construir el ejecutable final se indican explícitamente.

Este makefile toma el camino más seguro usando el mínimo de prestaciones de make; sólo usa los conceptos básicos de objetivos y dependencias, y también macros. De este modo está prácticamente asegurado que funcionará con la mayoría de las implementaciones de make. Eso implica que se producen fichero makefile más grandes, pero no es algo negativo ya que se generan automáticamente por ExtractCode.cpp.

Hay muchísimas otras prestaciones de make que no se usan en este libro, incluyendo las versiones más nuevas e inteligentes y las variaciones de make con atajos avanzados que permiten ahorrar mucho tiempo. La documentación propia de cada make particular describe en más profundidad sus características; puede aprender más sobre make en Managing Projects with Make de Oram y Taiboot (O'Reilly, 1993). También, si el fabricante de su compilador no proporciona un make o usa uno que no es estándar, puede encontrar GNU Make para prácticamente todas las plataformas que existen buscado en los archivos de GNU en internet (hay muchos).

3.12. Resumen

Este capítulo ha sido un repaso bastante intenso a través de todas las características fundamentales de la sintaxis de C++, la mayoría heredada de C (y ello redunda la compatibilidad hacia atrás FIXME:vaunted de C++ con C). Aunque algunas características de C++ se han presentado aquí, este repaso está pensado principalmente para personas con experiencia en programación, y simplemente necesitan una introducción a la sintaxis básica de C y C++. Incluso si usted ya es un programador de C, puede que haya visto una o dos cosas de C que no conocía, aparte de todo lo referente a C++ que probablemente sean nuevas. Sin embargo, si este capítulo le ha sobrepasado un poco, debería leer el curso en CD ROM Thinking in C: Foundations for C++ and Java que contiene lecturas, ejercicios, y soluciones guiadas), que viene con este libro, y también está disponible en www.BruceEckel.com.

3.13. Ejercicios

Las soluciones a los ejercicios se pueden encontrar en el documento electrónico titulado «The Thinking in C++ Annotated Solution Guide», disponible por poco dinero en www.BruceEckel.com.

  1. Cree un fichero de cabecera (con extensión «.h»). En este fichero, declare un grupo de funciones variando las listas de argumentos y valores de retorno de entre los siguientes: void, char, int y float. Ahora cree un fichero .cpp que incluya su fichero de cabecera y haga definiciones para todas esas funciones. Cada definición simplemente debe imprimir en nombre de la función, la lista de argumentos y el tipo de retorno para que se sepa que ha sido llamada. Cree un segundo fichero .cpp que incluya el fichero de cabecera y defina una int main(), que contenga llamadas a todas sus funciones. Compile y ejecute su programa.

  2. Escriba un programa que use dos bucles for anidados y el operador módulo (%) para detectar e imprimir números enteros (números enteros sólo divisibles entre si mismos y entre 1).

  3. Escriba un programa que utilice un bucle while para leer palabras de la entrada estándar (cin) y las guarde en un string. Este es un bucle while «infinito», que debe romper (y salir del programa) usando la sentencia break. Por cada palabra que lea, evalúela primero usando una secuencia de sentencias if para «mapear» un valor entero de la palabra, y después use una sentencia switch que utilice ese valor entero como selector (esta secuencia de eventos no es un buen estilo de programación; solamente es un supuesto para que practique con el control de flujo). Dentro de cada case, imprima algo con sentido. Debe decidir cuales son las palabras interesantes y qué significan. También debe decidir qué palabra significa el fin del programa. Pruebe el programa redireccionando un fichero como entrada (si quiere ahorrarse tener que escribir, ese fichero puede ser el propio código fuente del programa).

  4. Modifique Menu.cpp para usar sentencias switch en lugar de if.

  5. Escriba un programa que evalúe las dos expresiones de la sección llamada «precedencia».

  6. Modifique YourPets2.cpp para que use varios tipos de datos distintos (char, int, float, double, y sus variantes). Ejecute el programa y cree un mapa del esquema de memoria resultante. Si tiene acceso a más de un tipo de máquina, sistema operativo, o compilador, intente este experimento con tantas variaciones como pueda manejar.

  7. Cree dos funciones, una que tome un string* y una que tome un string&. Cada una de estas funciones debería modificar el objeto externo a su manera. En main(), cree e inicialice un objeto string, imprímalo, después páselo a cada una de las dos funciones, imprimiendo los resultados.

  8. Escriba un programa que use todos los trígrafos para ver si su compilador los soporta.

  9. Compile y ejecute Static.cpp. Elimine la palabra reservada static del código, compile y ejecútelo de nuevo, y explique lo que ocurre.

  10. Intente compilar y enlazar FileStatic.cpp con FileStatic2.cpp. ¿Qué significan los mensajes de error que aparecen?

  11. Modifique Boolean.cpp para que funcione con valores double en lugar de int.

  12. Modifique Boolean.cpp y Bitwise.cpp de modo que usen los operadores explícitos (si su compilador es conforme al Estándar C++ los soportará).

  13. Modifique Bitwise.cpp para usar las funciones de Rotation.cpp. Asegúrese de que muestra los resultados que deje claro qué ocurre durante las rotaciones.

  14. Modifique Ifthen.cpp para usar el operador if-else ternario(?:).

  15. Cree una struct que contenga dos objetos string y uno int. Use un typedef para el nombre de la struct. Cree una instancia de la struct, inicialice los tres valores de la instancia, y muestrelos en pantalla. Tome la dirección de su instancia y asígnela a un puntero a tipo de la struct. Usando el puntero, Cambie los tres valores de la instancia y muestrelos.

  16. Cree un programa que use un enumerado de colores. Cree una variable de este tipo enum y, utilizando un bucle, muestre todos los números que corresponden a los nombres de los colores.

  17. Experimente con Union.cpp eliminando varios elementos de la union para ver el efecto que causa en el tamaño de la union resultante. Intente asignar un elemento (por tanto un tipo) de la union y muéstrelo por medio de un elemento diferente (por tanto, un tipo diferente) para ver que ocurre.

  18. Cree un programa que defina dos arrays de int, uno a continuación del otro. Indexe el primer array más allá de su tamaño para caer sobre el segundo, haga una asignación. Muestre el segundo array para ver los cambios que eso ha causado. Ahora intente definir una variable char entre las definiciones de los arrays, y repita el experimento. Quizá quiera crear una función para imprimir arrays y así simplificar el código.

  19. Modifique ArrayAddresses.cpp para que funcione con los tipos de datos char, long int, float y double.

  20. Aplique la técnica de ArrayAddresses.cpp para mostrar el tamaño de la struct y las direcciones de los elementos del array de StructArray.cpp.

  21. Cree un array de objetos string y asigne una cadena a cada elemento. Muestre el array usando un bucle for.

  22. Cree dos nuevos programas a partir de ArgsToInts.cpp que usen atol() y atof() respectivamente.

  23. Modifique PointerIncrement2.cpp de modo que use una union en lugar de una struct.

  24. Modifique PointerArithmetic.cpp para que funcione con long y long double.

  25. Defina una variable float. Tome su dirección, moldee esa dirección a un unsigned char, y asígnela a un puntero unsigned char. Usando este puntero y [], indexe la variable float y use la función printBinary() definida en este capítulo para mostrar un mapa de cada float (vaya desde 0 hasta sizeof(float)). Cambie el valor del float y compruebe si puede averiguar que hay en el float (el float contiene datos codificados).

  26. Defina un array de int. Tome la dirección de comienzo de ese array y utilice static_cast para convertirlo a un void*. Escriba una función que tome un void*, un número (que indica el número de bytes), y un valor (indicando el valor que debería ser asignado a cada byte) como argumentos. La función debería asignar a cada byte en el rango especificado el valor dado como argumento. Pruebe la función con su array de int.

  27. Cree un array const de double y un array volatile de double. Indexe cada array y utilice const_cast para moldear cada elemento de no-const y no-volatile, respectivamente, y asigne un valor a cada elemento.

  28. Cree una función que tome un puntero a un array de double y un valor indicando el tamaño de ese array. La función debería mostrar cada valor del array. Ahora cree un array de double y inicialice cada elemento a cero, después utilice su función para mostrar el array. Después use reinterpret_cast para moldear la dirección de comienzo de su array a un unsigned char*, y ponga a 1 cada byte del array (aviso: necesitará usar sizeof para calcular el número de bytes que tiene un double). Ahora use su función de impresión de arrays para mostrar los resultados. ¿Por qué cree los elementos no tienen el valor 1.0?

  29. (Reto) Modifique FloatingAsBinary.cpp para que muestra cada parte del double como un grupo separado de bits. Tendrá que reemplazar las llamadas a printBinary() con su propio código específico (que puede derivar de printBinary()) para hacerlo, y también tendrá que buscar y comprender el formato de punto flotante incluyendo el ordenamiento de bytes para su compilador (esta parte es el reto).

  30. Cree un makefile que no sólo compile YourPets1.cpp y YourPets2.cpp (para cada compilador particular) sino que también ejecute ambos programas como parte del comportamiento del objetivo predeterminado. Asegúrese de usar las reglas de sufijo.

  31. Modifique StringizingExpressions.cpp para que P(A) sea condicionalmente definida con #ifdef para permitir que el código de depuración sea eliminado automáticamente por medio de una bandera en línea de comandos. Necesitará consultar la documentación de su compilador para ver cómo definir y eliminar valores del preprocesador en el compilador de línea de comandos.

  32. Defina una función que tome un argumento double y retorne un int. Cree e inicialice un puntero a esta función, e invoque la función por medio del puntero.

  33. Declare un puntero a un función que toma un argumento int y retorna un puntero a una función que toma un argumento char y retorna un float.

  34. Modifique FunctionTable.cpp para que cada función retorne un string (en lugar de mostrar un mensaje) de modo que este valor se imprima en main().

  35. Cree un makefile para uno de los ejercicios previos (a su elección) que le permita escribir make para construir una versión en producción del programa y make debug para construir una versión del programa que incluye información de depuración.


[39] Fíjese en que todas las convenciones parecen acabar estando de acuerdo en que hay que hacer algún tipo de indentación. La pelea entre los estilos de formateo de código no tiene fin. En el Apéndice A se explica el estilo de codificación que se usa en este libro.

[40] Gracias a Kris C. Matson por proponer este ejercicio.

[41] (N. de T.) ...aunque se evalúa como «C».

[42] (N. de T.) zero indexing

[43] A menos que tome la siguiente aproximación estricta: «todos los argumentos pasado en C/C++ son por valor, y el «valor» de un vector es el producido por su identificador: su dirección». Eso puede parecer correcto desde el punto de vista del lenguaje ensamblador, pero yo no creo que ayude cuando se trabaja con conceptos de alto nivel. La inclusión de referencias en C++ hace que el argumento «todo se pasa por valor» sea más confuso, hasta el punto de que siento que es más adecuado pensar en términos de «paso por valor» vs «paso por dirección».

[44] (N. del T.) Otra forma similar de entenderlo es dibujar mentalmente una espiral que empieza en el medio (el identificador) y se va abriendo.

[45] (N. de T.) El método del que habla el autor se refiere normalmente a software instalado a partir de su código fuente. La instalación de paquetes binarios es mucho más simple y automatizada en la mayoría de las variantes actuales del sistema operativo GNU.

4: Abstracción de Datos

Tabla de contenidos

4.1. Una librería pequeña al estilo C
4.2. ¿Qué tiene de malo?
4.3. El objeto básico
4.4. ¿Qué es un objeto?
4.5. Tipos abstractos de datos
4.6. Detalles del objeto
4.7. Conveciones para los ficheros de cabecera
4.8. Estructuras anidadas
4.9. Resumen
4.10. Ejercicios

C++ es una herramienta de mejora de la productividad. ¿Por qué si no haría el esfuerzo (y es un esfuerzo, a pesar de lo fácil que intetemos hacer la transición)

de cambiar de algún lenguaje que ya conoce y con el cual ya es productivo a un nuevo lenguaje con el que será menos productivo durante un tiempo, hasta que se haga con él? Se debe a que está convencido de que conseguirá grandes ventajas usando esta nueva herramienta.

En términos de programación, productividad significa que menos personas, en menos tiempo, puedan realizar programas más complejos y significativos. Desde luego, hay otras cuestiones que nos deben importar a la hora de escoger un lenguaje de programación. Aspectos a tener en cuenta son la eficiencia (¿la naturaleza del lenguaje hace que nuestros programas sean lentos o demasiado grandes?), la seguridad (¿nos ayuda el lenguaje a asegurarnos de que nuestros programas hagan siempre lo que queremos? ¿maneja el lenguaje los errores apropiadamente?) y el mantenimiento (¿el lenguaje ayuda a crear código fácil de entender, modificar y extender?). Estos son, con certeza, factores importantes que se examinarán en este libro.

Pero la productividad real significa que un programa que para ser escrito, antes requería de tres personas trabajando una semana, ahora le lleve sólo un día o dos a una sola persona. Esto afecta a varios niveles de la esfera económica. A usted le agrada ver que es capaz de construir algo en menos tiempo, sus clientes (o jefe) están contentos porque los productos les llegan más rápido y utilizando menos mano de obra y finalmente los compradores se alegran porque pueden obtener productos más baratos. La única manera de obtener incrementos masivos en productividad es apoyándose en el código de otras personas; o sea, usando librerías.

Una librería es simplemente un montón de código que alguien ha escrito y empaquetado todo junto. Muchas veces, el paquete mínimo es tan sólo un archivo con una extensión especial como lib y uno o más archivos de cabecera que le dicen al compilador qué contiene la librería. El enlazador sabrá cómo buscar el archivo de la librería y extraer el código compilado correcto. Sin embargo, ésta es sólo una forma de entregar una librería. En plataformas que abarcan muchas arquitecturas, como GNU o Unix, el único modo sensato de entregar una libraría es con código fuente para que así pueda ser reconfigurado y reconstruido en el nuevo objetivo.

De esta forma, las librerías probablemente sean la forma más importante de progresar en términos de productividad y uno de los principales objetivos del diseño de C++ es hacer más fácil el uso de librerías. Esto implica entonces, que hay algo difícil al usar librerías en C. Entender este factor le dará una primera idea sobre el diseño de C++, y por lo tanto, de cómo usarlo.

4.1. Una librería pequeña al estilo C

Aunque muchas veces, una librería comienza como una colección de funciones, si ha usado alguna librería C de terceros habrá observado que la cosa no termina ahí porque hay más que comportamiento, acciones y funciones. También hay características (azul, libras, textura, luminiscencia), las cuales están representadas por datos. En C, cuando debemos representar características, es muy conveniente agruparlas todas juntas en una estructura, especialmente cuando queremos representar más de un tipo de cosa en el problema. Así, se puede trabajar con una variable de esta estructuras para representar cada cosa.

Por eso, la mayoría de las librerías en C están formadas por un conjunto de estructuras y funciones que actúan sobre las primeras. Como ejemplo de esta técnica, considere una herramienta de programación que se comporta como un array, pero cuyo tamaño se puede fijar en tiempo de ejecución, en el momento de su creación. La llamaremos CStash [46]. Aunque está escrito en C++, tiene el estilo clásico de una librería escrita en C: 

//: C04:CLib.h
// Header file for a C-like library
// An array-like entity created at runtime

typedef struct CStashTag {
  int size;      // Size of each space
  int quantity;  // Number of storage spaces
  int next;      // Next empty space
  // Dynamically allocated array of bytes:
  unsigned char* storage;
} CStash;

void initialize(CStash* s, int size);
void cleanup(CStash* s);
int add(CStash* s, const void* element);
void* fetch(CStash* s, int index);
int count(CStash* s);
void inflate(CStash* s, int increase);
///:~

Listado 4.1. C04/CLib.h


Normalmente se utiliza un «rótulo» como CStashTag en aquellas estructuras que necesitan referenciarse dentro de si mismas. Ese es el caso de una lista enlazada (cada elemento de la lista contiene un puntero al siguiente elemento) se necesita un puntero a la siguiente variable estructura, o sea, una manera de identificar el tipo de ese puntero dentro del cuerpo de la propia estructura. En la declaración de las estructuras de una librería escrita en C también es muy común ver el uso de typedef como el del ejemplo anterior. Esto permite al programador tratar las estructuras como un nuevo tipo de dato y así definir nuevas variables (de esa estructura) del siguiente modo: 

CStash A, B, C;

El puntero storage es un unsigned char*. Un unsigned char es la menor pieza de datos que permite un compilador C, aunque en algunas máquinas puede ser de igual tamaño que la mayor. Aunque es dependiente de la implementación, por lo general un unsigned char tiene un tamaño de un byte. Dado que CStash está diseñado para almacenar cualquier tipo de estructura, el lector se puede preguntar si no sería más apropiado un puntero void *. Sin embargo, el objetivo no es tratar este puntero de almacenamiento como un bloque de datos de tipo desconocido, sino como un bloque de bytes contiguos.

El archivo de código fuente para la implementación (del que no se suele disponer si fuese una librería comercial —normalmente sólo dispondrá de un .obj, .lib o .dll, etc) tiene este aspecto: 

//: C04:CLib.cpp {O}
// Implementation of example C-like library
// Declare structure and functions:
#include "CLib.h"
#include <iostream>
#include <cassert> 
using namespace std;
// Quantity of elements to add
// when increasing storage:
const int increment = 100;

void initialize(CStash* s, int sz) {
  s->size = sz;
  s->quantity = 0;
  s->storage = 0;
  s->next = 0;
}

int add(CStash* s, const void* element) {
  if(s->next >= s->quantity) //Enough space left?
    inflate(s, increment);
  // Copy element into storage,
  // starting at next empty space:
  int startBytes = s->next * s->size;
  unsigned char* e = (unsigned char*)element;
  for(int i = 0; i < s->size; i++)
    s->storage[startBytes + i] = e[i];
  s->next++;
  return(s->next - 1); // Index number
}

void* fetch(CStash* s, int index) {
  // Check index boundaries:
  assert(0 <= index);
  if(index >= s->next)
    return 0; // To indicate the end
  // Produce pointer to desired element:
  return &(s->storage[index * s->size]);
}

int count(CStash* s) {
  return s->next;  // Elements in CStash
}

void inflate(CStash* s, int increase) {
  assert(increase > 0);
  int newQuantity = s->quantity + increase;
  int newBytes = newQuantity * s->size;
  int oldBytes = s->quantity * s->size;
  unsigned char* b = new unsigned char[newBytes];
  for(int i = 0; i < oldBytes; i++)
    b[i] = s->storage[i]; // Copy old to new
  delete [](s->storage); // Old storage
  s->storage = b; // Point to new memory
  s->quantity = newQuantity;
}

void cleanup(CStash* s) {
  if(s->storage != 0) {
   cout << "freeing storage" << endl;
   delete []s->storage;
  }
} ///:~

Listado 4.2. C04/CLib.cpp


initialize() realiza las operaciones iniciales necesarias para la struct CStash, poniendo los valores apropiados en las variables internas. Inicialmente, el puntero storage tiene un cero dado que aún no se ha almacenado nada.

La función add() inserta un elemento en el siguiente lugar disponible de la CStash. Para lograrlo, primero verifica que haya suficiente espacio disponible. Si no lo hay, expande el espacio de almacenamiento (storage) usando la función inflate() que se describe después.

Como el compilador no conoce el tipo específico de la variable que está siendo almacenada (todo lo que obtiene la función es un void*), no se puede hacer una asignación simple, que sería lo más conveniente. En lugar de eso, la variable se copia byte a byte. La manera más directa de hacerlo es utilizando el indexado de arrays. Lo habitual es que en storage ya haya bytes almacenados, lo cual es indicado por el valor de next. Para obtener la posición de inserción correcta en el array, se multiplica next por el tamaño de cada elemento (en bytes) lo cual produce el valor de startBytes. Luego el argumento element se moldea a unsigned char* para que se pueda direccionar y copiar byte a byte en el espacio disponible de storage. Se incrementa next de modo que indique el siguiente lugar de almacenamiento disponible y el «índice» en el que ha almacenado el elemento para que el valor se puede recuperar utilizando el índice con fetch().

fetch() verifica que el índice tenga un valor correcto y devuelve la dirección de la variable deseada, que se calcula en función del argumento index. Dado que index es un desplazamiento desde el principio en la CStash, se debe multiplicar por el tamaño en bytes que ocupa cada elemento para obtener dicho desplazamiento en bytes. Cuando utilizamos este desplazamiento como índice del array storage lo que obtenemos no es la dirección, sino el byte almacenado. Lo que hacemos entonces es utilizar el operador dirección-de &.

count() puede parecer un poco extraña a los programadores experimentados en C. Podría parecer demasiado complicada para una tarea que probablemente sea mucho más fácil de hacer a mano. Por ejemplo, si tenemos una CStash llamada intStash, es mucho más directo preguntar por la cantidad de elementos utilizando intStash.next, que llamar a una función (que implica sobrecarga), como count(&intStash). Sin embargo, la cantidad de elementos se calcula en función tanto del puntero next como del tamaño en bytes de cada elemento de la CStash; por eso la interfaz de la función count() permite la flexibilidad necesaria para no tener que preocuparnos por estas cosas. Pero, ¡ay!, la mayoría de los programadores no se preocuparán por descubrir lo que para nosotros es el «mejor» diseño para la librería. Probablemente lo que harán es mirar dentro de la estructura y obtener el valor de next directamente. Peor aún, podrían incluso cambiar el valor de next sin nuestro permiso. ¡Si hubiera alguna forma que permitiera al diseñador de la librería tener un mejor control sobre este tipo de cosas! (Sí, esto es un presagio).

4.1.1. Asignación dinámica de memoria

Nunca se puede saber la cantidad máxima de almacenamiento que se necesitará para una CStash, por eso la memoria a la que apuntan los elementos de storage se asigna desde el montículo (heap) [47]. El montículo es un gran bloque de memoria que se utiliza para asignar en pequeños trozos en tiempo de ejecución. Se usa el heap cuando no se conoce de antemano la cantidad de memoria que necesitará el programa que está escribiendo. Por ejemplo, eso ocurre en un programa en el que sólo en el momento de la ejecución se sabe si se necesia memoria para 200 variables Avión o para 20. En C Estándar, las funciones para asignación dinámica de memoria incluyen malloc(), calloc(), realloc() y free(). En lugar de llamadas a librerías, C++ cuenta con una técnica más sofisticada (y por lo tanto más fácil de usar) para tratar la memoria dinámica. Esta técnica está integrada en el lenguaje por medio de las palabras reservadas new y delete.

La función inflate() usa new para obtener más memoria para la CStash. En este caso el espacio de memoria sólo se amplia y nunca se reduce. assert() garantiza que no se pase un número negativo como argumento a inflate() como valor de incremento. La nueva cantidad de elmentos que se podrán almacenar (una vez se haya terminado inflate()) se determina en la variable newQuantity que se multiplica por el número de bytes que ocupa cada elemento, para obtener el nuevo número total de bytes de la asignación en la variable newBytes. Dado que se sabe cuántos bytes hay que copiar desde la ubicación anterior, oldBytes se calcula usando la cantidad antigua de bytes (quantity).

La petición de memoria ocurre realmente en la expresión-new que involucra la palabra reservada new: 

new unsigned char[newBytes];

La forma general de una expresión-new es: 

new Tipo;

donde Tipo describe el tipo de variable para la cual se solicita memoria en el montículo. Dado que en este caso, se desea asignar memoria para un array de unsigned char de newBytes elementos, eso es lo que aparece como Tipo. Del mismo modo, se puede asignar memoria para algo más simple como un int con la expresión: 

new int;

y aunque esto se utiliza muy poco, demuestra que la sintaxis es consistente.

Una expresión-new devuelve un puntero a un objeto del tipo exacto que se le pidió. De modo que con new Tipo se obtendrá un puntero a un objeto de tipo Tipo, y con new int obtendrá un puntero a un int. Si quiere un nuevo array de unsigned char la expresión devolverá un puntero al primer elemento de dicho array. El compilador verificará que se asigne lo que devuelve la expresión-new a una variable puntero del tipo adecuado.

Por supuesto, es posible que al pedir memoria, la petición falle, por ejemplo, si no hay más memoria libre en el sistema. Como verá más adelante, C++ cuenta con mecanismos que entran en juego cuando la operación de asignación de memoria no se puede satisfacer.

Una vez que se ha obtenido un nuevo espacio de almacenamiento, los datos que estaban en el antiguo se deben copiar al nuevo. Esto se hace, nuevamente, en un bucle, utilizando la notación de índexado de arrays, copiando un byte en cada iteración del bucle. Una vez finalizada esta copia, ya no se necesitan los datos que están en el espacio de almacenamiento original por lo que se pueden liberar de la memoria para que otras partes del programa puedan usarlo cuando lo necesiten. La palabra reservada delete es el complemento de new y se debe utilizar sobre todas aquellas variables a las cuales se les haya asignado memoria con new. (Si se olvida de utilizar delete esa memoria queda in-utilizable. Si estas fugas de memoria (memory leak) son demasiado abundantes, la memoria disponible se acabará.) Existe una sintaxis especial cuando se libera un array. Es como si recordara al compilador que ese puntero no apunta sólo a un objeto, sino a un array de objetos; se deben poner un par de corchetes delante del puntero que se quiere liberar: 

delete []myArray;

Una vez liberado el antiguo espacio de almacenamiento, se puede asignar el puntero del nuevo espacio de memoria al puntero storage, se actualiza quantity y con eso inflate() ha terminado su trabajo.

En este punto es bueno notar que el administrador de memoria del montículo> es bastante primitivo. Nos facilita trozos de memoria cuando se lo pedimos con new y los libera cuando invocamos a delete. Si un programa asigna y libera memoria muchas veces, terminaremos con un montículo fragmentado, es decir un montículo en el que si bien puede haber memoria libre utilizable, los trozos de memoria están divididos de tal modo que no exista un trozo que sea lo suficientemente grande para las necesidades concretas en un momento dado. Lamentablemente no existe una capacidad inherente del lenguaje para efectuar defragmentaciones del montículo. Un defragmentador del montículo complica las cosas dado que tiene que mover pedazos de memoria, y por lo tanto, hacer que los punteros dejen de apuntar a valores válidos. Algunos entornos operativos vienen con este tipo de facilidades pero obligan al programador a utilizar manejadores de memoria especiales en lugar de punteros (estos manipuladores se pueden convertir temporalmente en punteros una vez bloqueada la memoria para que el defragmentador del montículo no la modifique). También podemos construir nosotros mismos uno de estos artilugios, aunque no es una tarea sencilla.

Cuando creamos una variable en la pila en tiempo de compilación, el mismo compilador es quien se encarga de crearla y liberar la memoria ocupada por ella automáticamente. Conoce exactamente el tamaño y la duración de este tipo de variables dada por las reglas de ámbito. Sin embargo, en el caso de las variables almacenadas dinámicamente, el compilador no poseerá información ni del tamaño requerido por las mismas, ni de su duración. Esto significa que el compilador no puede encargarse de liberar automáticamente la memoria ocupada por este tipo de variables y de aquí que el responsable de esta tarea sea el programador (o sea usted). Para esto se debe utilizar delete, lo cual le indica al administrador del montículo que ese espacio de memoria puede ser utilizado por próximas llamadas a new. En nuestra librería de ejemplo, el lugar lógico para esta tarea es la función cleanup() dado que allí es dónde se deben realizar todas las labores de finalización de uso del objeto.

Para probar la librería se crean dos Cstash, uno que almacene enteros y otro para cadenas de 80 caracteres: 

//: C04:CLibTest.cpp
//{L} CLib
// Test the C-like library
#include "CLib.h"
#include <fstream>
#include <iostream>
#include <string>
#include <cassert>
using namespace std;

int main() {
  // Define variables at the beginning
  // of the block, as in C:
  CStash intStash, stringStash;
  int i;
  char* cp;
  ifstream in;
  string line;
  const int bufsize = 80;
  // Now remember to initialize the variables:
  initialize(&intStash, sizeof(int));
  for(i = 0; i < 100; i++)
    add(&intStash, &i);
  for(i = 0; i < count(&intStash); i++)
    cout << "fetch(&intStash, " << i << ") = "
         << *(int*)fetch(&intStash, i)
         << endl;
  // Holds 80-character strings:
  initialize(&stringStash, sizeof(char)*bufsize);
  in.open("CLibTest.cpp");
  assert(in);
  while(getline(in, line))
    add(&stringStash, line.c_str());
  i = 0;
  while((cp = (char*)fetch(&stringStash,i++))!=0)
    cout << "fetch(&stringStash, " << i << ") = "
         << cp << endl;
  cleanup(&intStash);
  cleanup(&stringStash);
} ///:~

Listado 4.3. C04/CLibTest.cpp


Dado que debemos respetar la sintaxis de C, todas las variables se deben declarar al comienzo de main(). Obviamente, no nos podemos olvidar de inicializar todas las variables Cstash más adelante en el bloque main(), pero antes de usarlas, llamando a initialize(). Uno de los problemas con las librerías en C es que uno debe asegurarse de convencer al usuario de la importancia de las funciones de inicialización y destrucción. ¡Habrá muchos problemas si estas funciones se omiten! Lamentablemente el usuario no siempre se preguntará si la inicialización y el limpiado de los objetos son obligatorios. Ellos le darán importancia a lo que ellos quieren hacer y no nos darán tanta importancia a nosotros (el programador de la librería) cuando les digamos «¡Hey! ¡espera un poco! ¡Debes hacer esto primero!». Otro problema que puede presentarse es el hecho de que algunos usuarios quieran inicializar los elementos (datos internos) de una estructura por su cuenta. En C no hay un mecanismo para prevenir este tipo de conductas (más presagios de los temás que vendrán...).

La intStash se va llenando con enteros mientras que el stringStash se va llenando con arrays de caracteres. Estos arrays de caracteres son producidos leyendo el archivo fuente CLibTest.cpp y almacenando las líneas de este archivo en el string line. Obtenemos la representación «puntero a carácter» de line con el método c_str().

Una vez cargados los Stash ambos se muestran en pantalla. intStash se imprime usando un bucle for en el cual se usa count() para determinar la cantidad de elementos. El stringStash se muestra utilizando un bucle while dentro del cual se va llamando a fetch(). Cuando esta función devuelve cero se rompe el bucle ya que esto significará que se han sobrepasado los límites de la estructura.

El lector también pudo haber visto un molde adicional en la línea: 

cp = (char*)fetch(&stringStash, i++)

Esto se debe a la comprobación estricta de tipos en C++, que no permite asignar un void * a una variable de cualquier tipo, mientras que C sí lo hubiera permitido.

4.1.2. Malas suposiciones

Antes de abordar los problemas generales de la creación de una librería C, discutiremos otro asunto importante que se debe tener claro. Fíjese que el archivo de cabecera CLib.h debe incluirse en cada archivo fuente que haga referencia al tipo CStash ya que el compilador no puede adivinar qué aspecto tiene la estructura. Sin embargo, sí puede adivinar el aspecto de una función. Aunque eso pueda parecer una ventaja, veremos que en realidad, es un grave problema de C.

Aunque siempre debería declarar las funciones incluyendo un archivo de cabecera, en C las declaraciones de funciones no son esenciales. En este lenguaje (pero no en C++), es posible llamar a una función que no ha sido declarada. Un buen compilador seguramente avisará de que deberíamos declarar la función antes de usarla, pero nos permitirá seguir dado que no es obligatorio hacerlo en C estándar. Esta es una práctica peligrosa ya que el compilador puede asumir que una función que ha sido llamada con un int como argumento, tenga un int como argumento cuando, en realidad, es un float. Como veremos, esto puede producir errores que pueden ser muy difíciles de depurar.

Se dice que cada archivo de implementación C (los archivos de extensión .c) es una unidad de traducción (translation unit). El compilador se ejecuta independientemente sobre cada unidad de traducción ocupándose, en ese momento, solamente en ese archivo. Por eso, la información que le demos al compilador por medio de los archivos de cabecera es muy importante dado que determina la forma enq que ese archivo se relaciona con las demás partes del programa. Por eso motivo, las declaraciones en los archivos de cabecera son particularmente importantes dado que, en cada lugar que se incluyen, el compilador sabrá exactamente qué hacer. Por ejemplo, si en un archivo de cabecera tenemos la declaración void func(float) , si llamamos a func() con un int como argumento, el compilador sabrá que deberá convertir el int a float antes de pasarle el valor a la función (a esto se le llama promoción de tipos). Sin la declaración, el compilador asumiría que la función tiene la forma func(int), no realizaría la promoción y pasaría, por lo tanto, datos incorrectos a la función.

Para cada unidad de traducción, el compilador crea un archivo objeto, de extensión .o, .obj o algo por el estilo. Estos archivos objeto, junto con algo de código de arranque se unens por el enlazador(linker) para crear el programa ejecutable. Todas las referencias externas se deben resolver en la fase de enlazado. En archivos como CLibTest.cpp, se declaran funciones como initialize() y fetch() (o sea, se le informa al compilador qué forma tienen estas funciones), pero no se definen. Están definidas en otro lugar, en este caso en el archivo CLib.cpp. De ese modo, las llamadas que se hacen en CLibTest.cpp a estas funciones son referencias externas. Cuando se unen los archivos objeto para formar el programa ejecutable, el enlazador debe, para cada referencia externa no resuelta, encontrar la dirección a la que hace referencia y reemplazar cada referencia externa con su dirección correspondiente.

Es importante señalar que en C, estas referencias externas que el enlazador busca son simples nombres de funciones, generalmente precedidos por un guión bajo. De esta forma, la única tarea del enlazador es hacer corresponder el nombre de la función que se llama, con el cuerpo (definición, código) de la función del archivo objeto, en el lugar exacto de la llamada a dicha función. Si, por ejemplo, accidentalmente hacemos una llamada a una función que el compilador interprete como func(int) y existe una definición de función para func(float) en algún archivo objeto, el enlazador verá _func en un lugar y _func en otro, por lo que pensará que todo está bien. En la llamada a func() se pasará un int en la pila pero el cuerpo de la función func() esperará que la pila tenga un float. Si la función sólo lee el valor de este dato y no lo escribe, la pila no sufrirá datos. De hecho, el supuesto float leído de la pila puede tener algo de sentido: la función seguirá funcionando aunque sobre basura, y es por eso que los fallos originadas por esta clase de errores son muy difíciles de encontrar.

4.2. ¿Qué tiene de malo?

Somos seres realmente destinados a la adaptación, incluso a las que quizá no deberíamos adaptarnos. El estilo de la librería CStash ha sido un modelo a seguir para los programadores en C durante mucho tiempo. Sin embargo, si nos ponemos a examinarla por un momento, nos daremos cuenta de que utilizar esta librería puede resultar incómodo. Cuando la usamos debemos, por ejemplo, pasar la dirección de la estructura a cada función de la librería. Por eso, cuando leemos el código, los mecanismos de la librería se mezclan con el significado de las llamadas a las funciones, lo cual dificulta la comprecsión del programa.

Sin embargo, uno de los mayores obstáculos al trabajar con librerías en C es el problema llamado conflicto de nombres (name clashes). C trabaja con un único espacio de nombres de funciones. Esto significa que, cuando el enlazador busca por el nombre de una función, lo hace en una única lista de nombres maestra. Además, cuando el compilador trabaja sobre una unidad de traducción, un nombre de función sólo puede hacer referencia a una única función con ese nombre.

Supongamos que compramos dos librerías de diferentes proveedores y que cada librería consta de una estructura que debe inicializar y destruir. Supongamos que cada proveedor ha decidido nombrar a dichas operaciones initialize() y cleanup(). ¿Cómo se comportaría el compilador si incluyéramos los archivos de cabecera de ambas librerías en la misma unidad de traducción? Afortunadamente, el compilador C dará un mensaje de error diciéndonos que hay una incoherencia de tipos en las listas de argumentos de ambas declaraciones. No obstante, aunque no incluyamos los archivos de cabecera en la unidad de traducción igual tendremos problemas con el enlazador. Un buen enlazador detectará y avisará cuando se produzca uno de estos conflictos de nombres. Sin embargo, hay otros que simplemente tomarán el primer nombre de la función que encuentren, buscando en los archivos objeto en el orden en el que fueron pasados en la lista de enlazado. (Este comportamiento se puede considerar como una ventaja ya que permite reemplazar las funciones de las librerías ajenas con funciones propias.)

En cualquiera de los dos casos, llegamos a la conclusión de que en C es imposible usar dos bibliotecas en las cuales existan funciones con nombres idénticos. Para solucionar este problema, los proveedores de librerías en C ponen un prefijo único a todas las funciones de la librería. En nuestro ejemplo, las funciones initialize() y cleanup() habría que renombrarlas como CStash_initialize() y CStash_cleanup(). Esta es una técnica lógica: decoramos los nombres de las funciones con el nombre de la estructura sobre la cual trabajan.

Este es el momento de dirigir nuestros pasos a las primeras nociones de construcción de clases en C++. Como el lector ha de saber, las variables declaradas dentro de una estructura no tienen conflictos de nombres con las variables globales. ¿Por qué, entonces, no aprovechar esta característica de las variables para evitar los conflictos de nombres de funciones declarándolas dentro de la estructura sobre la cual operan? O sea, ¿por qué no hacer que las funciones sean también miembros de las estructuras?

4.3. El objeto básico

Nuestro primer paso será exactamente ese. Meter las funciones C++ dentro de las estructuras como «funciones miembro». Éste es el aspecto que tiene la estructura una vez realizados estos cambios de la versión C de la CStash a la versión en C++, a la que llamaremos Stash: 

//: C04:CppLib.h
// C-like library converted to C++

struct Stash {
  int size;      // Size of each space
  int quantity;  // Number of storage spaces
  int next;      // Next empty space
   // Dynamically allocated array of bytes:
  unsigned char* storage;
  // Functions!
  void initialize(int size);
  void cleanup();
  int add(const void* element);
  void* fetch(int index);
  int count();
  void inflate(int increase);
}; ///:~

Listado 4.4. C04/CppLib.h


La primera diferencia que puede notarse es que no se usa typedef. A diferencia de C que requiere el uso de typedef para crear nuevos tipos de datos, el compilador de C++ hará que el nombre de la estructura sea un nuevo tipo de dato automáticamente en el programa (tal como los nombres de tipos de datos int, char, float y double).

Todos los datos miembros de la estructura están declarados igual que antes; sin embargo, ahora las funciones están declaradas dentro del cuerpo de la struct. Más aún, fíjese que el primer argumento de todas las funciones ha sido eliminado. En C++, en lugar de forzar al usuario a que pase la dirección de la estructura sobre la que trabaja una función como primer argumento, el compilador hará este trabajo, secretamente. Ahora sólo debe preocuparse por los argumentos que le dan sentido a lo que la función hace y no de los mecanismos internos de la función.

Es importante darse cuenta de que el código generado por estas funciones es el mismo que el de las funciones de la librería al estilo C. El número de argumentos es el mismo (aunque no se le pase la dirección de la estructura como primer argumento, en realidad sí se hace) y sigue existiendo un único cuerpo (definición) de cada función. Esto último quiere decir que, aunque declare múltiples variables 

Stash A, B, C;

no existirán múltiples definiciones de, por ejemplo, la función add(), una para cada variable.

De modo que el código generado es casi idéntico al que hubiese escrito para una versión en C de la librería, incluyendo la «decoración de nombres» ya mencionada para evitar los conflictos de nombres, nombrando a las funciones Stash_initialize(), Stash_cleanup() y demás. Cuando una función está dentro de una estructura, el compilador C++ hace lo mismo y por eso, una función llamada initialize() dentro de una estructura no estará en conflicto con otra función initialize() dentro de otra estructura o con una función initialize() global. De este modo, en general no tendrá que preocuparse por los conflictos de nombres de funciones - use el nombre sin decoración. Sin embargo, habrá situaciones en las que deseará especificar, por ejemplo, esta initialize() pertenece a la estructura Stash y no a ninguna otra. En particular, cuando defina la función, necesita especificar a qué estructura pertenece para lo cual, en C++ cuenta con el operador :: llamado operador de resolución de ámbito (ya que ahora un nombre puede estar en diferentes ámbitos: el del ámbito global o dentro del ámbito de una estructura. Por ejemplo, si quiere referirse a una función initialize() que se encuentra dentro de la estructura Stash lo podrá hacer con la expresión Stash::initialize(int size). A continuación podrá ver cómo se usa el operador de resolución de ámbito para definir funciones: 

//: C04:CppLib.cpp {O}
// C library converted to C++
// Declare structure and functions:
#include "CppLib.h"
#include <iostream>
#include <cassert>
using namespace std;
// Quantity of elements to add
// when increasing storage:
const int increment = 100;

void Stash::initialize(int sz) {
  size = sz;
  quantity = 0;
  storage = 0;
  next = 0;
}

int Stash::add(const void* element) {
  if(next >= quantity) // Enough space left?
    inflate(increment);
  // Copy element into storage,
  // starting at next empty space:
  int startBytes = next * size;
  unsigned char* e = (unsigned char*)element;
  for(int i = 0; i < size; i++)
    storage[startBytes + i] = e[i];
  next++;
  return(next - 1); // Index number
}

void* Stash::fetch(int index) {
  // Check index boundaries:
  assert(0 <= index);
  if(index >= next)
    return 0; // To indicate the end
  // Produce pointer to desired element:
  return &(storage[index * size]);
}

int Stash::count() {
  return next; // Number of elements in CStash
}

void Stash::inflate(int increase) {
  assert(increase > 0);
  int newQuantity = quantity + increase;
  int newBytes = newQuantity * size;
  int oldBytes = quantity * size;
  unsigned char* b = new unsigned char[newBytes];
  for(int i = 0; i < oldBytes; i++)
    b[i] = storage[i]; // Copy old to new
  delete []storage; // Old storage
  storage = b; // Point to new memory
  quantity = newQuantity;
}

void Stash::cleanup() {
  if(storage != 0) {
    cout << "freeing storage" << endl;
    delete []storage;
  }
} ///:~

Listado 4.5. C04/CppLib.cpp


Hay muchas otras cosas que difieres entre C y C++. Para empezar, el compilador requiere que declare las funciones en los archivos de cabecera: en C++ no podrá llamar a una función sin haberla declarado antes y si no se cumple esta regla el compilador dará un error. Esta es una forma importante de asegurar que las llamadas a una función son consistentes entre el punto en que se llama y el punto en que se define. Al forzar a declarar una función antes de usarla, el compilador de C++ prácticamente se asegura de que realizará esa declaración por medio de la inclusión de un fichero de cabecera. Además, si también incluye el mismo fichero de cabecera en el mismo lugar donde se defines las funciones, el compilador verificará que las declaraciones del archivo cabecera y las definiciones coinciden. Puede decirse entonces que, de algún modo, los ficheros de cabecera se vuelven un repositorio de validación de funciones y permiten asegurar que las funciones se usan de modo consistente en todas las unidades de traducción del proyecto.

Obviamente, las funciones globales se pueden seguir declarando a mano en aquellos lugares en las que se definen y usan (Sin embargo, esta práctica es tan tediosa que está en desuso.) De cualquier modo, las estructuras siempre se deben declarar antes de ser usadas y el mejor lugar para esto es un fichero de cabecera, exceptuando aquellas que queremos esconder intencionalmente en otro fichero.

Se puede ver que todas las funciones miembro (métodos) tienen casi la misma forma que sus versiones respectivas en C. Las únicas diferencias son su ámbito de resolución y el hecho de que el primer argumento ya no aparece explícito en el prototipo de la función. Por supuesto que sigue ahí ya que la función debe ser capaz de trabajar sobre una variable struct en particular. Sin embargo, fíjese también que, dentro del método, la selección de esta estructura en particular también ha desaparecido! Así, en lugar de decir s->size = sz; ahora dice size = sz; eliminando el tedioso s-> que en realidad no aportaba nada al significado semántico de lo que estaba escribiendo. Aparentemente, el compilador de C++ está realizando estas tareas por el programador. De hecho, está tomando el primer argumento «secreto» (la dirección de la estructura que antes tenía que pasar a mano) y aplicándole el selector de miembro (->) siempre que escribe el nombre de uno de los datos miembro. Eso significa que, siempre y cuando esté dentro de la definición de una método de una estructura puede hacer referencia a cualquier otro miembro (incluyendo otro método) simplemente dando su nombre. El compilador buscará primero en los nombres locales de la estructura antes de buscar en versiones más globales de dichos nombres. El lector podrá descubrir que esta característica no sólo agiliza la escritura del código, sino que también hace la lectura del mismo mucho más sencilla.

Pero qué pasaría si, por alguna razón, quisiera hacer referencia a la dirección de memoria de la estructura. En la versión en C de la librería ésta se podía obtener fácilmente del primer argumento de cualquier función. En C++ la cosa es más consistente: existe la palabra reservada this que produce la dirección de la variable struct actual. Es el equivalente a la expresión s de la versión en C de la librería. De modo que, podremos volver al estilo de C escribiendo 

this->size = Size;

El código generado por el compilador será exactamente el mismo por lo que no es necesario usar this en estos casos. Ocasionalmente, podrá ver por ahí código dónde la gente usa this en todos sitios sin agregar nada al significado del código (esta práctica es indicio de programadores inexpertos). Por lo general, this no se usa muy a menudo pero, cuando se necesite siempre estará allí (en ejemplos posteriores del libro verá más sobre su uso).

Queda aún un último tema que tocar. En C, se puede asignar un void * a cualquier otro puntero, algo como esto: 

int i = 10;
void* vp = &i; // OK tanto en C como en C++
int* ip = vp; // Sólo aceptable en C

y no habrá ningún tipo de queja por parte de compilador. Sin embargo, en C++, lo anterior no está permitido. ¿Por qué? Porque C no es tan estricto con los tipos de datos y permite asignar un puntero sin un tipo específico a un puntero de un tipo bien determinado. No así C++, en el cual la verificación de tipos es crítica y el compilador se detendrá quejándose en cualquier conflicto de tipos. Esto siempre ha sido importante, pero es especialmente importante en C++ ya que dentro de las estructuras puede hacer métodos. Si en C++ estuviera permitido pasar punteros a estructuras con impunidad en cuanto a conflicto de tipos, ¡podría terminar llamando a un método de una estructura en la cual no existiera dicha función miembro! Una verdadera fórmula para el desastre. Así, mientras C++ sí deja asignar cualquier puntero a un void * (en realidad este es el propósito original del puntero a void: que sea suficientemente largo como para apuntar a cualquier tipo) no permite asignar un void * a cualquier otro tipo de puntero. Para ello se requiere un molde que le indique tanto al lector como al compilador que realmente quiere tratarlo como el puntero destino.

Y esto nos lleva a discutir un asunto interesante. Uno de los objetivos importantes de C++ es poder compilar la mayor cantidad posible de código C para así, permitir una fácil transición al nuevo lenguaje. Sin embargo, eso no significa, como se ha visto que cualquier segmento de código que sea válido en C, será permitido automáticamente en C++. Hay varias cosas que un compilador de C permite hacer que son potencialmente peligrosas y propensas a generar errores (verá ejemplos de a lo largo de libro). El compilador de C++ genera errores y avisos en este tipo de situaciones y como verá eso es más una ventaja que un obstáculo a pesar de su naturaleza restrictiva. ¡De hecho, existen muchas situaciones en las cuales tratará de detectar sin éxito un error en C y cuando recompiles el programa con un compilador de C++ éste avisa exactamente de la causa del problema!. En C, muy a menudo ocurre que para que un programa funcione correctamente, además de compilarlo, luego debe hacer que ande. ¡En C++, por el contrario, verá que muchas veces si un programa compila correctamente es probable que funcione bien! Esto se debe a que este último lenguaje es mucho más estricto respecto a la comprobación de tipos.

En el siguiente programa de prueba podrá apreciar cosas nuevas con respecto a cómo se utiliza la nueva versión de la Stash: 

//: C04:CppLibTest.cpp
//{L} CppLib
// Test of C++ library
#include "CppLib.h"
#include "../require.h"
#include <fstream>
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

int main() {
  Stash intStash;
  intStash.initialize(sizeof(int));
  for(int i = 0; i < 100; i++)
    intStash.add(&i);
  for(int j = 0; j < intStash.count(); j++)
    cout << "intStash.fetch(" << j << ") = "
         << *(int*)intStash.fetch(j)
         << endl;
  // Holds 80-character strings:
  Stash stringStash;
  const int bufsize = 80;
  stringStash.initialize(sizeof(char) * bufsize);
  ifstream in("CppLibTest.cpp");
  assure(in, "CppLibTest.cpp");
  string line;
  while(getline(in, line))
    stringStash.add(line.c_str());
  int k = 0;
  char* cp;
  while((cp =(char*)stringStash.fetch(k++)) != 0)
    cout << "stringStash.fetch(" << k << ") = "
         << cp << endl;
  intStash.cleanup();
  stringStash.cleanup();
} ///:~

Listado 4.6. C04/CppLibTest.cpp


Una de las cosas que el lector habrá podido observar en el código anterior es que las variables se definen «al vuelo», o sea (como se introdujo en el capítulo anterior) en cualquier parte de un bloque y no necesariamente -como en C- al comienzo de los mismos.

El código es bastante similar al visto en CLibTest.cpp con la diferencia de que, cuando se llama a un método, se utiliza el operador de selección de miembro '.' precedido por el nombre de la variable. Esta es una síntaxis conveniente ya que imita a la selección o acceso de un dato miembro de una estructura. La única diferencia es que, al ser un método, su llamada implica una lista de argumentos.

Tal y cómo se dijo antes, la llamada que el compilador hace genera realmente es mucho más parecida a la llamada a la función de la librería en C. Considere la decoración de nombres y el paso del puntero this: la llamada en C++ de intStash.initialize(sizeof(int), 100) se transformará en algo parecido a Stash_initialize(&intStash, sizeof(int), 100). Si el lector se pregunta qué es lo que sucede realmente debajo del envoltorio, debería recordar que el compilador original de C++ cfront de AT&T producía código C como salida que luego debía ser compilada con un compilador de C para generar el ejecutable. Este método permitía a cfront ser rápidamente portable a cualquier máquina que soportara un compilador estándar de C y ayudó a la rápida difusión de C++. Dado que los compiladores antiguos de C++ tenían que generar código C, sabemos que existe una manera de representar síntaxis C++ en C (algunos compiladores de hoy en día aún permiten generar código C).

Comparando con CLibTest.cpp observará un cambio: la introducción del fichero de cabecera require.h. He creado este fichero de cabecera para realizar una comprobación de errores más sofisticada que la que proporciona assert(). Contiene varias funciones incluyendo la llamada en este último ejemplo, assure() que se usa sobre ficheros. Esta función verifica que un fichero se ha abierto exitosamente y en caso contrario reporta un aviso a la salida de error estándar (por lo que también necesita el nombre del fichero como segundo argumento) y sale del programa. Las funciones de require.h se usan a lo largo de este libro especialmente para asegurar que se ha indicado la cantidad correcta de argumentos en la línea de comandos y para verificar que los ficheros se abren correctamente. Las funciones de require.h reemplazan el código de detección de errores repetitivo y que muchas veces es causa de distracciones y más aún, proporcionan mensajes útiles para la detección de posibles errores. Estas funciones se explican detalladamente más adelante.

4.4. ¿Qué es un objeto?

Ahora que ya se ha visto y discutido un ejemplo incial es hora de retroceder para definir la terminología. El acto de introducir funciones en las estructuras es el eje central del cambio que C++ propone sobre C, e eso introduce una nueva forma de ver las estructuras: como conceptos. En C, una estructura (struct) es tan sólo una agrupación de datos: una manera de empaquetar datos para que se puedan tratar como un grupo. De esta forma, cuesta hacerse a la idea de que representan algo más que una mera conveniencia de programación. Las funciones que operan sobre esas estructuras están sueltas por ahí. Sin embargo, con las funciones dentro del mismo paquete que los datos, la estructura se convierte en una nueva criatura, capaz de representar las características (como hacen las structs de C) y los comportamientos. El concepto de objeto, una entidad independiente y bien limitada que puede recordar y actuar, se sugiere a si mismo como definición.

En C++, un objeto es simplemente una variable, y la definición más purista es «una región de almacenamiento» (que es una forma más específica para decir «un objeto debe tener un único identificador» el cual, en el caso de C++, es una dirección única de memoria). Es un lugar en el cual se pueden almacenar datos y eso implica también operaciones que pueden actuar sobre esos datos.

Desafortunadamente no existe una consistencia completa entre los distintos lenguajes cuando se habla de estos términos, aunque son aceptados bastante bien. También se podrán encontrar discrepancias sobre lo que es un lenguaje orientado a objetos, aunque parece haber un consenso razonable hoy en día. Hay lenguajes basados en objetos, que cuentan con estructuras-con-funciones como las que ha visto aquí de C++. Sin embargo, esto es tan sólo una parte de lo que denomina un lenguaje orientado a objetos, y los lenguajes que solamente llegan a empaquetar las funciones dentro de las estructuras son lenguajes basados en objetos y no orientados a objetos.

4.5. Tipos abstractos de datos

La habilidad para empaquetar datos junto con funciones permite la creación de nuevos tipos de datos. Esto se llama a menudo encapsulación [48] Un tipo de dato existente puede contener varias piezas de datos empaquetadas juntas. Por ejemplo, un float tiene un exponente, una mantissa y un bit de signo. Le podemos pedir que haga varias cosas: sumarse a otro float o a un int, etc. Tiene características y comportamiento.

La definición de Stash crea un nuevo tipo de dato. Se le pueden agregar nuevos elementos (add()), sacar (fetch()) y agrandarlo (inflate()). Se puede crear uno escribiendo Stash s; igual que cuando se crea un float diciendo float x;. Un Stash también tiene características y un comportamiento bien determinado. Aunque actúe igual que un tipo de dato predefinido como float se dice que Stash es un tipo abstracto de dato tal vez porque permite abstraer un concepto desde el espacio de los problemas al espacio de la solución. Además, el compilador de C++ lo tratará exactamente como a un nuevo tipo de dato y si, por ejemplo, declara una función que acepta un Stash como argumento, el compilador se asegurará de que no se le pase otra cosa a la función. De modo que se realiza el mismo nivel de comprobación de tipos tanto para los tipos abstractos de datos (a veces también llamados tipos definidos por el usuario) como para los tipos predefinidos.

Sin embargo, notará inmediatamente una diferencia en la forma en que se realizan las operaciones sobre los objetos. Se hace objeto.funciónMiembro(listaArgumentos) o sea, «se llama a un método de un objeto». Pero en la jerga de la orientación a objetos, eso también se denomina «enviar un mensaje a un objeto». De modo que para una Stash s, en esta jerga la sentencia s.add(&i) le «envía un mensaje a s» diciéndole «añadete (add()) esto». De hecho, la programación orientada a objetos se puede resumir en la siguiente frase: enviar mensajes a objetos. Realmente, ¿eso es todo lo que se hace? crear un montón de objetos y enviarles mensajes. El truco, obviamente, es entender qué son en nuestro problema los objetos y los mensajes, pero una vez que se ha cumplido esa etapa, la implementación en C++ será sorprendentemente directa.

4.6. Detalles del objeto

Una pregunta que surge a menudo en seminarios es «¿Cómo de grande es un objeto y qué pinta tiene?» La respuesta es «más o menos lo que esperas de un struct en C». De hecho, el código que produce el compilador de C para un struct C (sin adornos C++) normalmente es exactamente el mismo que el producido por un compilador C++. Eso tranquiliza a aquellos programadores C que dependan de los detalles de tamaño y distribución de su código, y que por alguna razón accedan directamente a los bytes de la estructura en lugar de usar identificadores (confiar en un tamaño y distribución particular para una estructura no es portable).

El tamaño de una struct es la combinación de los tamaños de todos sus miembros. A veces cuando el compilador crea una struct, añade bytes extra para hacer que los límites encajen limpiamente - eso puede incrementar la eficiencia de la ejecución. En el Capítulo 14, verá cómo en algunos casos se añaden punteros «secretos» a la estructura, pero no tiene que preocuparse de eso ahora.

Puede determinar el tamaño de una struct usando el operador sizeof. Aquí tiene un pequeño ejemplo: 

//: C04:Sizeof.cpp
// Sizes of structs
#include "CLib.h"
#include "CppLib.h"
#include <iostream>
using namespace std;

struct A {
  int i[100];
};

struct B {
  void f();
};

void B::f() {}

int main() {
  cout << "sizeof struct A = " << sizeof(A)
       << " bytes" << endl;
  cout << "sizeof struct B = " << sizeof(B)
       << " bytes" << endl;
  cout << "sizeof CStash in C = " 
       << sizeof(CStash) << " bytes" << endl;
  cout << "sizeof Stash in C++ = " 
       << sizeof(Stash) << " bytes" << endl;
} ///:~

Listado 4.7. C04/Sizeof.cpp


En mi máquina (los resultados pueden variar) el primer resultado produce 200 porque cada int ocupa 2 bytes. La struct B es algo anómalo porque es una struct sin atributos. En C, eso es ilegal, pero en C++ necesitamos la posibilidad de crear una struct cuya única tarea es ofrecer un ámbito a nombres de funciones, por eso está permitido. Aún asi, el segundo resultado es un sorprendente valor distinto de cero. En versiones anteriores del lenguage, el tamaño era cero, pero aparecia una situación incómoda cuando se creaban estos objetos: tenían la misma dirección que el objeto creado antes que él, y eran indistinguibles. Una de las reglas fundamentales de los objetos es que cada objeto debe tener una dirección única, así que las estructuras sin atributos siempre tendrán tamaño mínimo distinto de cero.

Las dos últimas sentencias sizeof muestran que el tamaño de la estructura en C++ es el mismo que en la versión en C. C++ intenta no añadir ninguna sobrecarga innecesaria.

4.7. Conveciones para los ficheros de cabecera

Cuando se crea una struct que contiene funciones miembro, se está creando un nuevo tipo de dato. En general, se intenta que ese tipo sea fácilmente accesible. En resumen, se quiere que la interfaz (la declaración) esté separada de la implmentación (la definición de los métodos) de modo que la implementación pueda cambiar sin obligar a recompilar el sistema completo. Eso se consigue poniendo la declaración del nuevo tipo en un fichero de cabecera.

Cuando yo aprendí a programar en C, el fichero de cabecera era un misterio para mi. Muchos libros de C no hacen hincapié, y el compilador no obliga a hacer la declaración de las funciones, así que parecía algo opcional la mayor parte de las veces, excepto cuando se declaraban estrucutras. En C++ el uso de los ficheros de cabecera se vuelve claro como el cristal. Son prácticamente obligatorios para el desarrollo de programas sencillos, y en ellos podrá información muy específica: declaraciones. El fichero de cabecera informa al compilador de lo que hay disponible en la librería. Puede usar la librería incluso si sólo se dispone del fichero de cabecera y el fichero objeto o el fichero de librería; no necesita disponer del código fuente del fichero cpp. En el fichero de cabecera es donde se guarda la especificación de la interfaz.

Aunque el compilador no lo obliga, el mejor modo de construir grandes proyectos en C es usar librerías; colecciones de funciones asociadas en un mismo módulo objeto o librería, y usar un fichero de cabecera para colocar todas las declaraciones de las funciones. Es de rigor en C++, Podría meter cualquier función en una librería C, pero el tipo abstracto de dato C++ determina las funciones que están asociadas por medio del acceso común a los datos de una struct. Cualquier función miembro debe ser declarada en la declaración de la struct; no puede ponerse en otro lugar. El uso de librerías de funciones fue fomentado en C y institucionalizado en C++.

4.7.1. Importancia de los ficheros de cabecera

Cuando se usa función de una librería, C le permite la posibilidad de ignorar el fichero de cabecera y simplemente declarar la función a mano. En el pasado, la gente hacía eso a veces para acelerar un poquito la compilación evitando la tarea de abrir e incluir el fichero (eso no supone ventaja alguna con los compiladores modernos). Por ejemplo, la siguiente es una declaración extremadamente vaga de la función printf() (de <stdio.h>): 

printf(...);

Estos puntos suspensivos [49] especifican una lista de argumentos variable [50], que dice: la printf() tiene algunos argumentos, cada uno con su tipo, pero no se sabe cuales. Simplemente, coge los argumentos que veas y aceptalos. Usando este tipo de declaración, se suspenden todas las comprobaciones de errores en los argumentos.

Esta práctica puede causar problemas sutiles. Si declara funciones «a mano», en un fichero puede cometer un error. Dado que el compilador sólo verá las declaraciones hechas a mano en ese fichero, se adaptará al error. El programa enlazará correctamente, pero el uso de la función en ese fichero será defectuoso. Se trata de un error difícil de encontrar, y que se puede evitar fácilmente usando el fichero de cabecera correspondiente.

Si se colocan todas las declaraciones de funciones en un fichero de cabecera, y se incluye ese fichero allí donde se use la función se asegurará una declaración consistente a través del sistema completo. También se asegurará de que la declaración y la definición corresponden incluyendo el fichero de cabecera en el fichero de definición.

Si declara una struct en un fichero de cabecera en C++, debe incluir ese fichero allí donde se use una struct y también donde se definan los métodos de la struct. El compilador de C++ devolverá un mensaje de error si intenta llamar a una función, o llamar o definir un método, sin declararla primero. Imponiendo el uso apropiado de los ficheros de cabecera, el lenguaje asegura la consistencia de las librerías, y reduce el número de error forzando que se use la misma interface en todas partes.

El fichero de cabecera es un contrato entre el programador de la librería y el que la usa. El contrato describe las estructuras de datos, expone los argumentos y valores de retorno para las funciones. Dice, «Esto es lo que hace mi librería». El usuario necesita parte de esta información para desarrollar la aplicación, y el compilador necesita toda ella para generar el código correcto. El usuario de la struct simplemente incluye el fichero de cabecera, crea objetos (instancias) de esa struct, y enlaza con el módulo objeto o librería (es decir, el código compilado)

El compilador impone el contrato obligando a declarar todas las estruturas y funciones antes que puedan ser usadas y, en el caso de métodos, antes de ser definidos. De ese modo, se le obliga a poner las declaraciones en el fichero de cabecera e incluirlo en el fichero en el que se definen los métodos y en los ficheros en los que se usen. Como se incluye un único fichero que describe la librería para todo el sistema, el compilador puede asegurar la consistencia y evitar errores.

Hay ciertos asuntos a los que debe prestar atención para organizar su código apropiadamente y escribir ficheros de cabecera eficaces. La regla básica es «únicamente declaraciones», es decir, sólo información para el compiladore pero nada que requiera alojamiento en memoria ya sea generando código o creando variables. Esto es así porque el fichero de cabecera normalmente se incluye en varias unidades de traducción en un mismo proyecto, y si el almacenamiento para un identificador se pide en más de un sitio, el enlazador indicará un error de definición múltiple (ésta es la regla de definición única de C++: Se puede declarar tantas veces como se quiera, pero sólo puede haber una definición real para cada cosa).

Esta norma no es completamente estricta. Si se define una variable que es «file static» (que tiene visibilidad sólo en un fichero) dentro de un fichero de cabecera, habrá múltiples instancias de ese dato a lo largo del proyecto, pero no causará un colisión en el enlazador [51]. Básicamente, debe evitar cualquier cosa en los ficheros de cabecera que pueda causar una ambigüedad en tiempo de enlazado.

4.7.2. El problema de la declaración múltiple

La segunda cuestión respecto a los ficheros de cabecera es ésta: cuando se pone una declaración de struct en un fichero de cabecera, es posible que el fichero sea incluido más de una vez en un programa complicado. Los iostreams son un buen ejemplo. Cada vez que una struct hace E/S debe incluir uno de los ficheros de cabecera iostream. Si el fichero cpp sobre el que se está trabajando utiliza más de un tipo de struct (típicamente incluyendo un fichero de cabecera para cada una), se está corriendo el riesgo de incluir el fichero <isotream> más de una vez y re-declarar los iostreams.

El compilador considera que la redeclaración de una estructura (eso es aplicable tando a las struct como a las class) es un error, dado que de otro modo, debería permitir el uso del mismo nombre para tipos diferentes. Para evitar este error cuando se incluyen múltiples ficheros de cabecera, es necesario dar algo de inteligencia a los ficheros de cabecera usando el preprocesador (los ficheros de cabecera estándares como <iostream> también tienen esta «inteligencia»).

Tanto C como C++ permiten redeclarar una función, siempre que las dos declaraciones coincidan, pero ni en ese caso se permite la redeclaración de una estructura. En C++ esta regla es especialmente importante porque si el compilador permitiera la redeclaración de una estructura y las dos declaraciones difirieran, ¿cuál debería usar?

El problema de la redeclaración se agrava un poco en C++ porque cada tipo de dato (estructura con funciones) generalmente tiene su propio fichero de cabecera, y hay que incluir un fichero de cabecera en otro si se quiere crear otro tipo de dato que use al primero. Es probable que en algún fichero cpp de su proyecto, que se incluyan varios ficheros que incluyan al mismo fichero de cabecera. Durante una compilación simple, el compilador puede ver el mismo fichero de cabecera varias veces. A menos que se haga algo al respecto, el compilador verá la redeclaración de la estructura e informará un error en tiempo de compilación. Para resolver el problema, necesitará saber un poco más acerca del preprocesador.

4.7.3. Las directivas del preprocesador #define, #ifndef y #endif

La directiva de preprocesador #define se puede usar para crear banderas en tiempo de compilación. Tiene dos opciones: puede simplemente indicar al preprocesador que la bandera está definida, sin especificar un valor: 

#define FLAG

o puede darle un valor (que es la manera habitual en C para definir una constante): 

#define PI 3.14159

En cualquier caso, ahora el preprocesador puede comprobar si la etiqueta ha sido definida: 

#ifdef FLAG

Esto producirá un resultado verdadero, y el código que sigue al #ifdef se incluirá en el paquete que se envía al compilador. Esta inclusión acaba cuando el preprocesador encuentra la sentencia: 

#endif

o 

#endif // FLAG

Cualquier cosa después de #endif en la misma línea que no sea un comentario es ilegal, incluso aunque algunos compiladores lo acepten. Los pares #ifdef/#endif se pueden anidar.

El complementario de #define es #undef (abreviación de «un-define» que hará que una sentencia #ifdef que use la misma variable produzca un resultado falso. #undef también causará que el preprocesador deje de usar una macro. El complementario de #ifdef es #ifndef, que producirá verdadero si la etiqueta no ha sido definida (éste es el que usaremos en los ficheros de cabecera).

Hay otras características útiles en el preprocesador de C. Consulte la documentación de su preprocesador para ver todas ellas.

4.7.4. Un estándar para los ficheros de cabecera

En cada fichero de cabecera que contiene una estructura, primero debería comprobar si ese fichero ya ha sido includo en este fichero cpp particular. Hágalo comprobando una bandera del preprocesador. Si la bandera no está definida, el fichero no se ha incluido aún, y se debería definir la bandera (de modo que la estructura no se pueda redeclarar) y declarar la estructura. Si la bandera estaba definida entonces el tipo ya ha sido declarado de modo que debería ignorar el código que la declara. Así es como debería ser un fichero de cabecera: 

#ifndef HEADER_FLAG
    #define HEADER_FLAG
    // Escriba la declaración aquí...
    #endif // HEADER_FLAG

Como puede ver, la primera vez que se incluye el fichero de cabecera, los contenidos del fichero (incluyendo la declaración del tipo) son incluidos por el preprocesador. Las demás veces que se incluya -en una única unidad de programación- la declaración del tipo será ignorada. El nombre HEADER_FLAG puede ser cualquier nombre único, pero un estándar fiable a seguir es poner el nombre del fichero de cabecera en mayúsculas y reemplazar los puntos por guiones bajos (sin embargo, el guión bajo al comienzo está reservado para nombres del sistema). Este es un ejemplo: 

//: C04:Simple.h
// Simple header that prevents re-definition
#ifndef SIMPLE_H
#define SIMPLE_H

struct Simple {
  int i,j,k;
  initialize() { i = j = k = 0; }
};
#endif // SIMPLE_H ///:~

Listado 4.8. C04/Simple.h


Aunque el SIMPLE_H después de #endif está comentado y es ignorado por el preprocesador, es útil para documentación.

Estas sentencias del preprocesador que impiden inclusiones múltiples se denominan a menudo guardas de inclusión (include guards)

4.7.5. Espacios de nombres en los ficheros de cabecera

Notará que las directivas using están presentes en casi todos los ficheros cpp de esto libro, normalmente en la forma: 

using namespace std;

Como std es el espacio de nombres que encierra la librería Estándar C++ al completo, esta directiva using en particular permite que se puedan usar los nombres de la librería Estándar C++. Sin embargo, casi nunca verá una directiva using en un fichero de cabecera (al menos, no fuera de un bloque). La razón es que la directiva using elimina la protección de ese espacio de nombres en particular, y el efecto dura hasta que termina la unidad de compilación actual. Si pone una directiva using (fuera de un bloque) en un fichero de cabecera, significa que esta perdida de «protección del espacio de nombres» ocurrirá con cualquier fichero que incluya este fichero de cabecera, lo que a menudo significa otros ficheros de cabecera, es muy fácil acabar «desactivando» los espacios de nombres en todos sitios, y por tanto, neutralizando los efectos beneficiosos de los espacios de nombres.

En resumen: no ponga directivas using en ficheros de cabecera.

4.7.6. Uso de los ficheros de cabecera en proyectos

Cuando se construye un proyecto en C++, normalmente lo creará poniendo juntos un montón de tipos diferentes (estructuras de datos con funciones asociadas). Normalmente pondrá la declaración para cada tipo o grupo de tipos asociados en un fichero de cabecera separado, entonces definirá las funciones para ese tipo en una unidad de traducción. Cuando use ese tipo, deberá incluir el fichero de cabecera para efectuar las declaraciones apropiadamente.

A veces ese patrón se seguirá en este libro, pero más a menudo los ejemplos serán muy pequeños, así que todo - la declaración de las estructuras, la definición de las funciones, y la función main() - pueden aparecer en un único fichero. Sin embargo, tenga presente que debería usar ficheros separados y ficheros de cabecera para aplicaciones reales.

4.8. Estructuras anidadas

La conveniencia de coger nombres de funciones y datos fuera del espacio de nombre global es aplicable a las estructuras. Puede anidar una estructura dentro de otra estructura, y por tanto guardar juntos elementos asociados. La sintaxis de declaración es la que podría esperarse, tal como puede ver en la siguiente estructura, que implementa una pila como una lista enlazada simple de modo que «nunca» se queda sin memoria. 

//: C04:Stack.h
// Nested struct in linked list
#ifndef STACK_H
#define STACK_H

struct Stack {
  struct Link {
    void* data;
    Link* next;
    void initialize(void* dat, Link* nxt);
  }* head;
  void initialize();
  void push(void* dat);
  void* peek();
  void* pop();
  void cleanup();
};
#endif // STACK_H ///:~

Listado 4.9. C04/Stack.h


La struck anidada se llama Link, y contiene un puntero al siguiente Link en la lista y un puntero al dato almacenado en el Link. Si el siguiente puntero es cero, significa que es el último elemento de la lista.

Fíjese que el puntero head está definido a la derecha después de la declaración de la struct Link, es lugar de una definición separada Link* head. Se trata de una sintaxis que viene de C, pero que hace hincapié en la importancia del punto y coma después de la declaración de la estructura; el punto y coma indica el fin de una lista de definiciones separadas por comas de este tipo de estructura (Normalmente la lista está vacía.)

La estructura anidada tiene su propia función initialize(), como todas las estructuras hasta el momento, para asegurar una inicialización adecuada. Stack tiene tanto función initialice() como cleanup(), además de push(), que toma un puntero a los datos que se desean almacenar (asume que ha sido alojado en el montículo), y pop(), que devuelve el puntero data de la cima de la Stack y elimina el elemento de la cima. (El que hace pop() de un elemento se convierte en responsable de la destrucción del objeto apuntado por data.) La función peak() también devuelve un puntero data a la cima de la pila, pero deja el elemento en la Stack.

Aquí se muestran las definiciones de los métodos: 

//: C04:Stack.cpp {O}
// Linked list with nesting
#include "Stack.h"
#include "../require.h"
using namespace std;

void 
Stack::Link::initialize(void* dat, Link* nxt) {
  data = dat;
  next = nxt;
}

void Stack::initialize() { head = 0; }

void Stack::push(void* dat) {
  Link* newLink = new Link;
  newLink->initialize(dat, head);
  head = newLink;
}

void* Stack::peek() { 
  require(head != 0, "Stack empty");
  return head->data; 
}

void* Stack::pop() {
  if(head == 0) return 0;
  void* result = head->data;
  Link* oldHead = head;
  head = head->next;
  delete oldHead;
  return result;
}

void Stack::cleanup() {
  require(head == 0, "Stack not empty");
} ///:~

Listado 4.10. C04/Stack.cpp


La primera definición es particularmente interesante porque muestra cómo se define un miembro de una estructura anidada. Simplemente se usa un nivel adicional de resolución de ámbito para especificar el nombre de la struct interna. Stack::Link::initialize() toma dos argumentos y los asigna a sus atributos.

Stack::initialize() asgina cero a head, de modo que el objeto sabe que tiene una lista vacía.

Stack::push() toma el argumento, que es un puntero a la variable a la que se quiere seguir la pista, y la apila en la Stack. Primero, usa new para pedir alojamiento para el Link que se insertará en la cima. Entonces llama a la función initialize() para asignar los valores apropiados a los miembres del Link. Fijese que el siguiente puntero se asigna al head actual; entonces head se asigna al nuevo puntero Link. Esto apila eficazmente el Link en la cima de la lista.

Stack::pop() captura el puntero data en la cima actual de la Stack; entonces mueve el puntero head hacia abajo y borra la anterior cima de la Stack, finalmente devuelve el puntero capturado. Cuando pop() elemina el último elemento, head vuelve a ser cero, indicando que la Stack está vacía.

Stack::cleanup() realmente no hace ninguna limpieza. En su lugar, establece una política firme que dice «el programador cliente que use este objeto Stack es responsable de des-apilar todos los elementos y borrarlos». require() se usa para indicar que ha ocurrido un error de programación si la Stack no está vacía.

¿Por qué no puede el destructor de Stack responsabilizarse de todos los objetos que el programador cliente no des-apiló? El problema es que la Stack está usando punteros void, y tal como se verá en el Capítulo 13 usar delete para un void* no libera correctamente. El asunto de «quién es el responsable de la memoria» no siempre es sencillo, tal como veremos en próximos capítulos.

Un ejemplo para probar la Stack: 

//: C04:StackTest.cpp
//{L} Stack
//{T} StackTest.cpp
// Test of nested linked list
#include "Stack.h"
#include "../require.h"
#include <fstream>
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

int main(int argc, char* argv[]) {
  requireArgs(argc, 1); // File name is argument
  ifstream in(argv[1]);
  assure(in, argv[1]);
  Stack textlines;
  textlines.initialize();
  string line;
  // Read file and store lines in the Stack:
  while(getline(in, line))
    textlines.push(new string(line));
  // Pop the lines from the Stack and print them:
  string* s;
  while((s = (string*)textlines.pop()) != 0) {
    cout << *s << endl;
    delete s; 
  }
  textlines.cleanup();
} ///:~

Listado 4.11. C04/StackTest.cpp


Es similar al ejemplo anterior, pero en este se apilan líneas de un fichero (como punteros a cadena) en la Stack y después los des-apila, lo que provoca que el fichero sea imprimido en orden inverso. Fíjese que pop() devuelve un void* que debe ser moldeado a string* antes de poderse usar. Para imprimir una cadena, el puntero es dereferenciado.

Como textlines se llena, el contenido de line se «clona» para cada push() creando un new string(line). El valor devuelto por la expresión new es un puntero al nuevo string que fue creado y al que se ha copiado la información de la line. Si se hubiera pasado directamente la dirección de line a push(), la Stack se llenaría con direcciones idénticas, todas apuntando a line. Más adelante en ese libro aprenderá más sobre este proceso de «clonación».

El nombre del fichero se toma de línea de comando. Para garantizar que hay suficientes argumentos en la línea de comando, se usa una segunda función del fichero de cabecera require.h: requireArgs() que compara argc con el número de argumentos deseado e imprime un mensaje de error y termina el programa si no hay suficientes argumentos.

4.8.1. Resolución de ámbito global

El operador de resolución de ámbito puede ayudar en situaciones en las que el nombre elegido por el compilador (el nombre «más cercano») no es el que se quiere. Por ejemplo, suponga que tiene una estructura con un identificador local a, y quiere seleccionar un identificador global a desde dentro de un método. El compilador, por defecto, elegirá el local, de modo que es necesario decirle que haga otra cosa. Cuando se quiere especificar un nombre global usando la resolución de ámbito, debe usar el operador sin poner nada delante de él. A continuación aparece un ejemplo que muestra la resolución de ámbito global tanto para una variable como para una función: 

//: C04:Scoperes.cpp
// Global scope resolution
int a;
void f() {}

struct S {
  int a;
  void f();
};

void S::f() {
  ::f();  // Would be recursive otherwise!
  ::a++;  // Select the global a
  a--;    // The a at struct scope
}
int main() { S s; f(); } ///:~

Listado 4.12. C04/Scoperes.cpp


Sin resolución de ámbito en S::f(), el compilador elegiría por defecto las versiones miembro para f() y a.

4.9. Resumen

En este capítulo, ha aprendido lo fundamental de C++: que puede poner funciones dentro de las estructuras. Este nuevo tipo de estructura se llama tipo abstracto de dato, y las variables que se crean usando esta estructura se llaman objetos, o instancias, de ese tipo. Invocar un método de una objeto se denomina enviar un mensaje al objeto. La actividad principal en la programación orientada a objetos es el envío de mensajes a objetos.

Aunque empaquetar datos y funciones juntos es un benificio significativo para la organización del código y hace la librería sea más fácil de usar porque previene conflictos de nombres ocultando los nombres, hay mucho más que se puede hacer para tener programación más segura en C++. En el próximo capítulo, aprenderá cómo proteger algunos miembros de una struct para que sólo el programador pueda manipularlos. Esto establece un límite claro entre lo que puede cambiar el usuario de la estructura y lo que sólo el programador puede cambiar.

4.10. Ejercicios

Las soluciones a los ejercicios se pueden encontrar en el documento electrónico titulado «The Thinking in C++ Annotated Solution Guide», disponible por poco dinero en www.BruceEckel.com.

  1. En la librería C estándar, la función puts() imprime un array de caracteres a la consola (de modo que puede escribir puts("Hola")). Escriba un program C que use puts() pero que no incluya <stdio.h> o de lo contrario declare la función. Compile ese programa con su compilador de C. (algunos compiladores de C++ no son programas distintos de sus compiladores de C, es ese caso puede que necesite averiguar que opción de línea de comando fuerza una compilación C.) Ahora compílelo con el compilador C++ y preste atención a la diferencia.

  2. Cree una declaración de struct con un único método, entonces cree una definición para ese método. Cree un objeto de su nuevo tipo de dato, e invoque el método.

  3. Cambie su solución al Ejercicio 2 para que la struct sea declarada en un fichero de cabecera convenientemente «guardado», con la definición en un fichero cpp y el main() en otro.

  4. Cree una struct con un único atributo de tipo entero, y dos funciones globales, cada una de las cuales acepta un puntero a ese struct. La primera función tiene un segundo argumento de tipo entero y asigna al entero de l struct el valor del argumento, la segunda muestra el entero de la struct. Prueba las funciones.

  5. Repita el Ejercicio 4 pero mueva las función de modo que sean métodos de la struct, y pruebe de nuevo.

  6. Cree una clase que (de forma redundante) efectúe la selección de atributos y una llamada a método usando la palabra reservada this (que indica a la dirección del objeto actual)

  7. Cree una Stach que mantenga doubles. Rellénela con 25 valores double, después muéstrelos en consola.

  8. Repita el Ejercicio 7 con Stack.

  9. Cree un fichero que contenga una función f() que acepte un argumento entero y lo imprima en consola usando la función printf() de <stdio> escribiendo: printf("%d\n", i) donde i es el entero que desea imprimir. Cree un fichero separado que contenga main(), y este fichero declare f() pero aceptando un argumento float. Invoque f() desde main(). Intente compilar y enlazar el programa con el compilador C++ y vea qué ocurre. Ahora compile y enlace el programa usando el compilador C, y vea que ocurre cuando se ejecuta. Explique el comportamiento.

  10. Averigüe cómo generar lenguaje ensamblador con su compilador C y C++. Escriba una función en C y una struct con un único miembro en C++. Genere la salida en lenguaje ensamblador para cada una de ellas y encuentre los nombres de ambas funciones, de modo que pueda ver qué tipo de «decoración» aplica el compilador a dichos nombres.

  11. Escriba un programa con código condicionalmente-compilado en main(), para que cuando se defina un valor del preprocesador, se muestre un mensaje, pero cuando no se defina, se imprima otra mensaje distinto. Compile este experimentando con un #define en el programa, después averigüe la forma de indicar al compilador definiciones de preprocesador en la línea de comandos y experimente con ello.

  12. Escriba un programa que use assert() con un argumento que siempre sea falso (cero) y vea que ocurre cuando lo ejecuta. Ahora compílelo con #define NDEBUG y ejecútelo de nuevo para ver la diferencia.

  13. Cree un tipo abstracto de dato que represente un cinta de vídeo en una tienda de alquiler. Considere todos los datos y operaciones que serían necesarias para que el tipo Video funcione con el sistema de gestión de la tienda. Incluya un método print() que muestre información sobre el Video

  14. Cree un objeto Pila que almacene objetos Video del Ejercicio 13. Cree varios objetos Video, guárdelos en la Stack y entonces muéstrelos usando Video::print().

  15. Escriba un programa que muestre todos los tamaños de los tipos de datos fundamentales de su computadora usando sizeof.

  16. Modifique Stash para usar vector<char> como estructura de datos subyacente.

  17. Cree dinámicamente espacio de almacenamiento para los siguiente tipos usando new: int, long, un array de 100 char, un array de 100 float. Muestre sus direcciones y libérelos usando delete.

  18. Escriba una función que tome un argumento char*. Usando new, pida alojamiento dinámico para un array de char con un tamaño igual al argumento pasado a la función. Usando indexación de array, copie los caracteres del argumento al array dinámico (no olvide el terminador nulo) y devuelva el puntero a la copia. En su main(), pruebe la función pasando una cadena estática entre comillas, después tome el resultado y páselo de nuevo a la función. Muestre ambas cadenas y punteros para poder ver que tienen distinta ubicación. Mediante delete libere todo el almacenamiento dinámico.

  19. Haga un ejemplo de estructura declarada con otra estructura dentro (un estructura anidada). Declare atributos en ambas structs, y declare y defina métodos en ambas structs. Escriba un main() que pruebe los nuevos tipos.

  20. ¿Cómo de grande es una estructura? Escriba un trozo de código que muestre el tamaño de varias estructuras. Cree estructuras que tengan sólo atributos y otras que tengan atributos y métodos. Después cree una estructura que no tenga ningún miembro. Muestre los tamaños de todas ellas. Explique el motivo del tamaño de la estructura que no tiene ningún miembro.

  21. C++ crea automáticamente el equivalente de typedef para structs, tal como ha visto en este capítulo. También lo hace para las enumeraciones y las uniones. Escriba un pequeño programa que lo demuestre.

  22. Cree una Stack que maneje Stashes. Cada Stash mantendrá cinco líneas procedentes de un fichero. Cree las Stash usando new. Lea un fichero en su Stack, después muéstrelo en su forma original extrayéndolo de la Stack.

  23. Modifique el Ejercicio 22 de modo que cree una estructura que encapsule la Stack y las Stash. El usuario sólo debería añadir y pedir líneas a través de sus métodos, pero debajo de la cubierta la estructura usa una Stack(pila) de Stashes.

  24. Cree una struct que mantenga un int y un puntero a otra instancia de la misma struct. Escriba una función que acepte como parámetro la dirección de una de estas struct y un int indicando la longitud de la lista que se desea crear. Esta función creará una cadena completa de estas struct (una lista enlazada), empezando por el argumento (la cabeza de la lista), con cada una apuntando a la siguiente. Cree las nuevas struct usando new, y ponga la posición (que número de objeto es) en el int. En la última struct de la lista, ponga un valor cero en el puntero para indicar que es el último. Escriba una segunda función que acepte la cabeza de la lista y la recorra hasta el final, mostrando los valores del puntero y del int para cada una.

  25. Repita el ejercicio 24, pero poniendo las funciones dentro de una struct en lugar de usar struct y funciones «crudas».


[46] N de T:«Stash» se podría traducir como «Acumulador».

[47] N. de T.: heap se suele traducir al castellano como «montón» o «montículo».

[48] Este término puede causar debates. Algunas personas lo utilizan tal y como está definido aquí, aunque otras lo usan para describir el control de acceso, término que se discutirá en el siguiente capítulo.

[49] (N. de T. ellipsis) en inglés)

[50] Para escribir una definición de función que toma una lista de argumentos realmente variable, debe usar varargs, aunque se debería evitar en C++. Puede encontar información detallada sobre el uso de varargs en un manual de C.

[51] Sin embargo, en C++ estándar «file static» es una característica obsoleta.

5: Ocultar la implementación

Tabla de contenidos

5.1. Establecer los límites
5.2. Control de acceso en C++
5.3. Amigos (friends)
5.4. Capa de objetos
5.5. La clase
5.6. Manejo de clases
5.7. Resumen
5.8. Ejercicios

Una librería C típica contiene una estructura y una serie de funciones que actúan sobre esa estructura. Hasta ahora hemos visto cómo C++ toma funciones conceptualmente asociadas y las asocia literalmente

poniendo la declaración de la función dentro del dominio de la estructura, cambiando la forma en que se invoca a las funciones desde las estructuras, eliminando el paso de la dirección de la estructura como primer parámetro, y añadiendo un nuevo tipo al programa (de ese modo no es necesario crear un typedef para la estructura).

Todo esto son mejoras, le ayuda a organizar su código haciéndolo más fácil de escribir y leer. Sin embargo, hay otros aspectos importantes a la hora de hacer que las librerías sean más sencillas en C++, especialmente los aspectos de seguridad y control. Este capítulo se centra en el tema de la frontera de las estructuras.

5.1. Establecer los límites

En toda relación es importante tener fronteras que todas las partes respeten. Cuando crea una librería, establece una relación con el programador cliente que la usa para crear un programa u otra librería.

En una estructura de C, como casi todo en C, no hay reglas. Los programadores cliente pueden hacer lo que quieran con esa estructura, y no hay forma de forzar un comportamiento particular. Por ejemplo, aunque vio en el capítulo anterior la importancia de las funciones llamadas initialize() y cleanup(), el programador cliente tiene la opción de no llamarlas. (Veremos una forma mejor de hacerlo en el capítulo siguiente.) Incluso si realmente prefiere que el programador cliente no manipule directamente algunos miembros de su estructura, en C no hay forma de evitarlo. Todo está expuesto al todo el mundo.

Hay dos razones para controlar el acceso a los miembros. La primera es no dejar que el programador cliente ponga las manos sobre herramientas que no debería tocar, herramientas que son necesarias para los entresijos del tipo definido, pero no parte del interfaz que el programador cliente necesita para resolver sus problemas particulares. Esto es realmente una ventaja para los programadores cliente porque así pueden ver lo que es realmente importante para ellos e ignorar el resto.

La segunda razón para el control de acceso es permitir al diseñador de la librería cambiar su funcionamiento interno sin preocuparse de como afectara al programador cliente. En el ejemplo Stack del capítulo anterior, podría querer solicitar espacio de almacenamiento en grandes trozos, para conseguir mayor velocidad, en vez de crear un nuevo espacio cada vez que un elemento es añadido. Si la interfaz y la implementación están claramente separadas y protegidas, puede hacerlo y forzar al programador cliente sólo a enlazar de nuevo sus programas.

5.2. Control de acceso en C++

C++ introduce tres nuevas palabras clave para establecer las fronteras de una estructura: public, private y protected. Su uso y significado es bastante claro. Los especificadores de acceso se usan solo en la declaración de las estructuras, y cambian las fronteras para todas las declaraciones que los siguen. Cuando use un especificador de acceso, debe ir seguido de «:»

public significa que todas las declaraciones de miembros que siguen estarán accesibles para cualquiera. Los miembros publicson como miembros de una estructura. Por ejemplo, las siguientes declaraciones de estructuras son idénticas: 

//: C05:Public.cpp
// Public is just like C's struct

struct A {
  int i;
  char j;
  float f;
  void func();
};

void A::func() {}

struct B {
public:
  int i;
  char j;
  float f;
  void func();
};

void B::func() {}  

int main() {
  A a; B b;
  a.i = b.i = 1;
  a.j = b.j = 'c';
  a.f = b.f = 3.14159;
  a.func();
  b.func();
} ///:~

Listado 5.1. C05/Public.cpp


La palabra clave private, por otro lado, significa que nadie podrá acceder a ese miembro excepto usted, el creador del tipo, dentro de los métodos de ese tipo. private es una pared entre usted y el programador cliente; si alguien intenta acceder a un miembro private, obtendrá un error en tiempo de compilación. En struct B en el ejemplo anterior, podría querer hacer partes de la representación (es decir, los atributos) ocultos, accesibles solo a usted: 

//: C05:Private.cpp
// Setting the boundary

struct B {
private:
  char j;
  float f;
public:
  int i;
  void func();
};

void B::func() {
  i = 0;
  j = '0';
  f = 0.0;
};

int main() {
  B b;
  b.i = 1;    // OK, public
//!  b.j = '1';  // Illegal, private
//!  b.f = 1.0;  // Illegal, private
} ///:~

Listado 5.2. C05/Private.cpp


Aunque func() puede acceder a cualquier miembro de B (pues func() en un miembro de B, garantizando así automáticamente el acceso), una función global ordinaria como main() no puede. Por supuesto tampoco miembros de otras estructuras. Solo las funciones que pertenezcan a la declaración de la estructura (el «contrato») tendrán acceso a miembros private.

No hay un orden fijo para los especificadores de acceso, y pueden aparecer más de una vez. Afectan a todos los miembros declarados después de ellos hasta el siguiente especificador.

5.2.1. protected

Es el último que nos queda por ver, protected actúa como private, con una excepción de la que hablaremos más tarde: estructuras heredadas (que no pueden acceder a lo miembros privados) si tienen acceso a los miembros protected. Todo esto se verá más claramente en el capítulo 14 cuando veamos la herencia. Con lo que sabe hasta ahora puede considerar protected igual que private.

5.3. Amigos (friends)

¿Que pasa si explícitamente se quiere dar acceso a una función que no es miembro de la estructura? Esto se consigue declarando la función como friend dentro de la declaración de la estructura. Es importante que la declaración de una función friend se haga dentro de la declaración de la estructura pues usted (y el compilador) necesita ver la declaración de la estructura y todas las reglas sobre el tamaño y comportamiento de ese tipo de dato. Y una regla muy importante en toda relación es, «¿Quién puede acceder a mi parte privada?»

La clase controla que código tiene acceso a sus miembros. No hay ninguna manera mágica de «colarse» desde el exterior si no eres friend; no puedes declarar una nueva clase y decir, «Hola, soy friend de Bob» y esperar ver los miembros private y protected de Bob.

Puede declarar una función global como friend, también puede declarar un método de otra estructura, o incluso una estructura completa, como friend. Aquí hay un ejemplo: 

//: C05:Friend.cpp
// Friend allows special access

// Declaration (incomplete type specification):
struct X;

struct Y {
  void f(X*);
};

struct X { // Definition
private:
  int i;
public:
  void initialize();
  friend void g(X*, int); // Global friend
  friend void Y::f(X*);  // Struct member friend
  friend struct Z; // Entire struct is a friend
  friend void h();
};

void X::initialize() { 
  i = 0; 
}

void g(X* x, int i) { 
  x->i = i; 
}

void Y::f(X* x) { 
  x->i = 47; 
}

struct Z {
private:
  int j;
public:
  void initialize();
  void g(X* x);
};

void Z::initialize() { 
  j = 99;
}

void Z::g(X* x) { 
  x->i += j; 
}

void h() {
  X x;
  x.i = 100; // Direct data manipulation
}

int main() {
  X x;
  Z z;
  z.g(&x);
} ///:~

Listado 5.3. C05/Friend.cpp


struct Y tiene un método f() que modifica un objeto de tipo X. Aquí hay un poco de lío pues en C++ el compilador necesita que usted declare todo antes de poder hacer referencia a ello, así struct Y debe estar declarado antes de que su método Y::f(X*) pueda ser declarado como friend en struct X. Pero para declarar Y::f(X*), struct X debe estar declarada antes!

Aquí vemos la solución. Dese cuenta de que Y::f(X*) toma como argumento la dirección de un objeto de tipo X. Esto es fundamental pues el compilador siempre sabe cómo pasar una dirección, que es de un tamaño fijo sin importar el tipo, aunque no tenga información del tamaño real. Si intenta pasar el objeto completo, el compilador necesita ver la definición completa de X, para saber el tamaño de lo que quiere pasar y cómo pasarlo, antes de que le permita declarar una función como Y::g(X).

Pasando la dirección de un X, el compilador le permite hacer una identificación de tipo incompleta de X antes de declarar Y::f(X*). Esto se consigue con la declaración: 

struct X;

Esta declaración simplemente le dice al compilador que hay una estructura con ese nombre, así que es correcto referirse a ella siempre que sólo se necesite el nombre.

Ahora, en struct X, la función Y::f(X*) puede ser declarada como friend sin problemas. Si intenta declararla antes de que el compilador haya visto la especificación completa de Y, habría dado un error. Esto es una restricción para asegurar consistencia y eliminar errores.

Fíjese en las otras dos funciones friend. La primera declara una función global ordinaria g() como friend. Pero g() no ha sido declarada antes como global!. Se puede usar friend de esta forma para declarar la función y darle el estado de friend simultáneamente. Esto se extiende a estructuras completas: 

friend struct Z;

es una especificación incompleta del tipo Z, y da a toda la estructura el estado de friend.

5.3.1. Amigas anidadas

Hacer una estructura anidada no le da acceso a los miembros privados. Para conseguir esto, se debe: primero, declarar (sin definir) la estructura anidada, después declararla como friend, y finalmente definir la estructura. La definición de la estructura debe estar separada de su declaración como friend, si no el compilador la vería como no miembro. Aquí hay un ejemplo: 

//: C05:NestFriend.cpp
// Nested friends
#include <iostream>
#include <cstring> // memset()
using namespace std;
const int sz = 20;

struct Holder {
private:
  int a[sz];
public:
  void initialize();
  struct Pointer;
  friend struct Pointer;
  struct Pointer {
  private:
    Holder* h;
    int* p;
  public:
    void initialize(Holder* h);
    // Move around in the array:
    void next();
    void previous();
    void top();
    void end();
    // Access values:
    int read();
    void set(int i);
  };
};

void Holder::initialize() {
  memset(a, 0, sz * sizeof(int));
}

void Holder::Pointer::initialize(Holder* rv) {
  h = rv;
  p = rv->a;
}

void Holder::Pointer::next() {
  if(p < &(h->a[sz - 1])) p++;
}

void Holder::Pointer::previous() {
  if(p > &(h->a[0])) p--;
}

void Holder::Pointer::top() {
  p = &(h->a[0]);
}

void Holder::Pointer::end() {
  p = &(h->a[sz - 1]);
}

int Holder::Pointer::read() {
  return *p;
}

void Holder::Pointer::set(int i) {
  *p = i;
}

int main() {
  Holder h;
  Holder::Pointer hp, hp2;
  int i;

  h.initialize();
  hp.initialize(&h);
  hp2.initialize(&h);
  for(i = 0; i < sz; i++) {
    hp.set(i);
    hp.next();
  }
  hp.top();
  hp2.end();
  for(i = 0; i < sz; i++) {
    cout << "hp = " << hp.read()
         << ", hp2 = " << hp2.read() << endl;
    hp.next();
    hp2.previous();
  }
} ///:~

Listado 5.4. C05/NestFriend.cpp


Una vez que Pointer está declarado, se le da acceso a los miembros privados de Holder con la sentencia: 

friend Pointer;

La estructura Holder contiene un array de enteros y Pointer le permite acceder a ellos. Como Pointer está fuertemente asociada con Holder, es comprensible que sea una estructura miembro de Holder. Pero como Pointer es una clase separada de Holder, puede crear más de una instancia en el main() y usarlas para seleccionar diferentes partes del array. Pointer es una estructura en vez de un puntero de C, así que puede garantizar que siempre apuntará dentro de Holder.

La función de la librería estándar de C memset() (en <cstring>) se usa en el programa por conveniencia. Hace que toda la memoria a partir de una determinada dirección (el primer argumento) se cargue con un valor particular (el segundo argumento) para n bytes a partir de la dirección donde se empezó (n es el tercer argumento). Por supuesto, se podría haber usado un bucle para hacer lo mismo, pero memset() está disponible, bien probada (así que es más factible que produzca menos errores), y probablemente es más eficiente.

5.3.2. ¿Es eso puro?

La definición de la clase le da la pista, mirando la clase se puede saber qué funciones tienen permiso para modificar su parte privada. Si una función es friend, significa que no es miembro, pero que de todos modos se le quiere dar permiso para modificar la parte privada, y debe estar especificado en la definición de la clase para que todo el mundo pueda ver que esa es una de las funciones privilegiadas.

C++ es un lenguaje orientado a objetos híbrido, no es puro, y friend fue añadido para solucionar algunos problemas que se presentaban en la práctica. Es bueno apuntar que esto hace al lenguaje menos «puro», pues C++ fue diseñado para ser pragmático, no para aspirar a un ideal abstracto.

5.4. Capa de objetos

En el capítulo 4 se dijo que una struct escrita para un compilador C y más tarde compilada en uno de C++ no cambiaría. Se refería básicamente a la estructura interna del objeto que surge de la struct, es decir, la posición relativa en memoria donde se guardan los valores de las diferentes variables. Si el compilador C++ cambiase esta estructura interna, entonces el código escrito en C que hiciese uso del conocimiento de las posiciones de las variables fallaría.

Cuando se empiezan a usar los especificadores de acceso, se cambia al universo del C++, y las cosas cambian un poco. Dentro de un «bloque de acceso» (un grupo de declaraciones delimitado por especificadores de acceso), se garantiza que las variables se encontraran contiguas, como en C. Sin embargo, los bloques de acceso pueden no aparecer en el objeto en el mismo orden en que se declaran. Aunque el compilador normalmente colocará los bloques como los definió, no hay reglas sobre esto, pues una arquitectura hardware especifica y/o un sistema operativo puede tener soporte especifico para private y protected que puede requerir que estos bloques se coloquen en lugares específicos de la memoria. La especificación del lenguaje no quiere impedir este tipo de ventajas.

Los especificadores de acceso son parte de la estructura y no afectan a los objetos creados desde ésta. Toda la información de accesos desaparece antes de que el programa se ejecute; en general ocurre durante la compilación. En un programa en ejecución, los objetos son «zonas de almacenamiento» y nada más. Si realmente quiere, puede romper todas las reglas y acceder a la memoria directamente, como en C. C++ no está diseñado para prohibir hacer cosas salvajes. Solo le proporciona una alternativa mucho más fácil, y deseable.

En general, no es una buena idea hacer uso de nada que dependa de la implementación cuando se escribe un programa. Cuando necesite hacerlo, encapsúlelo en una estructura, así en caso de tener que portarlo se podrá concentrar en ella.

5.5. La clase

El control de acceso se suele llamar también ocultación de la implementación. Incluir funciones dentro de las estructuras (a menudo llamado encapsulación [52]) produce tipos de dato con características y comportamiento, pero el control de acceso pone fronteras en esos tipos, por dos razones importantes. La primera es para establecer lo que el programador cliente puede y no puede hacer. Puede construir los mecanismos internos de la estructura sin preocuparse de que el programador cliente pueda pensar que son parte de la interfaz que debe usar.

Esto nos lleva directamente a la segunda razón, que es separar la interfaz de la implementación. Si la estructura se usa en una serie de programas, y el programador cliente no puede hacer más que mandar mensajes a la interfaz pública, usted puede cambiar cualquier cosa privada sin que se deba modificar código cliente.

La encapsulación y el control de acceso, juntos, crean algo más que una estructura de C. Estamos ahora en el mundo de la programación orientada a objetos, donde una estructura describe una clase de objetos como describiría una clase de peces o pájaros: Cualquier objeto que pertenezca a esa clase compartirá esas características y comportamiento. En esto se ha convertido la declaración de una estructura, en una descripción de la forma en la que los objetos de este tipo serán y actuarán.

En el lenguaje OOP original, Simula-67, la palabra clave class fue usada para describir un nuevo tipo de dato. Aparentemente esto inspiro a Stroustrup a elegir esa misma palabra en C++, para enfatizar que este era el punto clave de todo el lenguaje: la creación de nuevos tipos de dato que son más que solo estructuras de C con funciones. Esto parece suficiente justificación para una nueva palabra clave.

De todas formas, el uso de class en C++ es casi innecesario. Es idéntico a struct en todos los aspectos excepto en uno: class pone por defecto private, mientras que struct lo hace a public. Estas son dos formas de decir lo mismo: 

//: C05:Class.cpp
// Similarity of struct and class

struct A {
private:
  int i, j, k;
public:
  int f();
  void g();
};

int A::f() { 
  return i + j + k; 
}

void A::g() { 
  i = j = k = 0; 
}

// Identical results are produced with:

class B {
  int i, j, k;
public:
  int f();
  void g();
};

int B::f() { 
  return i + j + k; 
}

void B::g() { 
  i = j = k = 0; 
} 

int main() {
  A a;
  B b;
  a.f(); a.g();
  b.f(); b.g();
} ///:~

Listado 5.5. C05/Class.cpp


La clase (class) en un concepto OOP fundamental en C++. Es una de la palabras clave que no se pondrán en negrita en este libro - es incomodo pues se repite mucho. El cambio a clases es tan importante que sospecho que Stroustrup hubiese preferido eliminar completamente struct, pero la necesidad de compatibilidad con C no lo hubiese permitido.

Mucha gente prefiere crear clases a la manera struct en vez de a la mánera class, pues sustituye el «por-defecto-private» de class empezando con los elementos public: 

class X {
public:
    void miembro_de_interfaz();
private:
    void miembro_privado();
    int representacion_interna;
};

El porqué de esto es que tiene más sentido ver primero lo que más interesa, el programador cliente puede ignorar todo lo que dice private. De hecho, la única razón de que todos los miembros deban ser declarados en la clase es que el compilador sepa como de grande son los objetos y pueda colocarlos correctamente, garantizando así la consistencia.

De todas formas, los ejemplos en este libro pondrán los miembros privados primero, así: 

class X {
    void private_function();
    int internal_representation;
public:
    void interface_function();
};

Alguna gente incluso decora sus nombres privados 

class Y {
public:
    void f();
private:
    int mX;  // "Self-decorated" name
};

Como mX esta ya oculto para Y, la m (de «miembro») es innecesaria. De todas formas, en proyectos con muchas variables globales (algo que debe evitar a toda costa, aunque a veces inevitable en proyectos existentes), es de ayuda poder distinguir variables globales de atributos en la definición de los métodos.

5.5.1. Modificaciones en Stash para usar control de acceso

Tiene sentido coger el ejemplo del capítulo 4 y modificarlo para usar clases y control de acceso. Dese cuenta de cómo la parte de la interfaz a usar en la programación cliente está claramente diferenciada, así no hay posibilidad de que el programador cliente manipule accidentalmente parte de la clase que no debería. 

//: C05:Stash.h
// Converted to use access control
#ifndef STASH_H
#define STASH_H

class Stash {
  int size;      // Size of each space
  int quantity;  // Number of storage spaces
  int next;      // Next empty space
  // Dynamically allocated array of bytes:
  unsigned char* storage;
  void inflate(int increase);
public:
  void initialize(int size);
  void cleanup();
  int add(void* element);
  void* fetch(int index);
  int count();
};
#endif // STASH_H ///:~

Listado 5.6. C05/Stash.h


La función inflate() se ha hecho private porque solo es usada por la función add() y por tanto es parte de la implementación interna, no de la interfaz. Esto significa que, más tarde, puede cambiar la implementación interna para usar un sistema de gestión de memoria diferente.

Aparte del nombre del archivo include, la cabecera de antes es lo único que ha sido cambiado para este ejemplo. El fichero de implementación y de prueba son los mismos.

5.5.2. Modificar Stack para usar control de acceso

Como un segundo ejemplo, aquí está Stack convertido en clase. Ahora la estructura anidada es private, lo que es bueno pues asegura que el programador cliente no tendrá que fijarse ni depender de la representación interna de Stack: 

//: C05:Stack2.h
// Nested structs via linked list
#ifndef STACK2_H
#define STACK2_H

class Stack {
  struct Link {
    void* data;
    Link* next;
    void initialize(void* dat, Link* nxt);
  }* head;
public:
  void initialize();
  void push(void* dat);
  void* peek();
  void* pop();
  void cleanup();
};
#endif // STACK2_H ///:~

Listado 5.7. C05/Stack2.h


Como antes, la implementación no cambia por lo que no la repetimos aquí. El programa de prueba es también idéntico. La única cosa que ha cambiado es la robustez del interfaz de la clase. El valor real del control de acceso es prevenirle de traspasar las fronteras durante el desarrollo. De hecho, el compilador es el único que conoce los niveles de protección de los miembros de la clase. No hay información sobre el control de acceso añadida en el nombre del miembro que llega al enlazador. Todas las comprobaciones sobre protección son hechas por el compilador; han desaparecido al llegar a la ejecución.

Dese cuenta de que la interfaz presentada al programador cliente es ahora realmente la de una pila. Sucede que esta implementada como una lista enlazada, pero usted puede cambiar esto sin afectar a la forma en que los programas cliente interactúan con ella, o (más importante aun) sin afectar a una sola linea de su código.

5.6. Manejo de clases

El control de acceso en C++ le permite separar la interfaz de la implementación, pero la ocultación de la implementación es solo parcial. El compilador debe ver aún la declaración de todas las partes del objeto para poder crearlo y manipularlo correctamente. Podría imaginar un lenguaje de programación que requiriese solo la interfaz publica del objeto y permitiese que la implementación privada permaneciese oculta, pero C++ realiza comparación de tipos estáticamente (en tiempo de compilación) tanto como es posible. Esto significa que se dará cuenta lo antes posible de si hay un error. También significa que su programa será más eficiente. De todas formas, la inclusión de la implementación privada tiene dos efectos: la implementación es visible aunque no se pueda acceder a ella fácilmente, y puede causar recompilaciones innecesarias.

5.6.1. Ocultar la implementación

Algunos proyectos no pueden permitirse tener visible su implementación al publico. Puede dejar a la vista información estratégica en un fichero de cabecera de una librería que la compañía no quiere dejar disponible a los competidores. Puede estar trabajando en un sistema donde la seguridad sea clave - un algoritmo de encriptación, por ejemplo - y no quiere dejar ninguna pista en un archivo de cabecera que pueda ayudar a la gente a romper el código. O puede que su librería se encuentre en un ambiente «hostil», donde el programador accederá a los componentes privados de todas formas, usando punteros y conversiones. En todas estas situaciones, es de gran valor tener la estructura real compilada dentro de un fichero de implementación mejor que a la vista en un archivo de cabecera.

5.6.2. Reducir la recompilación

Su entorno de programación provocará una recompilación de un fichero si este se modifica, o si se modifica otro fichero del que depende, es decir, un archivo de cabecera que se haya incluido. Esto significa que cada vez que se haga un cambio en una clase, ya sea a la interfaz pública o a las declaraciones de los miembros privados, se provocará una recompilación de todo lo que incluya ese archivo de cabecera. Este efecto se conoce usualmente como el problema de la clase-base frágil. Para un proyecto grande en sus comienzos esto puede ser un gran problema pues la implementación suele cambiar a menudo; si el proyecto es muy grande, el tiempo de las compilaciones puede llegar a ser un gran problema.

La técnica para resolver esto se llama a veces clases manejador o el «gato de Chesire» [53] - toda la información sobre la implementación desaparece excepto por un puntero, la "sonrisa". El puntero apunta a una estructura cuya definición se encuentra en el fichero de implementación junto con todas las definiciones de las funciones miembro. Así, siempre que la interfaz no se cambie, el archivo de cabecera permanece inalterado. La implementación puede cambiar a su gusto, y sólo el fichero de implementación deberá ser recompilado y reenlazado con el proyecto.

Aquí hay un ejemplo que demuestra como usar esta técnica. El archivo de cabecera contiene solo la interfaz publica y un puntero de una clase especificada de forma incompleta: 

//: C05:Handle.h
// Handle classes
#ifndef HANDLE_H
#define HANDLE_H

class Handle {
  struct Cheshire; // Class declaration only
  Cheshire* smile;
public:
  void initialize();
  void cleanup();
  int read();
  void change(int);
};
#endif // HANDLE_H ///:~

Listado 5.8. C05/Handle.h


Esto es todo lo que el programador cliente puede ver. La linea 

struct Cheshire;

es una especificación de tipo incompleta o una declaración de clase (una definición de clase debe incluir el cuerpo de la clase). Le dice al compilador que Chesire es el nombre de una estructura, pero no detalles sobre ella. Esta es información suficiente para crear un puntero a la estructura; no puede crear un objeto hasta que el cuerpo de la estructura quede definido. En esta técnica, el cuerpo de la estructura está escondido en el fichero de implementación: 

//: C05:Handle.cpp {O}
// Handle implementation
#include "Handle.h"
#include "../require.h"

// Define Handle's implementation:
struct Handle::Cheshire {
  int i;
};

void Handle::initialize() {
  smile = new Cheshire;
  smile->i = 0;
}

void Handle::cleanup() {
  delete smile;
}

int Handle::read() {
  return smile->i;
}

void Handle::change(int x) {
  smile->i = x;
} ///:~

Listado 5.9. C05/Handle.cpp


Chesire es una estructura anidada, así que se debe ser definido con resolución de ámbito: 

struct Handle::Cheshire {

En Handle::initialize(), se solicita espacio de almacenamiento para una estructura Chesire, y en Handle::cleanup() se libera ese espacio. Este espacio se usa para almacenar todos los datos que estarían normalmente en la sección privada de la clase. Cuando compile Handle.cpp, esta definición de la estructura estará escondida en el fichero objeto donde nadie puede verla. Si cambia los elementos de Chesire, el único archivo que debe ser recompilado es Handle.cpp pues el archivo de cabecera permanece inalterado.

El uso de Handle es como el uso de cualquier clase: incluir la cabecera, crear objetos, y mandar mensajes. 

//: C05:UseHandle.cpp
//{L} Handle
// Use the Handle class
#include "Handle.h"

int main() {
  Handle u;
  u.initialize();
  u.read();
  u.change(1);
  u.cleanup();
} ///:~

Listado 5.10. C05/UseHandle.cpp


La única cosa a la que el programador cliente puede acceder es a la interfaz publica, así que mientras la implementación sea lo único que cambie, el fichero anterior no necesita recompilarse. Así, aunque esto no es ocultación de implementación perfecta, es una gran mejora.

5.7. Resumen

El control de acceso en C++ ofrece un gran control al creador de la clase. Los usuarios de la clase pueden ver claramente lo que pueden usar y qué puede ignorar. Más importante aún es la posibilidad de asegurar que ningún programador cliente depende de ninguna parte de la implementación interna de la clase. Si sabe esto como creador de la clase, puede cambiar la implementación subyacente con la seguridad de que ningún programador cliente se verá afectado por los cambios, pues no pueden acceder a esa parte de la clase.

Cuando tenga la posibilidad de cambiar la implementación subyacente, no solo podrá mejorar su diseño más tarde, también tiene la libertad de cometer errores. No importa con qué cuidado planee su diseño, cometerá errores. Sabiendo que es relativamente seguro que cometerá esos errores, experimentará más, aprenderá más rápido, y acabará su proyecto antes.

La interfaz pública de una clase es lo que realmente ve el programador cliente, así que es la parte de la clase más importante durante el análisis y diseño. Pero incluso esto le deja algo de libertad para el cambio. Si no consigue la interfaz correcta a la primera, puede añadir más funciones, mientras no quite ninguna que el programador cliente ya haya usado en su código.

5.8. Ejercicios

Las soluciones a los ejercicios se pueden encontrar en el documento electrónico titulado «The Thinking in C++ Annotated Solution Guide», disponible por poco dinero en www.BruceEckel.com.

  1. Cree una clase con atributos y métodos public, private y protected. Cree un objeto de esta clase y vea qué mensajes de compilación obtiene cuando intenta acceder a los diferentes miembros de la clase.

  2. Escriba una estructura llamada Lib que contenga tres objetos string a, b y c. En main() cree un objeto Lib llamado x y asígnelo a x.a, x.b y x.c. Imprima por pantalla sus valores. Ahora reemplace a, b y c con un array de cadenas s[3]. Dese cuenta de que su función main() deja de funcionar como resultado del cambio. Ahora cree una clase, llámela Libc con tres cadenas como datos miembro privados a, b y c, y métodos seta(), geta(), setb(), getb(), setc() y getc() para establecer y recuperar los distintos valores. Escriba una función main() como antes. Ahora cambie las cadenas privadas a, b y c por un array de cadenas privado s[3]. Vea que ahora main() sigue funcionando.

  3. Cree una clase y una función friend global que manipule los datos privados de la clase.

  4. Escriba dos clases, cada una de ellas con un método que reciba como argumento un puntero a un objeto de la otra clase. Cree instancias de ambas clases en main() y llame a los métodos antes mencionados de cada clase.

  5. Cree tres clases. La primera contiene miembros privados, y declara como friend a toda la segunda estructura y a una función miembro de la tercera. En main() demuestre que todo esto funciona correctamente.

  6. Cree una clase Hen. Dentro de ésta, inserte una clase Nest. Y dentro de ésta una clase Egg. Cada clase debe tener un método display(). En main(), cree una instancia de cada clase y llame a la función display() de cada una.

  7. Modifique el ejercicio 6 para que Nest y Egg contengan datos privados. De acceso mediante friend para que las clases puedan acceder a los contenidos privados de las clases que contienen.

  8. Cree una clase con atributos diseminados por numerosas secciones public, private y protected. Añada el método ShowMap() que imprima por pantalla los nombres de cada uno de esos atributos y su dirección de memoria. Si es posible, compile y ejecute este programa con más de un compilador y/o ordenador y/o sistema operativo para ver si existen diferencias en las posiciones en memoria.

  9. Copie la implementación y ficheros de prueba de Stash del capítulo 4 para así poder compilar y probar el Stash.h de este capítulo.

  10. Ponga objetos de la clase Hern definidos en el ejercicio 6 en un Stash. Apunte a ellos e imprímalos (si no lo ha hecho aún necesitará una función Hen::print()).

  11. Copie los ficheros de implementación y la prueba de Stack del capítulo 4 y compile y pruebe el Stack2.h de este capítulo.

  12. Ponga objetos de la clase Hen del ejercicio 6 dentro de Stack. Apunte a ellos e imprímalos (si no lo ha hecho aún, necesitara añadir un Hen::print()).

  13. Modifique Chesire en Handle.cpp, y verifique que su entorno de desarrollo recompila y reemplaza sólo este fichero, pero no recompila UseHandle.cpp.

  14. Cree una clase StackOfInt (una pila que guarda enteros) usando la técnica «Gato de Chesire» que esconda la estructura de datos de bajo nivel que usa para guardar los elementos, en una clase llamada StackImp. Implemente dos versiones de StackImp: una que use un array de longitud fija de enteros, y otra que use un vector<int>. Ponga un tamaño máximo para la pila preestablecido, así no se tendrá que preocupar de expandir el array en la primera versión. Fíjese que la clase StackOfInt.h no tiene que cambiar con StackImp.


[52] Como se dijo anteriormente, a veces el control de acceso se llama también encapsulación

[53] Este nombre se le atribuye a John Carolan, uno de los pioneros del C++, y por supuesto, Lewis Carroll. Esta técnica se puede ver también como una forma del tipo de diseño «puente», descrito en el segundo volumen.

6: Inicialización y limpieza

Tabla de contenidos

6.1. Inicialización garantizada por el constructor
6.2. Limpieza garantizada por el destructor
6.3. Eliminación del bloque de definiciones
6.4. Stash con constructores y destructores
6.5. Stack con constructores y destructores
6.6. Inicialización de tipos agregados
6.7. Constructores por defecto
6.8. Resumen
6.9. Ejercicios

El capitulo 4 constituye una mejora significativa en el uso de librerías tomando los diversos componentes de una librería C típica y encapsulándolos en una estructura (un tipo abstracto de dato, llamado clase a partir de ahora).

Esto no sólo permite disponer de un único punto de entrada en un componente de librería, también oculta los nombres de las funciones con el nombre de la clase. Esto le da al diseñador de la clase la posibilidad de establecer límites claros que determinan qué cosas puede hacer el programador cliente y qué queda fuera de sus límites. Eso significa que los mecanismos internos de las operaciones sobre los tipos de datos están bajo el control y la discreción del diseñador de la clase, y deja claro a qué miembros puede y debe prestar atención el programador cliente.

Juntos, la encapsulación y el control de acceso representan un paso significativo para aumentar la sencillez de uso de las librerías. El concepto de «nuevo tipo de dato» que ofrecen es mejor en algunos sentidos que los tipos de datos que incorpora C. El compilador C++ ahora puede ofrecer garantías de comprobación de tipos para esos tipos de datos y así asegura un nivel de seguridad cuando se usan esos tipos de datos.

A parte de la seguridad, el compilador puede hacer mucho más por nosotros de lo que ofrece C. En éste y en próximos capítulos verá posibilidades adicionales que se han incluido en C++ y que hacen que los errores en sus programas casi salten del programa y le agarren, a veces antes incluso de compilar el programa, pero normalmente en forma de advertencias y errores en el proceso de compilación. Por este motivo, pronto se acostumbrará a la extraña situación en que un programa C++ que compila, funciona a la primera.

Dos de esas cuestiones de seguridad son la inicialización y la limpieza. Gran parte de los errores de C se deben a que el programador olvida inicializar o liberar una variable. Esto sucede especialmente con las librerías C, cuando el programador cliente no sabe como inicializar una estructura, o incluso si debe hacerlo. (A menudo las librerías no incluyen una función de inicialización, de modo que el programador cliente se ve forzado a inicializar la estructura a mano). La limpieza es un problema especial porque los programadores C se olvidan de las variables una vez que han terminado, de modo que omiten cualquier limpieza que pudiera ser necesaria en alguna estructura de la librería.

En C++. el concepto de inicialización y limpieza es esencial para facilitar el uso de las librerías y eliminar muchos de los errores sutiles que ocurren cuando el programador cliente olvida cumplir con sus actividades. Este capítulo examina las posibilidades de C++ que ayudan a garantizar una inicialización y limpieza apropiadas.

6.1. Inicialización garantizada por el constructor

Tanto la clase Stash como la Stack definidas previamente tienen una función llamada initialize(). que como indica su nombre se debería llamar antes de usar el objeto. Desafortunadamente, esto significa que el programador cliente debe asegurar una inicialización apropiada. Los programadores cliente son propensos a olvidar detalles como la inicialización cuando tienen prisa por hacer que la librería resuelva sus problemas. En C++, la inicialización en demasiado importante como para dejársela al programador cliente. El diseñador de la clase puede garantizar la inicialización de cada objeto facilitando una función especial llamada constructor. Si una clase tiene un constructor, el compilador hará que se llame automáticamente al constructor en el momento de la creación del objeto, antes de que el programador cliente pueda llegar a tocar el objeto. La invocación del constructor no es una opción para el programador cliente; es realizada por el compilador en el punto en el que se define el objeto.

El siguiente reto es cómo llamar a esta función. Hay dos cuestiones. La primera es que no debería ser ningún nombre que pueda querer usar para un miembro de la clase. La segunda es que dado que el compilador es el responsable de la invocación del constructor, siempre debe saber qué función llamar. La solución elegida por Stroustrup parece ser la más sencilla y lógica: el nombre del constructor es el mismo que el de la clase. Eso hace que tenga sentido que esa función sea invocada automáticamente en la inicialización.

Aquí se muestra un clase sencilla con un constructor: 

class X {
  int i;
public:
  X();  // Constructor
};

Ahora, se define un objeto, 

void f() {
  X a;
  // ...
}

Lo mismo pasa si a fuese un entero: se pide alojamiento para el objeto. Pero cuando el programa llega al punto de ejecución en el que se define a, se invoca el constructor automáticamente. Es decir, el compilador inserta la llamada a X::X() para el objeto a en el punto de la definición. Como cualquier método, el primer argumento (secreto) para el constructor es el puntero this - la dirección del objeto al que corresponde ese método. En el caso del constructor, sin embargo, this apunta a un bloque de memoria no inicializado, y el trabajo del constructor es inicializar esa memoria de forma adecuada.

Como cualquier función, el constructor puede tomar argumentos que permitan especificar cómo ha de crearse el objeto, dados unos valores de inicialización. Los argumentos del constructor son una especie de garantía de que todas las partes del objeto se inicializan con valores apropiados. Por ejemplo, si una clase Tree[54] tiene un constructor que toma como argumento un único entero que indica la altura del árbol, entonces debe crear un objeto árbol como éste: 

Tree t(12)   // árbol de 12 metros

Si Tree(int) es el único constructor, el compilador no le permitirá crear un objeto de otro modo. (En el próximo capítulo veremos cómo crear múltiples constructores y diferentes maneras para invocarlos.)

Y realmente un constructor no es más que eso; es una función con un nombre especial que se invoca automáticamente por el compilador para cada objeto en el momento de su creación. A pesar de su simplicidad, tiene un valor excepcional porque evita una gran cantidad de problemas y hace que el código sea más fácil de escribir y leer. En el fragmento de código anterior, por ejemplo, no hay una llamada explícita a ninguna función initilize() que, conceptualmente es una función separada de la definición. En C++, la definición e inicialización son conceptos unificados - no se puede tener el uno si el otro.

Constructor y destructor son tipos de funciones muy inusuales: no tienen valor de retorno. Esto es distinto de tener valor de retorno void, que indicaría que la función no retorna nada pero teniendo la posibilidad de hacer otra cosa. Constructores y destructores no retornan nada y no hay otra posibilidad. El acto de traer un objeto al programa, o sacarlo de él es algo especial, como el nacimiento o la muerte, y el compilador siempre hace que la función se llame a si misma, para asegurarse de que ocurre realmente. Si hubiera un valor de retorno, y usted pudiera elegir uno propio, el compilador no tendría forma de saber qué hacer con el valor retornado, o el programador cliente tendría que disponer de una invocación explícita del constructor o destructor, lo que eliminaría la seguridad.

6.2. Limpieza garantizada por el destructor

Como un programador C, a menudo pensará sobre lo importante de la inicialización, pero rara vez piensa en la limpieza. Después de todo, ¿qué hay que limpiar de un int? Simplemente, olvidarlo. Sin embargo, con las librerías, «dejarlo pasar» en un objeto cuando ya no lo necesita no es seguro. Qué ocurre si ese objeto modifica algo en el hardware, o escribe algo en pantalla, o tiene asociado espacio en el montículo(heap). Si simplemente pasa de él, su objeto nunca logrará salir de este mundo. En C++, la limpieza es tan importante como la inicialización y por eso está garantizada por el destructor.

La sintaxis del destructor es similar a la del constructor: se usa el nombre de la clase como nombre para la función. Sin embargo, el destructor se distingue del constructor porque va precedido de una virgulilla (~). Además, el destructor nunca tiene argumentos porque la destrucción nunca necesita ninguna opción. Aquí hay una declaración de un destructor: 

class Y {
public:
  ~Y();
};

El destructor se invoca automáticamente por el compilador cuando el objeto sale del ámbito. Puede ver dónde se invoca al constructor por el punto de la definición del objeto, pero la única evidencia de que el destructor fue invocado es la llave de cierre del ámbito al que pertenece el objeto. El constructor se invoca incluso aunque utilice goto para saltar fuera del del ámbito (goto sigue existiendo en C++ por compatibilidad con C.) Debería notar que un goto no-local, implementado con las funciones setjmp y longjmp() de la librería estándar de C, evitan que el destructor sea invocado. (Eso es la especificación, incluso si su compilador no lo implementa de esa manera. Confiar un una característica que no está en la especificación significa que su código no será portable).

A continuación, un ejemplo que demuestra las características de constructores y destructores que se han mostrado hasta el momento. 

//: C06:Constructor1.cpp
// Constructors & destructors
#include <iostream>
using namespace std;

class Tree {
  int height;
public:
  Tree(int initialHeight);  // Constructor
  ~Tree();  // Destructor
  void grow(int years);
  void printsize();
};

Tree::Tree(int initialHeight) {
  height = initialHeight;
}

Tree::~Tree() {
  cout << "inside Tree destructor" << endl;
  printsize();
}

void Tree::grow(int years) {
  height += years;
}

void Tree::printsize() {
  cout << "Tree height is " << height << endl;
}

int main() {
  cout << "before opening brace" << endl;
  {
    Tree t(12);
    cout << "after Tree creation" << endl;
    t.printsize();
    t.grow(4);
    cout << "before closing brace" << endl;
  }
  cout << "after closing brace" << endl;
} ///:~

Listado 6.1. C06/Constructor1.cpp


Y esta sería la salida del programa anterior: 

antes de la llave de apertura
después de la creación de Tree
la altura del árbol es 12
antes de la llave de cierre
dentro del destructor de Tree
la altura del árbol es 16
después de la llave de cierre

Puede ver que el destructor se llama automáticamente al acabar el ámbito (llave de cierre) en el que está definido el objeto.

6.3. Eliminación del bloque de definiciones

En C, siempre se definen todas las variables al principio de cada bloque, justo después de la llave de apertura. Ése es un requisito habitual en los lenguajes de programación, y la razón que se da a menudo es que se considera «buenas prácticas de programación». En este tema, yo tengo mis sospechas. Eso siempre me pareció un inconveniente, como programador, volver al principio del bloque cada vez que necesitaba definir una nueva variable. También encuentro más legible el código cuando la definición de la variable está certa del punto donde se usa.

Quizá esos argumentos son estilísticos. En C++, sin embargo, existe un problema significativo si se fuerza a definir todos los objetos al comienzo un ámbito. Si existe un constructor, debe invocarse cuando el objeto se crea. Sin embargo, si el constructor toma uno o más argumentos, ¿cómo saber que se dispone de la información de inicialización al comienzo del ámbito? Generalmente no se dispone de esa información. Dado que C no tiene el concepto de privado, la separación entre definición e inicialización no es un problema. Además, C++ garantiza que cuando se crea un objeto, es inicializado simultáneamente. Esto asegura que no se tendrán objetos no inicializados ejecutándose en el sistema. C no tiene cuidado, de hecho, C promueve esta práctica ya que obliga a que se definan las variables al comienzo de un bloque, antes de disponer de la información de inicialización necesaria [55].

En general, C++ no permite crear un objeto antes de tener la información de inicialización para el constructor. Por eso, el lenguaje no sería factible si tuviera que definir variables al comienzo de un bloque. De hecho, el estilo del lenguaje parece promover la definición de un objeto tan cerca como sea posible del punto en el que se usa. En C++, cualquier regla que se aplica a un «objeto» automáticamente también se refiere a un objeto de un tipo básico. Esto significa que cualquier clase de objeto o variable de un tipo básico también se puede definir en cualquier punto del bloque. Eso también significa que puede esperar hasta disponer de la información para una variable antes de definirla, de modo que siempre puede definir e inicializar al mismo tiempo: 

//: C06:DefineInitialize.cpp
// Defining variables anywhere
#include "../require.h"
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class G {
  int i;
public:
  G(int ii);
};

G::G(int ii) { i = ii; }

int main() {
  cout << "initialization value? ";
  int retval = 0;
  cin >> retval;
  require(retval != 0);
  int y = retval + 3;
  G g(y);
} ///:~

Listado 6.2. C06/DefineInitialize.cpp


Puede ver que se ejecuta parte del código, entonces se define >retval, que se usa para capturar datos de la consola, y entonces se definen y y g. C, al contrario, no permite definir una variable en ningún sitio que no sea el comienzo de un bloque.

En general, debería definir las variables tan cerca como sea posible del punto en que se usa, e inicializarlas siempre cuando se definen. (Ésta es una sugerencia de estilo para tipos básicos, en los que la inicialización es opcional.) Es una cuestión de seguridad. Reduciendo la duración de disponibilidad al bloque, se reduce la posibilidad de que sea usada inapropiadamente en otra parte del bloque. En resumen, la legibilidad mejora porque el lector no teiene que volver al inicio del bloque para ver el tipo de una variable.

6.3.1. Bucles for

En C++, a menudo verá bucles for con el contador definido dentro de la propia expresión. 

for (int j = 0; j < 100; j++) {
    cout << "j = " << j << endl;
}
for (int i = 0; i < 100; i++)
    cout  << "i = " << i << endl;

Las sentencias anteriores son casos especiales importantes, que provocan confusión en los programadores novatos de C++.

Las variables i y j están definidas directamente dentro la expresión for (algo que no se puede hacer en C). Esas variables están disponibles para usarlas en el bucle. Es una sintaxis muy conveniente porque el contexto disipa cualquier duda sobre el proposito de i y j, asi que no necesita utilizar nombres extraños como contador_bucle_i para quede más claro.

Sin embargo, podría resultar confuso si espera que la vida de las variables i y j continúe después del bucle - algo que no ocurre[56]

El capítulo 3 indica que las sentencias while y switch también permiten la definición de objetos en sus expresiones de control, aunque ese uso es menos importante que con el bucle for.

Hay que tener cuidado con las variables locales que ocultan las variables del ámbito superior. En general, usar el mismo nombre para una variable anidada y una variable que es global en ese ámbito es confuso y propenso a errores[57]

Creo que los bloques pequeños son un indicador de un buen diseño. Si una sola función requiere varias páginas, quizá está intentando demasiadas cosas en esa función. Funciones de granularidad más fina no sólo son más útiles, tambíén facilitan la localización de errores.

6.3.2. Alojamiento de memoria

Ahora una variable se puede definir en cualquier parte del bloque, podría parecer que el alojamiento para una variable no se puede llevar a cabo hasta el momento en que se define. En realidad, lo más probable es que el compilador siga la práctica de pedir todo el alojamiento para el bloque en la llave de apertura del bloque. No importa porque, como programador, no puede acceder al espacio asociado (es decir, el objeto) hasta que ha sido definido[58]. Aunque el espacio se pida al comienzo del bloque, la llamada al constructor no ocurre hasta el punto en el que se define el objeto ya que el identificador no está disponible hasta entonces. El compilador incluso comprueba que no ponga la definición del objeto (y por tanto la llamada al constructor) en un punto que dependa de una sentencia condicional, como en una sentencia switch o algún lugar que pueda saltar un goto. Descomentar las sentencias del siguiente código generará un error o aviso. 

//: C06:Nojump.cpp
// Can't jump past constructors

class X {
public:
  X();
};

X::X() {}

void f(int i) {
  if(i < 10) {
   //! goto jump1; // Error: goto bypasses init
  }
  X x1;  // Constructor called here
 jump1:
  switch(i) {
    case 1 :
      X x2;  // Constructor called here
      break;
  //! case 2 : // Error: case bypasses init
      X x3;  // Constructor called here
      break;
  }
} 

int main() {
  f(9);
  f(11);
}///:~

Listado 6.3. C06/Nojump.cpp


En el código anterior, tanto el goto como el switch pueden saltar la sentencia en la que se invoca un constructor. Ese objeto corresponde al ámbito incluso si no se invoca el constructor, de modo que el compilador dará un mensaje de error. Esto garantiza de nuevo que un objeto no se puede crear si no se inicializa.

Todo el espacio de almacenamiento necesario se asigna en la pila, por supuesto. Ese espacio lo faciliza el compilador moviendo el puntero de pila «hacia abajo» (dependiendo de la máquina implica incrementar o decrementar el valor del puntero de pila). Los objetos también se pueden alojar en el montículo usando new, algo que se verá en el capítulo 13. (FIXME:Ref C13)

6.4. Stash con constructores y destructores

Los ejemplos de los capítulos anteriores tienen funciones que tienen correspondencia directa con constructores y destructores: initialize() y cleanup(). Éste es el fichero de cabecera de Stash, utilizando constructor y destructor: 

//: C06:Stash2.h
// With constructors & destructors
#ifndef STASH2_H
#define STASH2_H

class Stash {
  int size;      // Size of each space
  int quantity;  // Number of storage spaces
  int next;      // Next empty space
  // Dynamically allocated array of bytes:
  unsigned char* storage;
  void inflate(int increase);
public:
  Stash(int size);
  ~Stash();
  int add(void* element);
  void* fetch(int index);
  int count();
};
#endif // STASH2_H ///:~

Listado 6.4. C06/Stash2.h


Las únicas definiciones de métodos que han cambiado son initialize() y cleanup(), que han sido reemplazadas con un constructor y un destructor. 

//: C06:Stash2.cpp {O}
// Constructors & destructors
#include "Stash2.h"
#include "../require.h"
#include <iostream>
#include <cassert>
using namespace std;
const int increment = 100;

Stash::Stash(int sz) {
  size = sz;
  quantity = 0;
  storage = 0;
  next = 0;
}

int Stash::add(void* element) {
  if(next >= quantity) // Enough space left?
    inflate(increment);
  // Copy element into storage,
  // starting at next empty space:
  int startBytes = next * size;
  unsigned char* e = (unsigned char*)element;
  for(int i = 0; i < size; i++)
    storage[startBytes + i] = e[i];
  next++;
  return(next - 1); // Index number
}

void* Stash::fetch(int index) {
  require(0 <= index, "Stash::fetch (-)index");
  if(index >= next)
    return 0; // To indicate the end
  // Produce pointer to desired element:
  return &(storage[index * size]);
}

int Stash::count() {
  return next; // Number of elements in CStash
}

void Stash::inflate(int increase) {
  require(increase > 0, 
    "Stash::inflate zero or negative increase");
  int newQuantity = quantity + increase;
  int newBytes = newQuantity * size;
  int oldBytes = quantity * size;
  unsigned char* b = new unsigned char[newBytes];
  for(int i = 0; i < oldBytes; i++)
    b[i] = storage[i]; // Copy old to new
  delete [](storage); // Old storage
  storage = b; // Point to new memory
  quantity = newQuantity;
}

Stash::~Stash() {
  if(storage != 0) {
   cout << "freeing storage" << endl;
   delete []storage;
  }
} ///:~

Listado 6.5. C06/Stash2.cpp


Puede ver que las funciones de require.h se usan para vigilar errores del programador, en lugar de assert(). La salida de un assert() fallido no es tan útil como las funciones de require.h (que se verán más adelante en el libro).

Dado que inflate() es privado, el único modo en que require() podría fallar sería si uno de los otros miembros pasara accidentalmente un valor incorrecto a inflate(). Si está seguro de que eso no puede pasar, debería considerar eliminar el require(), pero debería tener en mente que hasta que la clase sea estable, siempre existe la posibilidad de que el código nuevo añadido a la clase podría provocar errores. El coste de require() es bajo (y podría ser eliminado automáticamente por el preprocesador) mientras que la robustez del código es alta.

Fijese cómo en el siguiente programa de prueba la definición de los objetos Stash aparece justo antes de necesitarse, y cómo la inicialización aparece como parte de la definición, en la lista de argumentos del constructor. 

//: C06:Stash2Test.cpp
//{L} Stash2
// Constructors & destructors
#include "Stash2.h"
#include "../require.h"
#include <fstream>
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

int main() {
  Stash intStash(sizeof(int));
  for(int i = 0; i < 100; i++)
    intStash.add(&i);
  for(int j = 0; j < intStash.count(); j++)
    cout << "intStash.fetch(" << j << ") = "
         << *(int*)intStash.fetch(j)
         << endl;
  const int bufsize = 80;
  Stash stringStash(sizeof(char) * bufsize);
  ifstream in("Stash2Test.cpp");
  assure(in, " Stash2Test.cpp");
  string line;
  while(getline(in, line))
    stringStash.add((char*)line.c_str());
  int k = 0;
  char* cp;
  while((cp = (char*)stringStash.fetch(k++))!=0)
    cout << "stringStash.fetch(" << k << ") = "
         << cp << endl;
} ///:~

Listado 6.6. C06/Stash2Test.cpp


También observe que se han eliminado llamadas a cleanup(), pero los destructores se llaman automáticamente cuando intStash y stringStash salen del ámbito.

Una cosa de la que debe ser consciente en los ejemplos con Stash: Tengo mucho cuidado usando sólo tipos básicos; es decir, aquellos sin destructores. Si intenta copiar objetos dentro de Stash, aparecerán todo tipo de problemas y no funcionará bien. En realidad la Librería Estándar de C++ puede hacer copias correctas de objetos en sus contenedores, pero es un proceso bastante sucio y complicado. En el siguiente ejemplo de Stack, verá que se utilizan punteros para esquivar esta cuestión, y en un capítulo posterior Stash también se convertirá para que use punteros.

6.5. Stack con constructores y destructores

Reimplementar la lista enlazada (dentro de Stack) con constructores y destructores muestra claramente cómo costructores y destructores utilizan new y delete. Éste es el fichero de cabecera modficado: 

//: C06:Stack3.h
// With constructors/destructors
#ifndef STACK3_H
#define STACK3_H

class Stack {
  struct Link {
    void* data;
    Link* next;
    Link(void* dat, Link* nxt);
    ~Link();
  }* head;
public:
  Stack();
  ~Stack();
  void push(void* dat);
  void* peek();
  void* pop();
};
#endif // STACK3_H ///:~

Listado 6.7. C06/Stack3.h


No sólo hace que Stack tenga un constructor y destructor, también aparece la clase anidada Link. 

//: C06:Stack3.cpp {O}
// Constructors/destructors
#include "Stack3.h"
#include "../require.h"
using namespace std;

Stack::Link::Link(void* dat, Link* nxt) {
  data = dat;
  next = nxt;
}

Stack::Link::~Link() { }

Stack::Stack() { head = 0; }

void Stack::push(void* dat) {
  head = new Link(dat,head);
}

void* Stack::peek() { 
  require(head != 0, "Stack empty");
  return head->data; 
}

void* Stack::pop() {
  if(head == 0) return 0;
  void* result = head->data;
  Link* oldHead = head;
  head = head->next;
  delete oldHead;
  return result;
}

Stack::~Stack() {
  require(head == 0, "Stack not empty");
} ///:~

Listado 6.8. C06/Stack3.cpp


El constructor Link:Link() simplemente inicializa los punteros data y next, así que en Stack::push(), la línea: 

head = new Link(dat,head);

no sólo aloja un nuevo enlace (usando creación dinámica de objetos con la sentencia new, vista en el capítulo 4), también inicializa los punteros para ese enlace.

Puede que le asombre que el destructor de Link no haga nada - en concreto, ¿por qué no elimina el puntero data? Hay do