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Scientia et Technica Año XI, No 29, Diciembre de 2005. UTP. ISSN 0122-1701 107
Fecha de Recepción: 31 Mayo de 2005
Fecha de Aceptación: 15 Noviembre de 2005
PROGRAMACIÓN ORIENTADA A OBJETOS EN LENGUAJES NO ORIENTADOS A
OBJETOS: C, UNA EXPERIENCIA
RESUMEN
Son indudables los beneficios cuando se realiza Programación
Orientada a Objetos: reusabilidad de código, herencia, polimorfismo,
etc.. Existen innumerables lenguajes que soportan dicho paradigma,
como C++, EIFFEL, JAVA, etc., pero aún se siguen desarrollando de
manera importante, aplicaciones en lenguajes que no soportan la
mencionada metodología, como por ejemplo C. Este artículo pretende
introducir al programador de aplicaciones tradicionales en lenguaje C,
en las técnicas y metodologías para desarrollar dichas aplicaciones
usando Programación Orientada a Objetos.
ABSTRACT
The benefits are doubtless when Programation OO is made:
reusabilidad of code, inheritance, polymorphism, etc.. Innumerable
languages that support this paradigm, like C++, EIFFEL, JAVA, etc.
exist, but continued developing of important way, applications in
languages that do not support mentioned metodologies, as for example
C. This article tries to introduce the traditional application programmer
in language C, in the techniches and metodologies to develop these
applications using OO Programation.
JORGE IVAN RIOS PATIÑO
Profesor Ing. Sistemas y Computación –
Universidad Tecnológica de Pereira
Ing. Industrial – U. Tecnológica de Pereira
Mc.S Informática e Ing. del Conocimiento
– U. Politécnica. de Madrid
Ph.D (c) Informática – Universidad
Politécnica de Madrid
jirios@utp.edu.co
1. INTRODUCCIÓN
A pesar de que hoy día existen innumerables lenguajes
que soportan la Programación Orientada Objetos (POO,
de aquí en adelante), como C++, EIFFEL, aun dista
mucho de que estos se conviertan en lenguajes de
desarrollo permanente, como lo hacen lenguajes que no
soportan directamente la POO, tales como C, ADA,
FORTRAN, etc, y en donde hay una gran cantidad de
código desarrollado y se siguen desarrollando
aplicaciones importantes.
Este artículo pretende mostrar como es posible mediante
lenguajes que no soporten la POO (en este caso concreto
el lenguaje C), hacer desarrollos basados en este
paradigma, producto de la experiencia vivida por el
autor, cuando participó en los proyectos SAIH –Sistema
Automático de Información Hidrológica– y CYRA –
Cálculo y Razonamiento Aproximado– en el Laboratorio
de Sistemas Inteligentes de la Universidad Politécnica de
Madrid y la Fundación Agustín de Bethencouth, en
donde se emplearon técnicas de POO para el desarrollo
de los sistemas propuestos.
2. PROGRAMACIÓN ORIENTADA A OBJETOS
VS. PROGRAMACIÓN BASADA EN OBJETOS
Muchas veces, aún empleando lenguajes que soporten la
POO, se comete el error de no programar en dicha
metodología, porque no hay conceptos claros acerca de la
misma.
Se debe recordar, que cualquier sistema desarrollado en
metodología POO, debe reunir al menos las siguientes
características:
• El sistema ha sido diseñado, identificando
claramente las clases y su jerarquía pertinente.
• Uso del polimorfismo
• Definición clara en cada clase de sus métodos
• Encapsulamiento de la información
• Modularización
• Excepciones y Concurrencia
• Asociación entre Objetos
Esto se confunde muchas veces, por que el sistema se
desarrolla solamente identificando objetos, sin los claros
aspectos enumerados anteriormente; por lo tanto esto no
basta para que un sistema sea declarado que ha sido
desarrollado bajo POO. Lo contrario simplemente sería
una programación basada en objetos, dado que la
mencionada disciplina tiene unas características bastante
definidas, que deben ser implementadas y seguidas
minuciosamente para que los programas puedan ser
catalogados así.
3. PROGRAMACIÓN ORIENTADA A OBJETOS
UTILIZANDO LENGUAJE C
Aunque ya habíamos indicado que el lenguaje C no es un
lenguaje estrictamente orientado hacia la POO, se pueden
seguir ciertas reglas, para usarlo rigurosamente bajo esta
metodología.
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Según Rambaugh [1], para implementar un diseño que
corresponda a la POO, debe cumplirse, entre otros, los
siguientes requisitos:
• Traducir las clases en estructuras de datos
• Pasar argumentos a los métodos
• Reservar espacio para los Objetos
• Implementar la herencia en estructura de datos
• Implementar la resolución de métodos
• Implementar las asociaciones
• Resolver la concurrencia
• Encapsular los detalles internos de las clases
Para lo anterior, C ofrece alternativas para realizar dichas
implementaciones: comprobación débil de tipos, punteros
a funciones, utilización de macros, asignación y
liberación de memoria e implementación de estructuras
de datos.
3.1 Definición de Clases
El concepto de Clase no existe como tal en C. Para ello
se puede usar el mecanismo tipo de datos de estructura
(struct) para definir y encapsular toda la información
referente a la misma, es decir, sus miembros datos y
métodos.
Por ejemplo, si se fuera a definir un conjunto de
jerarquías para describir toda una taxonomía de un
conjunto de recursos hidráulicos como ríos, lagos,
pantanos, etc. (Ver Fig. No. 1.) empleando el concepto de
estructura, podemos, en primera instancia, crear la clase
superior o abstracta Recurso Hidráulico (Ver Fig No. 2)
Figura No. 1
Typedef Struct
{ char *Nombre;
double AreaCuenca;
char *CoordXnacimiento;
char *CoordYnacimiento;
..................
} ClaseRecurso *RecursoHidráulico ;
Figura 2 Ejemplo en C de definición de una Clase
La anterior definición permite, no solamente la
declaración de una clase superior, si no que encapsula los
atributos de la misma.
3.2 Herencia
La herencia en C, se implementa referenciando la
estructura superior en la estructura que deriva. Es
importante recalcar que cuando la herencia es múltiple,
las referencias a las clases superiores se resuelven de la
misma manera.
Por ejemplo (ver Fig. No. 2), si fuéramos a representar la
subclase Rio, deberemos declarar dentro de la misma
estructura que lo define, un miembro (Rio) que haga
referencia a la clase superior de la cual deriva:
RecursoHidráulico.
typedef struct
{ RecursoHidráulico Recurso;
Double Longitud;
..................
………….
} ClaseRio *Rio;
Figura 3 Ejemplo en C de la creación de una Subclase
La clase ClaseRio, contendrá (heredará) todo lo
referente a la clase superior RecursoHidráulico.
El acceso a cada uno de los miembros de cada clase se
puede hacer al estilo tradicional, como lo permite el
lenguaje C, para este tipo de casos (Ver Fig. No. 4)
Rio → Longitud = 128.45;
Figura 4 Acceso a un Atributo
Aunque es totalmente válido, se recomienda que se
definan métodos tanto de acceso como de escritura para
cada uno de los datos miembros de cada clase. Esto se
hace porque cuando las jerarquías se van volviendo
complejas, el acceso también se da de la misma forma
(ver Fig. No. 5).
RecursoHidraulico → Rio → Nombre = “Otun”;
Figura 5 Acceso a un Atributo se una Subclase
Una forma de realizar dicha implementación es mediante
el uso de macros. (ver Fig. No. 6).
#define RecursoHidráulico_Nombre(Recurso)
((RecursoHidráulico) Recurso → Nombre))
#define Rio_Longitud (R) ((Rio) R → Longitud))
#define Rio_E_Longitud (R, Long)
((Rio) R → Longitud = Long))
#define Rio_Recurso (R) ((Rio) R → Recurso))
#define Rio_Nombre (R)
((Rio) RecursoHidráulico_Nombre(Rio_Recurso(R)))
Figura 6 Ejemplo de Acceso a Atributos por medio de Macros
RecursoHidraulico
Rio La
g
o Pantano
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Las ventajas de tener estos métodos, es que hay claridad
en el código, lo hace funcional, fácil de depurar y sobre
todo que se simula la protección de los datos miembro de
las clases y sus objetos, dado que en C no es posible
definir características explícitas de control (Public,
Private, y Protected), sobre los mismos.
Como único mecanismo excepción a lo anterior, es que
se pueden definir variables (datos miembro) de manera
estática (static), lo cual simularía la característica
explícita de control Private.
3.3 Resolución de Métodos
Los métodos inherentes a una clase se implementan
mediante la declaración de los mismos dentro de la
estructura (clase) al cual pertenecen, lo que permite que
los mismos se resuelvan en el momento de la
compilación
De igual forma que los datos de las clases, los métodos
de cada clase no tienen mecanismos de control de acceso
a los mismos, debido a que C carece explícitamente de
ellos. Por lo tanto la resolución de los métodos se realiza
utilizando punteros a funciones, incluyendo aquellos que
simulan los que construyen (constructores) y destruyen
(destructores) la clase: (Ver Fig. No. 7).
typedef struct
{ RecursoHidráulico Recurso;
Double Longitud;
..................
void (* CosntructorRio) ();
void (* DestructorRio) ();
double (* AreaCuenca) ();
double (* Longitud) ();
………….
} ClaseRio *Rio;
Figura 7 Ejemplo de Resolución de Métodos en C
Se debe notar, que la clase ClaseRio hereda todos los
métodos de su clase superior, en este caso
RecursoHidraulico, dado que todo descriptor de clase
contiene las operaciones de su superclase [2].
Mas aun, la clase derivada puede redefinir los métodos
de su clase superior, inclusive apelando a los mismos
nombres, sin que surja con esto algún conflicto, dado que
la gestión de los mismos, está dada en espacios
diferentes. La única precaución que hay que tener, es la
forma de invocar los métodos, pero para ello se puede
apelar a las macros, precisamente para eliminar cualquier
confusión, sobre todo en la gestión del espacio de
nombres.
3.4 Asociaciones
La implementación de las relaciones de asociación entre
clases u objetos de las mismas, se realizan, a excepción
de JAVA, de la misma forma que en la mayoría de los
lenguajes orientados hacia la POO: usando punteros.
Por ejemplo, la asociación binaria se implementa como
un dato miembro en cada una de los objetos asociados,
dato que contiene un puntero al objeto asociado.
Por ejemplo, si se quisiera tener una asociación entre un
Rio y sus Afluentes, uno-a-muchos, esta se podría
implementar de la siguiente manera (ver Fig No. 8):
typedef struct ClaseRio
{ RecursoHidráulico Recurso;
Double Longitud;
..................
void (* ConstructorRio) ();
void (* DestructorRio) ();
double (* AreaCuenca) ();
double (* Longitud) ();
………….
ClaseRio *Afluente;
} *Rio;
Figura 8 Ejemplo de Implementación de Asociaciones
En caso de que sean mas los objetos relacionados, las
asociaciones se pueden implementar por medio de otras
estructuras mas complejas como vectores, árboles,
matrices tipo esparcida (sparce), etc.; y cuando las
relaciones por efecto de la jerarquía de clases, se puedan
volver complejas, es recomendable crear funciones que
realicen de manera automática dicha operación,
simulando por ejemplo, los mecanismos que se tiene en
LISP para la manipulación de listas [2].
3.5 Creación y Destrucción de Objetos
La creación y destrucción de objetos, se resuelve en
tiempo de compilación, empleando explícitamente, las
funciónes malloc() y free() respectivamente (Ver Fig.
9).
Hay que recordar que en C no existen mecanismos
explícitos como en los lenguajes de POO para la creación
automática de clases y el respectivo borrado de las
mismas y por lo tanto no se pueden implementar métodos
dentro de una Clase de este tipo, por que generaría
conflicto, dado que el lenguaje siempre tiene entre sus
objetos vinculación (ligadura) de tipo estático.
ClaseRio *Magdalena;
..................
Magdalena = (ClaseRio *) malloc(sizeof(ClaseRio))
..................
free (void* Magdalena);
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..................
Figura 9 Ejemplo de Creación de Objetos
3.6 Plantillas
La reducción de duplicación de código, mecanismo que
ya viene inherente en lenguajes del área POO, a través
del uso por ejemplo de plantillas (template) en C++ o de
genéricos (generic) en ADA, en C se puede implementar
usando macros, con el fin de no utilizar tipos, que es el
único obstáculo en los lenguajes no propios del área de
POO, para la no duplicación de código (Ver Fig. 11).
#define Suma (A,B) (A +B)
...................
...................
int A, B, C;
double D,E, F;
...................
C= Suma(A,B);
.....................
F = Suma(D,E);
...................
Figura 11 Ejemplo de Plantillas
Hay que recordar que la única parte en donde C no
produce ligadura estática con sus objetos (en este caso
con sus variables de referencia), es en las macros, lo cual
se emplea para generar o emular plantillas.
El empleo y codificación de estas macros, se debe
realizar de una forma muy cuidadosa y disciplinada, dado
que por la misma no comprobación de tipos podría
generar por descuido, desagradables resultados.
3.7 Modularización
El lenguaje C no ofrece un mecanismo explícito para
lograr el concepto de Modularización, como por ejemplo
el que ofrece JAVA y ADA a través del concepto de
Paquete (Package), o Module en Modula, para la
descomposción física y lógica de un programa.
La moduralización, en este caso, se hace a través de la
estructuración del programa por medio de archivos
físicos, los cuales van conteniendo las diferentes clases
que se van creando y sus funciones relacionadas (ver Fig.
No. 12).
La referencia de una clase a otra cuando se modulariza
de esta forma se realiza por medio de la inclusión
(#include ....) entre ficheros y los ficheros tipo cabecera
(#..........h) (Ver Figura 12)
.....
.....
.....
.....................................
............................................................................
Figura 12 Ejemplo de Modularizaciòn
4. CONCLUSIONES
Como bien puede suponerse, la resolución de métodos
en C es estática (ligadura estática), ya que solo ocurre
en tiempo de compilación, lo cual no permite el
mecanismo de declaración de genéricos (ligadura
dinámica), lo que impediría la reducción de código por
no duplicación del mismo, salvo lo que se puede
realizar, y de una manera mas bien limitada, por medio
de macros.
Los equipos de programadores pueden trabajar de
manera simultánea en el todo el programa; cada
programador trabaja en un archivo diferente que
contendría una clase diferente.
Puede ser usado un estilo de programación orientado a
objetos. Cada archivo define un tipo particular de
objeto como un tipo de dato y las operaciones en ese
objeto como funciones. La implementación del objeto
puede mantenerse privado al resto del programa. Con
lo anterior se logran programas bien estructurados los
cuales son fáciles de mantener.
Los archivos pueden contener todas las funciones de
un grupo relacionado, por ejemplo todas las
operaciones con matrices. Estas pueden ser accedidas
como una función de una biblioteca.
Objetos bien implementados o definiciones de
funciones pueden ser reusadas en otros programas, con
lo que se reduce el tiempo de desarrollo.
En programas muy grandes cada función principal
puede ocupar su propio archivo. Cualquier otra función
de bajo nivel usada en la implementación puede ser
guardada en el mismo archivo, por lo que los
programadores que llamen a la función principal no se
distraerán por el trabajo de bajo nivel.
Cuando los cambios son hechos a un archivo,
solamente ese archivo necesita ser compilado de nuevo
ClaseRecurso. h ClaseRio. h
ConstructorRecurso.c ConstructorRio.c
DestructorRecurso.c DestructorRio.c
AreaCuenca.c
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para reconstruir el programa. La herramienta make de
UNIX es muy útil para reconstruir programas con
varios archivos, y al mismo tiempo reducir la
compilación innecesaria cuando se hace alguna
modificación.
Por último, mediante un adecuado diseño y uso de los
elementos del lenguaje C, es posible lograr una muy
aproximada POO.
4. BIBLIOGRAFÍA
4.1 Referenciada
[1] Rumbaugh James, Blaha Michael, Premerlani,
William, Hedí Frederick y Lorensen William, “Modelado
y Diseño Orientado a Objetos”, Ed. Prentice Hall,
España, 1.985, ISBN 013 – 24000698-5.
[2] Rios Patiño, Jorge Ivan, “Administración e inferencia
de Bases de Conocimientos usando Bases de Datos
relacionales y SQL”, Tesis de la Maestría de Ingeniería
del Conocimiento, Facultad de Informática, Universidad
Politécnica de Madrid, Madrid, España, Abril, 2002.
4.2 Consultada
Brian W Hernigham y Ritchie M. Dennis, “El Lenguaje
de Programación en C”, Ed. Prentice may
Hispanoamericana S.A, México, 1985, ISBN 968-880-
024-4.
Booch, Grady, Rambaugh, James y Jacobson, Ivar, , “El
Lenguaje Unificado de Modelado: UML, ”Editorial
Addison Wesley:, Madrid , España, 2000.
Booch, Grady, “Software Design with ADA ”Editorial
Addison Wesley:, U.S.A , 1.998.
