Fases de creación de un programa

El proceso de resolución de problemas en un ordenador conduce a la escritura de un programa y su ejecución. Las fases en el desarrollo de un programa pueden resumirse de la siguiente forma:

1. Analizar el problema: consiste en conocer perfectamente en qué consiste y qué resultados se desean obtener.
2. Planificación de la resolución del problema, dividiéndolo, si es complicado, en una secuencia de etapas más simples. Esta fase se lleva a cabo EN UN PAPEL, estableciendo lo más claramente posible la finalidad de cada etapa, los datos que se necesitan de entrada, los datos que producirían en salida, los algoritmos que se utilizarán, etc.
3. Edición del código fuente, es decir, escritura del mismo utilizando un editor de textos simple (sin formato) y un lenguaje de programación. Los programas fuente serán almacenados en ficheros de texto, normalmente en el disco duro del ordenador.
4. Compilación y ejecución del programa al lenguaje máquina.
5. Corrección de errores del programa. Los errores se corregirán en el código fuente, repitiendo los pasos 3 y 4 tantas veces como sea necesario. Si se producen errores en la lógica del programa, es decir, si el programa «funciona» pero produce resultados incorrectos, hay que modificar el algoritmo volviendo al paso 2. Estos errores son los más difíciles de detectar.
6. Documentación. Una vez que el programa funcione correctamente, es conveniente revisar el código fuente para ordenarlos, eliminar cálculos innecesarios e incluir las líneas de comentario necesarias, que normalmente deben incluir unas breves explicaciones al principio del código sobre la finalidad del programa y sus argumentos de entrada y de salida.

Algoritmos

Un ordenador es capaz de realizar «sólo» determinadas acciones sencillas, tales como sumar, comparar o transferir datos, pero los problemas que normalmente interesa resolver son más complejos. Para resolver un problema real es necesario, en primer lugar, encontrar un método de resolución y, posteriormente, determinar la sucesión de acciones sencillas (susceptibles de ser ejecutadas por un ordenador) en que se descompone dicho método. No todos los métodos de solución de un problema pueden ser puestos en práctica en un ordenador. Para que un procedimiento pueda ser implantado en un ordenador debe ser:

• Preciso: estar compuesto de pasos bien definidos (no ambiguos) y ordenados.
• Definido: si se sigue dos veces, se obtiene el mismo resultado cada vez.
• Finito: tener un número finito de pasos.

Un procedimiento o método para resolver un problema que cumpla los requisitos anteriores se dice que es un algoritmo. Se puede dar por tanto la siguiente definición:

Un algoritmo es un método para resolver un problema mediante una secuencia de pasos bien definidos, ordenados y finitos. Para que se pueda ejecutar el algoritmo es preciso, además, que se disponga de las «herramientas» adecuadas para llevar a cabo cada uno de los pasos. Si no es así, estos deberán, a su vez, ser descompuestos en una secuencia (algoritmo) de pasos más simples que sí se puedan llevar a cabo.

Un programa de ordenador es una sucesión de órdenes que describen un algoritmo, escritas de forma que puedan ser entendidas por el ordenador. En un algoritmo (y por tanto en un programa) se distinguen las siguientes acciones:

• Entrada: es la información de partida que necesita el algoritmo para arrancar.
• Proceso: es el conjunto de todas las operaciones a realizar.
• Salida: son los resultados obtenidos.

Representación de algoritmos

Las dos herramientas más utilizadas comúnmente para describir algoritmos son:

• Diagramas de flujo: son representaciones gráficas de secuencias de pasos a realizar. Cada operación se representa mediante un símbolo normalizado el Instituto Norteamericano de Normalización (ANSI – American National Standars Institute). Las líneas de flujo indican el orden de ejecución. Algunos de los símbolos principales se muestran en la Figura 5.1, como son: Inicio/Fin del algoritmo, Lectura/Escritura de datos que el programa necesita o genera (por ejemplo, lectura de datos que se teclean o escritura de datos en un fichero); Proceso conjunto de instrucciones secuenciales; Decisión es una bifurcación en el flujo del algoritmo en base a que se verifique o no cierta condición. Los diagramas de flujo suelen ser usados sólo para representar algoritmos pequeños, ya que abarcan mucho espacio.
• Pseudocódigos: describen un algoritmo de forma similar a un lenguaje de programación pero sin su rigidez, de forma más parecida al lenguaje natural. Presentan la ventaja de ser más compactos que los diagramas de flujo, más fáciles de escribir para las instrucciones complejas y más fáciles de transferir a un lenguaje de programación. El pseudocódigo no está regido por ningún estándar. En estos apuntes usaremos las palabras LEER/IMPRIMIR para representar las acciones de lectura de datos (el programa recibe datos desde algún sitio) y salida de datos (el programa escribe información en algún medio).

Estructura secuencial

Es aquella en la que una acción (instrucción) sigue a la otra en el orden en el que están escritas. Su representación y el diagrama de flujo se muestra en la Figura 5.3.

Estructuras de control: condicionales y bucles

Son parte fundamental de cualquier lenguaje. Sin ellas, las instrucciones de un programa sólo podrían ejecutarse en el orden en que están escritas (orden secuencial). Las estructuras de control permiten modificar este orden. Hay dos categorías de estructuras de control:

• Condicionales o bifurcaciones: permiten que se ejecuten conjuntos distintos de instrucciones, en función de que se verifique o no determinada condición.
• Bucles o repeticiones: permiten que se ejecute repetidamente un conjunto de instrucciones, bien un número pre-determinado de veces, o bien hasta que se verifique una determinada condición.

En términos de un lenguaje de programación, que se verifique o no una condición se traduce en que una (adecuada) expresión lógica tome el valor VERDADERO (TRUE) o tome el valor FALSO (FALSE). En los casos más sencillos y habituales la condición suele ser una comparación entre dos datos, como por ejemplo: si a hacer una cosa y en caso contrario hacer otra distinta.

A continuación se describen las distintas estructuras de control. Para cada una de ellas se describe el diagrama de flujo y la sintaxis de la sentencia correspondiente en lenguaje MATLAB. Obsérvese que todas ellas tienen una única entrada y una única salida.

1 Estructura condicional simple: IF

Este es el tipo más sencillo de estructura condicional. Sirve para implementar acciones condicionales del tipo siguiente:

Si se verifica una determinada condición, ejecutar una serie de instrucciones y luego seguir adelante.

Si la condición NO se cumple, NO se ejecutan dichas instrucciones y se sigue adelante.

Obsérvese que, en ambos casos (que se verifique o no la condición), los «caminos» bifurcados se unen posteriormente en un punto, es decir, el flujo del programa recupera su carácter secuencial, y se continúa ejecutando por la instrucción siguiente a la estructura IF.

Como ejemplo de utilización de este tipo de condicional, se considera el cálculo del valor en un punto x de una función definida por partes, como por ejemplo:

f(x) = 0 si x f(x) = x si x > 0

2 Estructura condicional doble: IF – ELSE

Este tipo de estructura permite implementar condicionales en los que hay dos acciones alternativas:

Si se verifica una determinada condición, ejecutar un serie de instrucciones (bloque 1).

Si no, esto es, si la condición NO se verifica, ejecutar otra serie de instrucciones (bloque 2).

En otras palabras, en este tipo de estructuras hay una alternativa: se hace una cosa o se hace la otra. En ambos casos, se sigue por la instrucción siguiente a la estructura IF – ELSE.

Como ejemplo de utilización de este tipo de estructuras se plantea el problema de calcular las raíces de una ecuación de segundo grado

ax² + bx + c = 0

distinguiendo dos casos: que las raíces sean reales o que sean complejas (no se contempla, de momento, distinguir entre una o dos raíces reales).

3 Estructura condicional múltiple: IF – ELSEIF – ELSE

En su forma más general, la estructura IF – ELSEIF – ELSE permite implementar condicionales más complicados, en los que se «encadenan» condiciones en la forma siguiente:

Si se verifica la condición 1, ejecutar las instrucciones del bloque 1.

Si no se verifica la condición 1, pero SÍ se verifica la condición 2, ejecutar las instrucciones del bloque 2.

Si no, esto es, si no se ha verificado ninguna de las condiciones anteriores, ejecutar las instrucciones del bloque 3.

En cualquiera de los casos, el flujo del programa continúa por la instrucción siguiente a la estructura IF – ELSEIF – ELSE.

4 Estructura de repetición indexada: FOR

Este tipo de estructura permite implementar la repetición de un cierto conjunto de instrucciones un número pre-determinado de veces.

Para ello se utiliza una variable de control del bucle, llamada también índice, que va recorriendo un conjunto prefijado de valores en un orden determinado. Para cada valor del índice en dicho conjunto, se ejecuta una vez el mismo conjunto de instrucciones.

5 Estructura repetitiva condicional: WHILE

Permite implementar la repetición de un mismo conjunto de instrucciones mientras que se verifique una determinada condición: el número de veces que se repetirá el ciclo no está definido a priori.

Estructura repetitiva WHILE: sintaxis MATLAB y diagrama de flujo.

Su funcionamiento es evidente, a la vista del diagrama:

1. Al comienzo de cada iteración se evalúa la expresión-lógica.
2. Si el resultado es VERDADERO, se ejecuta el conjunto de instrucciones y se vuelve a iterar, es decir, se repite el paso 1.
3. Si el resultado es FALSO, se detiene la ejecución del ciclo WHILE y el programa se sigue ejecutando por la instrucción siguiente al END.

6 Ruptura de ciclos de repetición: BREAK y CONTINUE

En ocasiones es necesario interrumpir la ejecución de un ciclo de repetición en algún punto interno del bloque de instrucciones que se repiten. Lógicamente, ello dependerá de que se verifique o no alguna condición.

La interrupción puede hacerse de dos formas:

1. Abandonando el ciclo de repetición definitivamente.
2. Abandonando la iteración en curso, pero comenzando la siguiente.

Las instrucciones para poner esto en práctica tienen nombres diversos en los distintos lenguajes de programación. En MATLAB, la primera opción se implementa con la instrucción BREAK y la segunda con la instrucción CONTINUE. Ambas pueden utilizarse tanto para romper un ciclo FOR como un ciclo WHILE. Cuando se utiliza la orden BREAK dentro de un ciclo FOR, el índice del bucle conserva, fuera del mismo, el último valor que tomó.

7 Estructura de elección entre varios casos: SWITCH

Este tipo de estructura permite decidir entre varios caminos posibles, en función del valor que tome una determinada instrucción.

Estructura de elección de caso SWITCH: sintaxis MATLAB y diagrama de flujo.

En cada uno de los casos, el valor correspondiente puede ser o bien un sólo valor, o bien un conjunto de valores, en cuyo caso se indican entre llaves. La cláusula OTHERWISE y su correspondiente conjunto de instrucciones puede no estar presente.

El funcionamiento es el siguiente:

1. Al comienzo se evalúa la expresión.
2. Si expresión toma el valor (ó valores) especificados junto a la primera cláusula CASE, se ejecuta el conjunto de instrucciones de este caso y después se abandona la estructura SWITCH, continuando por la instrucción siguiente al END.
3. Se repite el procedimiento anterior, de forma ordenada, para cada una de las cláusulas CASE que siguen.
4. Si la cláusula OTHERWISE está presente y la expresión no ha tomado ninguno de los valores anteriormente especificados, se ejecuta el conjunto de instrucciones correspondiente.

Obsérvese que se ejecuta, como máximo el conjunto de instrucciones de uno de los casos, es decir, una vez que se ha verificado un caso y se ha ejecutado su conjunto de instrucciones, no se testea el resto de casos, ya que se abandona la estructura. Obviamente, si la cláusula OTHERWISE no está presente, puede ocurrir que no se dé ninguno de los casos.

Funciones externas

Con lo expuesto hasta aquí se pueden escribir programas sencillos y no demasiado largos. Pero varias razones justifican la necesidad de disponer de otro tipo de recursos de programación. Por una parte, puede haber en la resolución de un problema, partes que se repitan. Por otra parte, es conveniente partir la resolución de un problema «largo» en una serie de etapas más cortas que se concatenan para resolver el problema global. Los programas demasiado largos son difíciles de revisar y de corregir.

En cualquier lenguaje de programación, existen las funciones. Son trozos de código que se escriben separadamente y que realizan cálculos o tareas específicas. Todos los lenguajes de programación tienen funciones incorporadas o intrínsecas, es decir, funciones que realizan cálculos o tareas de uso habitual que han sido ya programados y están disponibles para el usuario. Pero, además, todos los lenguajes tienen la posibilidad de que el usuario defina sus propias funciones, que reciben el nombre de funciones externas.