programacion - en - c-metodologia - algoritmos - y-estructura - de - datos - editorial - mcgraw - hill, Notas de estudo de Matemática

Baixe programacion - en - c-metodologia - algoritmos - y-estructura - de - datos - editorial - mcgraw - hill e outras Notas de estudo em PDF para Matemática, somente na Docsity! PROGRAMACI~N EN c Metodología, algoritmos '. .y estructura de datos . . as ,>' L Ignacio Zahonero Martinez Departamento de Lenguajes y Sistemas Informáticos e Ingeniería del Software Facultad de Informática/Escuela Universitaria de Informática Universidad Pontificia de Salamanca. Cumpus Madrid MADRID BUEN,OS AIRES CARACAS -,GUATEMALA. LISBOA MÉXICO NUEVA YORK PANAMA SAN JUAN SANTAFE DE BOGOTA SANTIAGO SA0 PA,ULO AUCKLAND HAMBURG0 LONDRES MILAN MONTREAL NUEVA DELHI PARIS SAN FRANCISCO SIDNEY SINGAPUR ST. LOUIS TOKIO *TORONTO CONTENIDO Prólogo , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PARTE I. METODOLOGíA DE LA PROGRAMACIÓN Capítulo 1. Introducción a la ciencia de la computación y a la programación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1. ¿Qué es una computadora? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Organización física de una computadora (hardware) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1. Dispositivos de EntradafSalida (E/S) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2. La memoria central (interna) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3. La Unidad Central de Proceso (UCP) . . . . . 1.2.4. El microprocesador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.5. Memoria auxiliar (externa) . . . . . . . . . . . . . 1.2.6. Proceso de ejecución de un programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.7. Comunicaciones: módems, redes, telefonía RDSI y ADSL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.8. La computadora personal multimedia ideal para 1 1.3. Concepto de algoritmo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1. Características de los algoritmos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4. El software (los programas) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5. Los lenguajes de programación . . . . . . . . . 1.5.4. Lenguajes de alto nivel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6. El lenguaje C: historia y características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6.1. Ventajas de C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6.2. Características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6.3. Versiones actu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capítulo 2. Fundamentos de programación . . . . . 2.1. Fases en la resolución de problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1. Análisis del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2. Diseño del algoritmo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3. Herramientas de la programación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4. Codificación de un programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv 2 4 4 5 6 9 10 10 12 12 13 15 16 17 19 20 20 21 22 22 23 23 23 25 25 26 26 27 28 30 31 32 33 36 V P vi¡¡ Contenido 4.15. Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 4.16. Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Capítulo 5. Estructuras de selección: sentencias if y switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 5.1. Estructuras de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 5.2. Lasentencia if . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3. Sentencia i f de dos alternativas: i f - e 1 se 5.4. Sentencias i f - el se anidadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 5.4.1. Sangría en las sentencias i 5.4.2. Comparación de sentencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5. Sentencia de control switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 5.5.1. Caso particular de case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 5.5.2. Uso de sentencias swi t c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6. Expresiones condicionales: el operador ? : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.8. Puesta a punto de programas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.9. Errores frecuentes de programación 5.7. Evaluación en cortocircuito de expresiones lógicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.10. Resumen . . . . . . . . . . . . . . 164 5.11. Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.12. Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Capítulo 6. Estructuras de control: bucles 6.1. La sentencia whi 1 e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.1. Operadores de inc 6.1.2. Terminaciones anormales de un ciclo . . . . . . . . 174 6.1.3. Diseño eficiente d 6.1.4. Bucles while con cero iteraciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 6.1.6. Bucles controlados por indicadores (banderas) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.7. La sentencia break en 6.1.5. Bucles controlados por centinelas . . . . . . . 175 6.1.8. Bucles while (true) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 6.2. Repetición: el bucle €or . . . . . 6.2.1. Diferentes usos de bucles for . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 6.3. Precauciones en el uso de for . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 6.3.1. Bucles infinitos . . . . . . . . . . . . . 6.3.2. Los bucles for vacíos . . . . . . . 6.3.3. Sentencias nulas en bucles for . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 188 191 6.3.4. Sentencias break y continue . . . . . . . . . . . 6.4. Repetición: el bucle do . . . whi le . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 6.4.1. Diferencias entre while y do-while . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5. Comparación de bucles while, for y do-whi le 6.6. Diseño de bucles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.1. Bucles para diseño de sumas y productos . . . 6.6.2. Fin de un bucle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 6.6.3. Otras técnicas d . . . . . . . . . 196 6.6.4. Bucles f o r vacíos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 6.7. Bucles anidados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 6.8. Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.9. Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.10. Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 6.11. Proyectos d 206 Capítulo7. Funciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 7.1. Conceptodefunción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 7.2. Estructuradeunafunción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 7.2.1. Nombre de una función . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 Contenido 229 230 230 230 23 1 23 1 23 1 23 1 232 232 234 234 236 236 237 237 238 238 239 240 243 244 245 247 249 250 25 I 254 1 1 1 235 1 i 1 1 ! E 7.2.2. Tipo de dato de retorno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.3. Resultados de una función 7.2.4. Llamada a una función . . . . 7.3. Prototipos de las funciones . . . . . . . I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.1. Prototipos con un número no . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ~ . . . . . . . . . . . . . ~ . . . . 7.4. Parámetros de una función . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4.3. Diferencias entre paso de variables por valor y por referencia . . . . . . . . . . 7.4.4. Parámetros cons t de una función . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6. Ámbito (alcance) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6.1. Ambito del programa . 7.6.2. Ambito del archivo fuente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6.3. Ambito de una función . . . . . . . 7.6.4. Ambito de bloque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6.5. Variables locales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.7.1. Variables automáticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.7.2. Variables externas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.7.3. Variables registro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.7.4. Variables estáticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . _ . . . . . . . . . . . . . . . 7.8. Concepto y uso de funcione a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.9.1. Comprobación alfabética y de dígitos 7.9.2. Funciones de prueba de caracteres espe 7.9.3. Funciones de conversión de caracteres . . . . . . . . . . 7.10.1. Funciones matemáticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.10.2. Funciones trigonométricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.10.3. Funciones logm’tmicas y exponenciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.10.4. Funciones aleatorias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.7. Clases de almacenamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.9. Funciones de carácter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.10. Funciones numéricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.13. Visibilidad de una función . . 7.13.1. Variables locales fren 7.13.2. Variables estáticas y automáticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.14. Compilación separada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.17. Resumen . . . . . . . . . . . . . . . 7.19. Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capítulo 8. Arrays (listas y tablas) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.2. Subíndices de un array 8.1.4. El tamaño de los arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.3. Almacenamiento en me 8.1.5. Verificación del rango s arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2. Iniciaiización de un array 8.3. Arrays de caracteres y cadenas de . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4. Arrays multidimensionales . . . . . 8.4.1. Inicialización de arrays mu 258 260 260 26 1 262 263 264 264 266 269 270 X Contenido 8.4.2. Acceso a los elementos de los arrays bidimensionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 8.4.3. Lectura y escritura de arrays bidimensionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 8.4.4. Acceso a elementos mediante bucles 8.4.5. Arrays de más de dos dimensiones . . . . . . . . . . 274 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4.6. Una aplicación práctica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 8.5. Utilización de arrays como parámetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 8.5.1. Precauciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5.2. Paso de cadenas como parámetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6.1. Algoritmo de la burbuja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 8.7. Búsqueda en listas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 8.8. Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.9. Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6. Ordenación de listas . . . . . . . . . . . . . 282 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.7.1. Búsqueda secuencia1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.10. Problemas . . . . . . . . . . . . . 291 Capítulo 9. Estructuras y uniones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1. Estructuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . de una estructura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1.2. Definición de variables de estructuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1.3. Uso de estructuras en asignaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1.4. Inicialización de una declaración de estructuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1.5. El tamaño de una estructura . . . . . . . . . . . . 9.2. Acceso a estructuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3.1. Ejemplo de estructuras anidadas . . . . . . 9.4. Arrays de estructuras . . . . . . . . . . . . 9.6. Uniones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.7. Enumeraciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.8. Campos de bit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.9. Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 296 297 297 298 299 300 300 300 302 302 303 304 307 308 309 3 10 31 1 314 314 315 319 320 32 1 Capítulo 10. Punteros (apuntadores) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322 10.1. Direcciones en memoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 10.2. Concepto de puntero (apuntador) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.1. Declaración de punteros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.2. Inicialización (iniciación . . . . . . . . . . . . . 327 10.2.3. Indirección de punteros 10.2.4. Punteros y verificación d 10.3. Punteros n u l l y void . . . . . . 10.4. Punteros a punteros . . . . . . . . . . . . . 331 10.5. Punteros y arrays . . . . . . . . . . . . . . . . 332 10.5.1. Nombres de arrays nteros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 10.5.2. Ventajas de los punteros . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.6.1. Inicialización de u . . . . . . . . 33.5 10.7. Punteros de cadenas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33.5 10.7.1. Punteros versus arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.6. Arrays de punteros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Contenido xiii 14.3.2. Puntero de cabecera y cola . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443 14.3.3. El puntero nulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444 14.3.4. El operador - > de selecció . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445 14.3.5. Construcción de una lista . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445 14.3.6. Insertar un elemento en una lista 447 14.3.7. Búsqueda de un elemento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453 14.3.8. Supresión de un nodo en una lista . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454 14.4. Lista doblemente enlazada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456 14.4.1. Declaración de una lista doblemente enlazada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.4.3. Supresión de un elemento en una lista doblemente enlazada . . . . . . . . . . . . 14.5. Listas circulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462 14.5.1. Insertar un elem en una lista circular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462 14.7. Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468 14.8. Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.4.2. Insertar un elemento en una lista doblemente enlazada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459 14.5.2. Supresión de un elemento en una lista circular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463 14.6. Resumen 467 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capítulo 15. Pilas y colas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.1. Concepto de pila . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.1.1. Especificaciones de una . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.2. El tipo pila implementado con arrays . . . . . 15.2.1. Especificación del tipo p i 1 a . . . . . 15.2.2. Implementación de las operaciones sobre pilas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.2.3. Operaciones de verificación del estado de la pila . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.3. Colas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.4. El tipo cola implementada con arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.4.1. Definición de la especificación de una cola 15.4.2. Especificación del tipo cola . . . . 15.4.3. Implementación del tipo cola . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.5.1. Declaración del tipo co la con listas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.4.4. Operaciones de la cola . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.5. Realización de una cola con una lista enlazada . . . . . . . . . . eraciones del tipo c o 1 a con listas . . . . . . . . . . . . . . 15.6. Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.7. Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.8. Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.5.2. Codificación de 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470 472 473 473 I 477 ' I 478 48 1 483 483 483 486 487 488 489 492 493 494 I 475 II I I 1 484 I I ..................... Capítulo 16. Árboles ~ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I 16.1. Árboles generales I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504 16.3.1. Equilibrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.4.1. Diferentes ti [I 16.3.2. Árboles binarios completos 16.4. Estructura de un árbol binario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e expresión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.7.2. Recomdo enorden . . . . . . 521 16.7.3. Recomdo postorden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525 xiv Contenido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528 16.9.1. Búsqueda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528 16.9.2. Insertar un nodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531 16.9.5. Recorridos de un árbol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535 . . . . . . . . . . . . . . . . 536 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.13. Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 540 . . . . . . . 542 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575 Apéndice C. Palabras reservadas de C++ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Apéndice D. Guía de sintaxis ANSIASO estándar C++ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Apéndice E. Biblioteca de funciones ANSI C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Apéndice F. Recursos (Libros/Revistas/URL de Interne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 713 ÍNDICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 727 PRÓLOGO INTRODUCCIÓN i Por qué un libro de C al principio del siglo X X I ? A pesar de haber cumplido ya sus bodas de plata (25 años de vida), C viaja con toda salud hacia los 30 años de edad que cumplirá el próximo año. Sigue siendo una de las mejores opciones para la programación de los sistemas actuales y el medio más efi- ciente de aprendizaje para emigrar a los lenguajes reina, por excelencia, en el mundo orientado a objetos y componentes y el mundo Web (C++, Java,. . .) que dominan el campo informático y de la computación. i Cuáles son las características que hacen tan popular a este lenguaje de programación e idóneo como primer lenguaje de programación en las carreras profesionales de programador (de aplicaciones y de sistemas) y del ingeniero de software? Podemos citar algunas muy sobresalientes: Es muy portable (transportable entre un gran número de plataformas hardware y plataformas sof- ware, sistemas operativos). Existen numerosos compiladores para todo tipo de plataformas sobre los que corrren los mismos programas fuentes o con ligeras modificaciones. Es versátil y de bajo nivel, por lo que es idóneo para tareas relativas a la programación del siste- ma. A pesar de ser un excelente lenguaje para programación de sistemas, es también un eficiente y potente lenguaje para aplicaciones de propósito general. Es un lenguaje pequeño, por lo que es relativamente fácil construir compiladores de C y además es también fácil de aprender. Todos los compiladores suelen incluir potentes y excelentes bibliotecas de funciones compatibles con el estándar ANSI. Los diferentes fabricantes suelen añadir a sus compiladores funcionalida- des diversas que aumentan la eficiencia y potencia de los mismos y constituye una notable venta- ja respecto a otros lenguajes. El lenguaje presenta una interjGaz excelente para los sistemas operativos Unix y Windows, junto con el ya acreditado Linux. Es un lenguaje muy utilizado para la construcción de: sistemas operativos, ensambladores, pro- gramas de comunicaciones, intérpretes de lenguajes, compiladores de lenguajes, editores de textos, bases de datos, utilidades, controladores de red, etc. Por todas estas razones y nuestra experiencia docente, decidimos escribir esta obra que, por otra par- te, pudiera completar nuestras otras obras de programación escritas para C++, Java, Turbo Pascal y Visual Basic. Basados en estas premisas este libro se ha escrito pensando en que pudiera servir de xv xviii Prólogo integrando gradualmente los nuevos conceptos que irá encontrando a medida que avance en la obra con los conceptos clásicos de C++. El libro pretende enseñar a programar utilizando dos conceptos funda- mentale s : 1. Algoritmos (conjunto de instrucciones programadas para resolver una tarea específica). 2. Datos (una colección de datos que se proporcionan a los algoritmos que se han de ejecutar para encontrar una solución: los datos se organizarán en estructuras de datos). Los dos primeros aspectos, algoritmos y datos, han permanecido invariables a lo largo de la corta his- toria de la informáticdcomputación, pero la interrelación entre ellos sí que ha variado y continuará haciéndolo. Esta interrelación se conoce como paradigma de programación. En el paradigma de programación procedimental @rocedural o por procedimientos) un problema se modela directamente mediante un conjunto de algoritmos. Un problema cualquiera, la nómina de una empresa o la gestión de ventas de un almacén, se representan como una serie de procedimientos que manipulan datos. Los datos se almacenan separadamente y se accede a ellos o bien mediante una posi- ción global o mediante parámetros en los procedimientos. Tres lenguajes de programación clásicos, FORTRAN, Pascal y C, han representado el arquetipo de la programación procedimental, también rela- cionada estrechamente y -a veces- conocida como programación estructurada. La programación con soporte en C++, proporciona el paradigma procedimental con un énfasis en funciones, plantillas de funciones y algoritmos genéricos. En la década de los setenta, el enfoque del diseño de programas se desplazó desde el paradigma pro- cedimental al orientado a objetos apoyado en los tipos abstractos de datos (TAD). En este paradigma un problema modela un conjunto de abstracciones de datos. En C++ estas abstracciones se conocen como clases. Las clases contienen un conjunto de instancias o ejemplares de la misma que se denominan obje- tos, de modo que un programa actúa como un conjunto de objetos que se relacionan entre sí. La gran diferencia entre ambos paradigmas reside en el hecho de que los algoritmos asociados con cada clase se conocen como interfaz pública de la clase y los datos se almacenan privadamente dentro de cada objeto de modo que el acceso a los datos está oculto al programa general y se gestionan a través de la interfaz. Así pues, en resumen, los objetivos fundamentales de esta obra son: introducción a la programación estructurada y estructuras de datos con el lenguaje estándar C de ANSVISO; otros objetivo comple- mentario es preparar al lector para su emigración a C++, para lo cual se han escrito dos apéndices com- pletos C y D que presentan una amplia referencia de palabras reservadas y una guía de sintaxis de C++ con el objeto de que el lector pueda convertir programas escritos en C a C++ (con la excepción de las propiedades de orientación a objetos que se salen fuera del ámbito de esta obra). EL LIBRO COMO HERRAMIENTA DOCENTE La experiencia de los autores desde hace muchos años con obras muy implantadas en el mundo uni- versitario como Programación en C++, Programación en Turbo Pascal (en su 3." edición), estructura de datos, Fundamentos de programación (en su 2." edición y en preparación la 3." edición) y Progra- mación en BASIC (que alcanzó tres ediciones y numerosísimas reimpresiones en la década de los ochen- ta), nos ha llevado a mantener la estructura de estas obras, actualizándola a los contenidos que se pre- vén para los estudiantes del futuro siglo XXI. Por ello en el contenido de la obra hemos tenido en cuenta no sólo las directrices de los planes de estudio españoles de ingeniería informática e ingeniería técnica informática (antiguas licenciaturas y diplomaturas en informática) y licenciaturas en ciencias de la com- putación, sino también de ingenierías tales como industriales, telecomunicaciones, agrónomos o minas, o las más recientes incorporadas, en España, como ingeniería en geodesia. Asímismo, en el diseño de la obra se han tenido en cuenta las directrices oficiales vigentes en España para la Formación Profesio- nal de Grado Superior; por ello se ha tratado de que el contenido de la obra contemple los programas propuestos para el ciclo de desarrollo de Aplicaciones Informáticas en el módulo de Programación en Lenguaje Estructurado; también se ha tratado en la medida de lo posible de que pueda servir de Prólogo xix referencia al ciclo de Administración de Sistemas Informúticos en el módulo de Fundamentos de Pro- gramación. Nuestro conocimiento del mundo educativo latinoamericano nos ha llevado a pensar también en las carreras de ingeniería de sistemas computacionales y las licenciaturas en informática y en sistemas de información, carreras hermanas de las citadas anteriormente. Por todo lo anterior, el contenido del libro intenta seguir un programa estándar de un primer curso de introducción a la programación y, según situaciones, un segundo curso de programación de nivel medio en asignaturas tales como Metodología de la Programación, Fundamentos de Programación, Introducción a la Programación, ... Asimismo, se ha buscado seguir las directrices emanadas de la ACM-IEEE para los cursos CS 1 y CS8 en los planes recomendados en los Computing Curricula de 1991 y las recomendaciones de los actuales Computing Curricula 2001 en las áreas de conocimiento Programming Fundamentals [PF,10] y Programming Languages [PL, 1 11, así como las vigentes en uni- versidades latinoamericanas que conocemos, y con las que tenemos relaciones profesionales. El contenido del libro abarca los citados programas y comienza con la introducción a los algoritmos y a laprogramación, para llegar a estructuras de datos. Por esta circunstancia la estructura del curso no ha de ser secuencia1 en su totalidad sino que el profesor/maestro y el alumno/lector podrán estudiar sus materias en el orden que consideren más oportuno. Ésta es la razón principal por la cual el libro se ha organizado en tres partes y en seis apéndices. Se trata de describir el paradigma más popular en el mundo de la programación: el procedimental y pre- parar al lector para su inmersión en el ya implantado paradigma orientado a objetos. Los cursos de pro- gramación en sus niveles inicial y medio están evolucionando para aprovechar las ventajas de nuevas y futuras tendencias en ingeniería de software y en diseño de lenguajes de programación, específicamente diseño y programación orientada a objetos. Algunas facultades y escuelas de ingenieros, junto con la nue- va formación profesional (ciclos formativos de nivel superior) en España y en Latinoamérica, están intro- duciendo a sus alumnos en la programación orientada a objetos, inmediatamente después del conocimiento de la programación estructurada, e incluso +n ocasiones antes-. Por esta razón, una metodología que se podría seguir sería impartir un curso defindamentos de programación seguido de estructuras de datos y luego seguir con un segundo nivel de programación avanzada que constituyen las tres partes del libro. Pensando en aquellos alumnos que deseen continuar su formación estudiando C++ se han escrito los apén- dices C y D, que les permita adaptarse fácilmente a las particularidades básicas de C++ y poder continuar sin esfuerzo la parte primera y avanzar con mayor rapidez a las siguientes partes del libro. CARACTER~STICAS IMPORTANTES DEL LIBRO Programación en C, utiliza los siguientes elementos clave para conseguir obtener el mayor rendimien- to del material incluido en sus diferentes capítulos: Contenido. Enumera los apartados descritos en el capítulo. Introducción. Abre el capítulo con una breve revisión de los puntos y objetivos más importantes que se tratarán y todo aquello que se puede esperar del mismo. Conceptos clave. Enumera los términos informáticos y de programación más notables que se tra- tarán en el capítulo. Descripción del capítulo. Explicación usual de los apartados correspondientes del capítulo. En cada capítulo se incluyen ejemplos y ejercicios resueltos. Los listados de los programas comple- tos o parciales se escriben en letra courier con la finalidad principal de que puedan ser identifica- dos fácilmente por el lector. Resumen del capítulo. Revisa los temas importantes que los estudiantes y lectores deben com- prender y recordar. Busca también ayudar a reforzar los conceptos clave que se han aprendido en el capítulo. XX Prólogo Ejercicios. Al final de cada capítulo se proporciona a los lectores una lista de ejercicios sencillos de modo que le sirvan de oportunidad para que puedan medir el avance experimentado mientras leen y siguen - e n su cas- las explicaciones del profesor relativas al capítulo. Problemas. Después del apartado Ejercicios, se añaden una serie de actividades y proyectos de programación que se le proponen al lector como tarea complementaria de los ejercicios y de un nivel de dificultad algo mayor. A lo largo de todo el libro se incluyen una serie de recuadros -sombreados o n o - que ofrecen al lector consejos, advertencias y reglas de uso del lenguaje y de técnicas de programación, con la finali- dad de que puedan ir asimilando conceptos prácticos de interés que les ayuden en el aprendizaje y cons- trucción de programas eficientes y de fácil lectura. 0 Recuadro. Conceptos importantes que el lector debe considerar durante el desarrollo del capítulo. 0 Consejo. Ideas, sugerencias, recomendaciones, ... al lector, con el objetivo de obtener el mayor ren- Precaución. Advertencia al lector para que tenga cuidado al hacer uso de los conceptos incluidos Reglas. Normas o ideas que el lector debe seguir preferentemente en el diseño y construcción de dimiento posible del lenguaje y de la programación. en el recuadro adjunto. sus programas. ORGANIZACI~N DEL LIBRO El libro se divide en tres partes que unidas constituyen un curso completo de programación en C. Dado que el conocimiento es acumulativo, los primeros capítulos proporcionan el fundamento conceptual para la comprensión y aprendizaje de C y una guía a los estudiantes a través de ejemplos y ejercicios sencillos y los capítulos posteriores presentan de modo progresivo la programación en C en detalle, en el paradigma procedimental. Los apéndices contienen un conjunto de temas importantes que incluyen desde guías de sintaxis de ANSYISO C, hasta o una biblioteca de funciones y clases, junto con una extensa bibliografía de algoritmos, estructura de datos, programación orientada a objetos y una amplia lista de sitios de Internet (URLs) donde el lector podrá complementar, ampliar y profundizar en el mun- do de la programación y en la introducción a la ingeniería de software. PARTE I. METODOLOGÍA DE LA PROGRAMACI~N Esta parte es un primer curso de programación para alumnos principiantes en asignaturas de intro- ducción a la programación en lenguajes estructurados. Esta parte sirve tanto para cursos de C como de C++ (en este caso con la ayuda de los apéndices C y D). Esta parte comienza con una introducción a la informática y a las ciencias de la computación como a la programación. Describe los elementos básicos constitutivos de un programa y las herramientas de programación utilizadas tales como algo- ritmos, diagramas de flujo, etc. Asimismo se incluye un curso del lenguaje C y técnicas de programa- ción que deberá emplear el lector en su aprendizaje de programación. La obra se estructura en tres partes: Metodologia de programación (conceptos básicos para el análisis, diseño y construcción de programas), Fundamentos de programación en C (sintaxis, reglas y criterios de construcción del len- guaje de programación C junto con temas específicos de C como punteros, arrays, cadenas,...), Estruc- tura de datos (en esta parte se analizan los archivos y las estructuras dinámicas de datos tales como lis- tas enlazadas, pilas, colas y árboles ). Completa la obra una serie de apéndices que buscan esencialmente proporcionar información complementaria de utilidad para el lector en su período de aprendizaje en programación en C, así como un pequeño curso de C++ en forma de palabras reser- vadas y guía de referencia de sintaxis que permita al lector emigrar al lenguaje C++ facilitándole para ello las reglas y normas necesarias para convertir programas escritos en C a programas escritos en C++. prólogo xxi i i Apéndice E. Biblioteca de funciones estándar ANSI C. Diccionario en orden alfabético de las fun- ciones estándar de la biblioteca estándar de ANSIASO C++, con indicación de la sintaxis del prototipo de cada función, una descripción de su misión junto con algunos ejemplos sencillos de la misma. Apéndice E Recursos de C (Libros, Revistas, URLS de Internet). Enumeración de los libros más sobre- salientes empleados por los autores en la escritura de esta obra, así como otras obras importantes com- plementarias que ayuden al lector que desee profundizar o ampliar aquellos conceptos que considere necesario conocer con más detenimiento. Asimismo se adjuntan direcciones de Internet importantes para el programador de C junto con las revistas más prestigiosas del sector informático y de computa- ción en el campo de programación. AGRADECIMIENTOS Un libro nunca es fruto único del autor, sobre todo si el libro está concebido como libro de texto y auto- aprendizaje, y pretende llegar a lectores y estudiantes de informática y de computación, y, en general, de ciencias e ingeniería, formación profesional de grado superior,. . . , así como autodidactas en asigna- turas relacionadas con la programación (introducción, fundamentos, avanzada, etc.). Esta obra no es una excepción a la regla y son muchas las personas que nos han ayudado a terminarla. En primer lugar nuestros colegas de la Universidad Pontijicia de Salamanca en el campus de Madrid, y en particular del Departamento de Lenguajes y Sistemas Informáticos e Ingeniería de Software de la misma que desde hace muchos años nos ayudan y colaboran en la impartición de las diferentes asignaturas del departa- mento y sobre todo en la elaboración de los programas y planes de estudio de las mismas. A todos ellos les agradecemos públicamente su apoyo y ayuda. Asimismo deseamos expresar nuestro agradecimiento a la innumerable cantidad de colegas (profe- sores y maestros) de universidades españolas y latinoamericanas que utilizan nuestros libros para su clases y laboratorios de prácticas. Estos colegas no sólo usan nuestros textos sino que nos hacen suge- rencias y nos dan consejos de cómo mejorarlos. Nos sería imposible citarlos a todos por lo que sólo podemos mostrar nuestro agradecimiento eterno por su apoyo continuo. De igual modo no podemos olvidarnos de la razón fundamentul de ser de este libro: los lectores. A ellos también mi agradecimiento eterno. A nuestros alumnos de España y Latinoamérica; a los que no siendo alumnos personales, lo son «virtuales» al saber que existen y que con sus lecturas, sus críticas, sus comentarios, hacen que sigamos trabajando pensando en ellos; y a los numerosos lectores profe- sionales o autodidactas que confian en nuestras obras y en particular en ésta. A todos ellos nuestro reco- nocimiento más sincero de gratitud. Además de estos compañeros en docencia, no puedo dejar de agradecer, una vez más, a nuestra edi- tora -y, sin embargo, amiga- Concha Fernandez, las constantes muestras de afecto y comprensión que siempre tiene, y ésta no ha sido una excepción, hacia nuestras personas y nuestra obra. Sus conti- nuos consejos, sugerencias y recomendaciones, siempre son acertadas y, además, fáciles de seguir; por si eso no fuera suficiente, siempre benefician a la obra. A riesgo de ser reiterativos, nuestro reconocimiento y agradecimiento eterno a todos: alumnos, lec- tores, colegas, profesores, maestros, monitores y editores. Gracias por vuestra inestimable e impagable ayuda. En Carchelejo, Jaén (Andalucía) y en Madrid, Febrero de 2001. Los autores P A R T E I METODOLOGÍA DE LA PROGRAMACI~N CAPíTULO 1 INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA DE LA COMPUTACIÓN Y A LA PROGRAMACIÓN CONTENIDO 1.1. ¿Qué es una computadora? 1.2. ¿Qué es programación? 1.3. Organización física de una 1.4. Algoritmos y programas. 1.6. Los lenguajes de programa- 1.6. El lenguaje C: historia y ca- 1.7. Resumen. ción. racterísticas. computadora. L 2 Introducción a la ciencia de la computación y a la programación 5 t Entrada de datos Salida de datos t Figura 1.2. Organización física de una computadora. Si a la organización física de la Figura 1.2 se le añaden los dispositivos para comunicación con la computadora, aparece la estructura típica de un sistema de computadora: dispositivos de entrada, dis- positivo de salida, memoria externa y el procesador/memoria central con su programa (Fig. 1.3). 1.2.1. Dispositivos de Entrada/Salida (E/S) Los dispositivos de EntraddSalida (E/S) [InputlOutput (UO, en inglés)] permiten la comunicación entre la computadora y el usuario. Los dispositivos de entrada, como su nombre indica, sirven para introdu- cir datos (información) en la computadora para su proceso. Los datos se leen de los dispositivos de entrada y se almacenan en la memoria central o interna. Los dispositivos de entrada convierten la infor- mación de entrada en señales eléctricas que se almacenan en la memoria central. Dispositivos de entra- da típicos son los teclados; otros son: lectores de tarjetas -ya en desuso-, lápices Ópticos, palan- cas de mando (joystick), lectores de códigos de barras, escáneres, micrófonos, etc. Hoy día tal vez el dispositivo de entrada más popular es el ratón (mouse) que mueve un puntero electrónico sobre la pantalla que facilita la interacción usuario-máquina2. Dispositivos de entrada - I 1 I UCP (Procesador) Unidad de 1 control I Memoria central I I I I Unidad aritmética y lógica Dispositivos de salida Memoria externa almacenamiento permanente Figura 1.3. Organización física de una computadora. ’ Todas las acciones a realizar por el usuario se realizarán con el ratón con la excepción de las que se requieren de la escri- tura de datos por teclado. 6 Programación en C. Metodología, algoritmos y estructura de datos Los dispositivos de salida permiten representar los resultados (salida) del proceso de los datos. El di+ positivo de salida típico es la pantalla (CRT)' o monitor. Otros dispositivos de salida son: impresoras (imprimen resultados en papel), trazadores gráficos (plotters), reconocedores de voz, altavoces, etc. El teclado y la pantalla constituyen -en muchas ocasiones- un Único dispositivo, denominado terminal. Un teclado de terminal es similar al teclado de una máquina de escribir moderna con la dife- rencia de algunas teclas extras que tiene el terminal para funciones especiales. Si está utilizando una computadora personal, el teclado y el monitor son dispositivos independientes conectados a la compu- tadora por cables. En ocasiones a la impresora se la conoce como dispositivo de copia dura («hard copy»), debido a que la escritura en la impresora es una copia permanente (dura) de la salida, y a la pantalla se le denomina en contraste: dispositivo de copia blanda (eso$ copy»), ya que se pierde la pantalla actual cuando se visualiLa la siguiente. Los dispositivos de entraddsalida y los dispositivos de almacenamiento secundario o auxiliar (memoria externa) se conocen también con el nombre de di.sposirivci.\ perlféricos o simplemente peri- féricos ya que, normalmente, son externos a la computadora. Estos dispositivos son unidad de discos (disquetes, CD-ROM, DVDs, cintas, videocámaras,etc.). Figura 1.4. Dispositivo de salida (impresora) 1.2.2. La memoria central (interna) La memoria central o simplemente memoria (interna o principal) se utiliza para almacenar informa- ción (RAM, Random Access Memory). En general, la información almacenada en memoria puede ser de dos tipos: las instrucciones de un programa y los duros con los que operan las instrucciones. Por ejemplo, para que un programa se pueda ejecutar (correr, rodar, funcionar.. ., en inglés run), debe ser situado en la memoria central, en una operación denominada carga (load) del programa. Después, cuan- do se ejecuta (se realiza, funciona) el programa, cualquier dato u procesur por el programa se debe lle- var a la memoria mediante las instrucciones del programa. En la memoria central, hay también datos diversos y espacio de almacenamiento temporal que necesita el programa cuando se ejecuta con él a fin de poder funcionar. Introducción a la ciencia de la computación y a la programación 7 Cuando un programa se ejecuta (realiza, funciona) en una computadora, se dice que se ejecuta. Con el objetivo de que el procesador pueda obtener los datos de la memoria central más rápida- mente, la mayoría de los procesadores actuales (muy rápido\) utilitan con frecuencia una memoriu denominada cuche‘que sirva para almacenamiento intermedio de datos entre el procesador y la memo- ria principal La memoria caché -en la actualidad- \e incorpora casi siempre al procesador. La memoria central de una computadora es una zona de almacenamiento organizada en centenares o millares de unidades de almacenamiento individual o celdas. La memoria central consta de un con- junto de (*eldar úe memoria (estas celdas o posiciones de memoria se denominan también palahms, aunque no «guardan» analogía con las palabras del lenguaje). El número de celdas de memoria de la memoria central, dependiendo del tipo y inodelo de computadora; hoy día el número suele ser millones (32.64, 128, etc.) Cada celda de ineinoria consta de un cierto número de bits (normalmente 8, un hite). La unidad elemental de memoria se llama byte (octeto). Un h\te tiene la capacidad de almacenar un carácter de información, y está formado por un conjunto de unidades más pequeñas de almacenamien- to denominadas hifv, que son dígitos binarim (O o 1 ). Figura 1.5. Computadora portátil digital. Generalinente. se acepta que un byte contiene ocho bits. Por umigiitente, si \e desea almacenar la frase la computadora utili/ará exactamente 27 byte\ conscculivos de iTictnoria. Obsérvese que, además de las letras, existen cuatro espacios en blanco y u n punto ( u n espacio es un carácter que emplea también un byte). De modo similar, el número del pasaporte 1’5 4 d / t ! i I ocupará 9 bytes. pero si se almacena como 1 5 148 /891 10 Programación en C. Metodología, algoritmos y estructura de datos La UCP consta de dos componentes: unidad de control (UC) y unidad aritmético-16gicu (UAL) (Fig. I .7). La unidad de control (Control Unit, CU) coordina las actividades de la computadora y deter- mina qué operaciones se deben realizar y en qué orden; asimismo controla y sincroniza todo el proce- so de la computadora. La unidad aritmético-lógica (Aritmethic-Logic Unit, ALU) realiza operaciones aritméticas y Iógi- cas, tales como suma, resta, multiplicación, división y comparaciones. Los datos en la memoria central se pueden leer (recuperar) o escribir (cambiar) por la UCP. 1.2.4. El microprocesador El microprocesador es un chip (un circuito integrado) que controla y realiza las funciones y opera- ciones con los datos. Se suele conocer como procesador y es el cerebro y corazón de la computadora. En realidad el microprocesador representa a la Unidad Central de Proceso. La velocidad de un microprocesador se mide en megahercios (MHz) y manipulan palabras de 4 a 64 bits. Los microprocesadores históricos van desde el 8080 hasta el 80486/80586 pasando por el 8086, 8088,80286 y 80386, todos ellos del fabricante Intel. Existen otras empresas como AMD y Cyrix, con modelos similares. Los microprocesadores de segunda generación de Intel son los Pentium, Pentium MMX, Pentium I1 con velocidades de 233,266,300 y 450 MHz. Los microprocesadores más modernos (de 3.” generación) son los Pentium 111 con frecuencias de 450 hasta 1 GHz. La guerra de los microprocesadores se centró en el año 2000 en torno a AMD, que ofrecen ya pro- cesadores Athlon de 1 GHz y de I .2 GHz. Intel presentó a finales de noviembre de 2000 su nueva arqui- tectura Pentium TV -la generación siguiente a la familia x86-, que ofrecen chips de velocidades de 1.3. 1.4 y 1.5 GHz y anuncian velocidades de hasta 2 GHz. Unidad de control principal Dispositivos de entrada v Unidad aritmético y lógica Dispositivos Dispositivos de salida de €IS I Microprocesador Figura 1.8. Organización física de una computadora con un microprocesador. 1.2.5. Memoria auxiliar (externa) Cuando un programa se ejecuta, se debe situar primero en memoria central de igual modo que los datos. Sin embargo, la información almacenada en la memoria se pierde (borra) cuando se apaga (desconec- ta de la red eléctrica) la computadora y, por otra parte, la memoria central es limitada en capacidad. Por - Introducción a la ciencia de la computación y a la programación 11 esta razón, para poder disponer de almacenamiento permanente, tanto para programas como para datos, se necesitan dispositivos de almacenamiento secundario, auxiliar o masivo («mass storage», o «secon- dary storage»). Los dispositivos de almacenamiento o memorias auxiliares (externas o secundarias) más común- mente utilizados son: cintas magnéticas, discos magnéticos, discos compactos (CD-ROM Compact Disk Read Only Memory), y videodiscos digitales (DVD). Las cintas son utilizadas principalmente por sistemas de computadoras grandes similares a las utilizadas en los equipos de audio. Los discos y dis- quetes magnéticos se utilizan por todas las computadoras, especialmente las medias y pequeñas -las computadoras personales-. Los discos pueden ser duros, de gran capacidad de almacenamiento (su capacidad mínima es de 10 Mb), disquetes o discosflexibles (<díoppy disk») (360 Kb a 1,44 Mb). El tamaño físico de los disquetes y por el que son conocidos es de 5 '/J (5,25)", 3'/2 (3,5)". Las dos caras de los discos se utilizan para almacenar información. La capacidad de almacenamiento varía en función de la intensidad de su capa ferromagnética y pueden ser de doble densidad (DD) o de alta densidad (HD). El disquete normal suele ser de 3,5" y de 1,44 Mb de capacidad. Figura 1.9. Memorias auxiliares: Unidad y lector ZIP de 100 Mb. Otro dispositivo cada vez más utilizado en una computadora es el CD-ROM (Cumpacf Disk) que es un disco de gran capacidad de almacenamiento (650 Mb) merced a la técnica utilizada que es el láser. El videodisco digital (DVD) es otro disco compacto de gran capacidad de almacenamiento (equivale a 26 CD-ROM) que por ahora es de 4,7 Gb. Existen unos tipos de discos que se almacenan en unas unidades especiales denominadas zip que tie- nen gran capacidad de almacenamiento comparada con los disquetes tradicionales de l .44 Mb. Estos dis- quetes son capaces de almacenar 100 Mb. La información almacenada en la memoria central es volátil (desaparece cuando se apaga la com- putadora) y la información almacenada en la memoria auxiliar es permanente. Esta información se organiza en unidades independientes llamadas archivos (ficheros, file en inglés). Los resultados de los programas se pueden guardar como archivos de datos y los programas que se escriben se guardan como archivos de programas, ambos en la memoria auxiliar. Cualquier tipo de archivo se puede transferir fácilmente desde la memoria auxiliar hasta la memoria central para su proceso posterior. En el campo de las computadoras es frecuente utilizar la palabra memoria y almacenamiento o memoria externa, indistintamente. En este libro -y recomendamos su uso- se utilizará el término memoria sólo para referirse a la memoria central. 12 Programación en C. Metodología, algoritmos y estructura de datos Comparación de la memoria central y la memoria auxiliar La memoria central o principal es mucho más rápida y cara que la memoria auxiliar. Se deben transferir los datos desde la memoria auxiliar hasta la memoria central, antes de que puedan ser procesados. Los datos en memoria central son: volátiles y desaparecen cuando se apaga la com- putadora. Los datos en memoria auxiliar son permanentes y no desaparecen cuando se apaga la computadora. Las computadoras modernas necesitan comunicarse con otras computadoras. Si la computadora se conecta con una tarjeta de red se puede conectar a una red de datos locales (red de área local). De este modo se puede acceder y compartir a cada una de las memorias de disco y otros dispositivos de entra- da y salida. Si la computadora tiene un rncídem, se puede comunicar con computadoras distantes. Se pueden conectar a una red de datos o enviar correa electrhnica a través de las redes corporativas Intra- nemxtranet o la propia red Internet. También es posible enviar y recibir mensajes de fax. 1.2.6. Proceso de ejecución de un programa La Figura 1.1 O muestra la comunicación en una computadora cuando se ejecuta un programa, a través de los dispositivos de entrada y salida. El ratón y el teclado introducen datos en la memoria central cuando se ejecuta el programa. Los datos intermedios o auxiliares se transfieren desde la unidad de dis- co (archivo) a la pantalla y a la unidad de disco, a medida que se ejecuta el programa. Monitor Ratbn Impresora lbser i=-=I Unidad de central & Memoria Teclado Figura 1.10. Proceso de ejecución de un programa. 1.2.7. Comunicaciones: módems, redes, telefonía RDSl y ADSL Una de las posibilidades más interesantes de las computadoras es la comunicación entre ellas, cuando se encuentran en sitios separados físicamente,y se encuentran enlazadas por vía telefónica. Estas com- putadoras se conectan en redes LAN (Red de Area Local) y WAN (Red de Area Ancha), aunque hoy día, las redes más implantadas son las redes que se conectan con tecnología Internet, y, por tanto, conexión a la red Internet. Estas redes son Zntranef y Extranet, y se conocen como redes corporativas, ya que enlazan computadoras de los empleados con las empresas. Las instalaciones de las comunicaciones requieren de líneas telefónicas analógicas o digitales y de módems. Introducción a la ciencia de la computación y a la programación 15 1.3. CONCEPTO DE ALGORITMO El objetivo fundamental de este texto es enseñar a resolver problemas mediante una computadora. El programador de computadora es antes que nada una persona que resuelve problemas, por lo que para Ile- gar a ser un programador eficaz se necesita aprender a resolver problemas de un modo riguroso y sis- temático. A lo largo de todo este libro nos referiremos a la metodología necesaria para resolver pro- blemas mediante programas, concepto que se denomina metodología de la programación. El eje central de esta metodología es el concepto, ya tratado, de algoritmo. Un algoritmo es un método para resolver un problema. Aunque la popularización del término ha Ile- gado con el advenimiento de la era informhtica, algoritmo proviene de Mohammed al-KhoW¿irizmi, matemático persa que vivió durante el siglo I X y alcanzó gran reputación por el enunciado de las reglas paso a paso para sumar, restar, multiplicar y dividir números decimales; la traducción al latín del ape- llido en la palabra algorismus derivó posteriormente en algoritmo. Euclides, el gran matemático griego (del siglo IV a.c.) que inventó un método para encontrar el máximo común divisor de dos números, se considera con Al-Khowirizmi el otro gran padre de la algoritmia (ciencia que trata de los algoritmos). El profesor Niklaus Wirth -inventor de Pascal, Modula-2 y Oberon- tituló uno de sus más famo- sos libros, Algoritmos + Estructuras de datos = Programas, significándonos que sólo se puede llegar a realizar un buen programa con el diseño de un algoritmo y una correcta estructura de datos. Esta ecua- ción será una de las hipótesis fundamentales consideradas en esta obra. La resolución de un problema exige el diseño de un algoritmo que resuelva el problema propuesto. I I I I I I Problema Diseño del algoritmo Programa de computadora I I I I Figura 1.13. Resolución de un problema. Los pasos para la resolución de un problema son: I . Diseño del algoritmo que describe la secuencia ordenada de pasos -sin ambigüedades- que conducen a la solución de un problema dado. (Andisis del problema y desarrollo del algorit- mo.) Expresar el algoritmo como un programa en un lenguaje de programación adecuado. (Fase de codificación.) Ejecución y validación del programa por la computadora. 2. 3 . Para llegar a la realización de un programa es necesario el diseño previo de un algoritmo, de modo que sin algoritmo no puede existir un programa. Los algoritmos son independientes tanto del lenguaje de programación en que se expresan como de la computadora que los ejecuta. En cada problema el algoritmo se puede expresar en un lenguaje dife- rente de programación y ejecutarse en una computadora distinta; sin embargo, el algoritmo será siem- pre el mismo. Así, por ejemplo, en una analogía con la vida diaria, una receta de un plato de cocina se puede expresar en español, inglés o francés, pero cualquiera que sea el lenguaje, los pasos para la ela- boración del plato se realizarán sin importar el idioma del cocinero. En la ciencia de la computación y en la programación, los algoritmos son más importantes que los lenguajes de programación o las computadoras. Un lenguaje de programación es tan sólo un medio para expresar un algoritmo y una computadora es sólo un procesador para ejecutarlo. Tanto el lenguaje de programación como la computadora son los medios para obtener un fin: conseguir que el algoritmo se ejecute y se efectúe el proceso correspondiente. 16 Programación en C. Metodología, algoritmos y estructura de datos Dada la importancia del algoritmo en la ciencia de la computación, un aspecto muy importante será el diseño de algoritmos. A la enseñanza y práctica de esta tarea se dedica gran parte de este libro. El diseño de la mayoría de los algoritmos requiere creatividad y conocimientos profundos de la téc- nica de la programación. En esencia, la solución de un problema se puede expresar mediante un algo- ritmo. 1.3.1. Características de los algoritmos Las características fundamentales que debe cumplir todo algoritmo son: Un algoritmo debe ser preciso e indicar el orden de realización de cada paso. Un algoritmo debe estar definido. Si se sigue un algoritmo dos veces, se debe obtener el mismo Un algoritmo debe ser$nito. Si se sigue un algoritmo, se debe terminar en algún momento; o sea, La definición de un algoritmo debe describir tres partes: Entrada, Proceso y Salida. En el algorit- mo de receta de cocina citado anteriormente se tendrá: Entrada: ingredientes y utensilios empleados. Proceso: elaboración de la receta en la cocina. Salida: terminación del plato (por ejemplo, cordero). resultado cada vez. debe tener un número finito de pasos. Ejemplo 1.1 Un cliente ejecuta un pedido u una fábrica. La fábrica examina en su banco de datos la ficha del clien- te, si el cliente es solvente entonces la empresa acepta el pedido; en caso contrario, rechazará el pedi- do. Redactar el algoritmo correspondiente. Los pasos del algoritmo son: 1. Inicio. 2. Leer el pedido. 3. Examinar la ficha del cliente. 4. Si el cliente es solvente, aceptar pedido; en caso contrario, recha 5. Fin. zar pedido. Ejemplo 1.2 Se desea diseñar un algoritmo para saber si un número es primo o no. Un número es primo si sólo puede dividirse por sí mismo y por la unidad (es decir, no tiene más divi- sores que él mismo y la unidad). Por ejemplo, 9 ,8 ,6 ,4 , 12, 16,20, etc., no son primos, ya que son divi- sibles por números distintos a ellos mismos y a la unidad. Así, 9 es divisible por 3, 8 lo es por 2, etc. El algoritmo de resolución del problema pasa por dividir sucesivamente el número por 2, 3 , 4 ..., etc. 1. Inicio. 2. Poner X igual a 2 (X = 2, X variable que representa a los divisores del 3. Dividir N por X (N/X). 4. Si el resultado de N / X es entero, entonces N no es un número primo y 5. Suma 1 a X (X c X + 1). número que se busca N). bifurcar al punto 7; en caso contrario, continuar el proceso. Introducción a la ciencia de la computación y a la programación 17 6. Si X es igual a N, entonces N es un número primo; en caso contrario, 7. Fin. bifurcar al punto 3. Por ejemplo, si N es 1 3 1, los pasos anteriores serían: 1. Inicio. 2. x = 2. 3. 131/X. Como el resultado no es entero, se continúa el proceso. 5. X t 2 + 1, luego X = 3. 6. Como X no es 131, se bifurca al punto 3. 3. 131/X resultado no es entero. 5. x t 3 + 1, x = 4. 6. Como X no es 131 bifurca al punto 3. 3. 131/X . . . , etc. 7. Fin. Ejemplo 1.3 Realizar la suma de todos los números pares entre 2 y 1000. y NUMERO (variables, serán denominadas más tarde) para representar las sumas sucesivas ( 2 +4 ( 2 + 4 + 6 ) , ( 2 + 4 + 6 + 8 ) , etc. La solución se puede escribir con el siguiente algoritmo: El problema consiste en sumar 2 + 4 + 6 + 8 . . . + 1000 . Utilizaremos las palabras SUMA , 1. Inicio. 2. Establecer SUMA a O. 3. Establecer NUMERO a 2. 4. Sumar NUMERO a SUMA. El resultado será el nuevo valor de la suma (SUMA). 5. Incrementar NUMERO en 2 unidades. 6. Si NUMERO =< 1000 bifurcar al paso 4 ; en caso contrario, escribir el 7. Fin. ultimo valor de SUMA y terminar el proceso. 1.4. EL SOFTWARE (LOS PROGRAMAS) Las operaciones que debe realizar el hardware son especificadas por una lista de instrucciones, Ilama- das programas, o software. El software se divide en dos grandes grupos: sofnvare del sistema y softwa- re de aplicaciones. El software del sistema es el conjunto de programas indispensables para que la máquina funcione; se denominan también programas del sistema. Estos programas son, básicamente, el sistema operativo, los editores de texto, los compiladores/intérpretes (lenguajes de programación) y los programas de utilidad. Uno de los programas más importante es el sistema operativo, que sirve, esencialmente, para faci- litar la escritura y uso de sus propios programas. El sistema operativo dirige las operaciones globales de la computadora, instruye a la computadora para ejecutar otros programas y controla el almacenamien- to y recuperación de archivos (programas y datos) de cintas y discos. Gracias al sistema operativo es posible que el programador pueda introducir y grabar nuevos programas, así como instruir a la compu- tadora para que los ejecute. Los sistemas operativos pueden ser: monousuarios (un solo usuario) y mul- tiusuarios, o tiempo compartido (diferentes usuarios), atendiendo al número de usuarios y monocarga (una sola tarea) o multitarea (múltiples tareas) según las tareas (procesos) que puede realizar simultá- neamente. C corre prácticamente en todos los sistemas operativos, Windows 95, Windows NT, Win- dows 2000, UNIX, Lynux.. ., y en casi todas las computadoras personales actuales PC, Mac, Sun, etc. Los lenguajes de programación sirven para escribir programas que permitan la comunicación usua- rio/máquina. Unos programas especiales llamados traductores (compiladores o intérpretes) convier- P 20 Programación en C. Metodología, algoritmos y estructura de datos Los principales tipos de lenguajes utilizados en la actualidad son tres: Lenguajes máquina. Lenguaje de bajo nivel (ensamblador). Lenguajes de alto nivel. 1.5.1. Instrucciones a la computadora Los diferentes pasos (acciones) de un algoritmo se expresan en los programas como instrucciones, sen- tencias o proposiciones (normalmente el término instrucción se suele referir a los lenguajes máquina y bajo nivel, reservando la sentencia o proposición para los lenguajes de alto nivel). Por consiguiente, un programa consta de una secuencia de instrucciones, cada una de las cuales especifica ciertas operacio- nes que debe ejecutar la computadora. La elaboración de un programa requerirá conocer el juego o repertorio de instrucciones del lengua- je. Aunque en el Capítulo 3 se analizarán con más detalle las instrucciones, adelantaremos los tipos fun- damentales de instrucciones que una computadora es capaz de manipular y ejecutar. Las instrucciones básicas y comunes a casi todos los lenguajes de programación se pueden condensar en cuatro grupos: Instrucciones de enrraúdsalidu. Instrucciones de transferencia de información y datos entre dis- lnstrucciones aritmético-lógicas. Instrucciones que ejecutan operaciones aritméticas (suma, res- Instrucciones selectivas. Instrucciones que permiten la selección de tareas alternativas en función 0 Instrucciones repetitivas. Instrucciones que permiten la repetición de secuencias de instruccio- positivos periféricos (teclado, impresora, unidad de disco, etc.) y la memoria central. ta, multiplicación, división, potenciación), lógicas (operaciones and, o r , n o t , etc.). de los resultados de diferentes expresiones condicionales. nes un número determinado de veces. 1.5.2. Lenguajes máquina Los lenguajes máquina son aquellos que están escritos en lenguajes directamente inteligibles por la máquina (computadora), ya que sus instrucciones son cadenas binarias (cadenas o series de caracteres -dígitos- O y 1) que especifican una operación, y las posiciones (dirección) de memoria implicadas en la operación se denominan instrucciones de máquina o código máquina. El código máquina es el conocido código binario. Las instrucciones en lenguaje máquina dependen del hardware de la computadora y, por tanto, dife- rirán de una computadora a otra. El lenguaje máquina de un PC (computadora personal) será diferente de un sistema HP (Hewlett Packard), Compaq o un sistema de IBM. Las ventajas de programar en lenguaje máquina son la posibilidad de cargar (transferir un progra- ma a la memoria) sin necesidad de traducción posterior, lo que supone una velocidad de ejecución supe- rior a cualquier otro lenguaje de programación. Los inconvenientes -en la actualidad- superan a las ventajas, lo que hace prácticamente no reco- mendables los lenguajes máquina. Estos inconvenientes son: Dificultad y lentitud en la codificación. Poca fiabilidad. Dificultad grande de verificar y poner a punto los programas. Los programas sólo son ejecutables en el mismo procesador (UPC, ünidad Central de Proceso). Para evitar los lenguajes máquina, desde el punto de vista del usuario, se han creado otros lengua- jes que permiten escribir programas con instrucciones similares al lenguaje humano (por desgracia casi siempre inglés, aunque existen raras excepciones, como es el caso de las versiones españolas del len- guaje LOGO). Estos lenguajes se denominan de alto y hujo nivel. Introducción a la ciencia de la computación y a la programación 21 1.5.3. Lenguajes de bajo nivel Los lenguajes de bajo nivel son más fáciles de utilizar que los lenguajes máquina, pero, al igual, que ellos, dependen de la máquina en particular. El lenguaje de bajo nivel por excelencia es el ensumhlacfor (assembly languuje). Las instrucciones en lenguaje ensamblador son instrucciones conocidas como nernotécnicos (mnemonics). Por ejemplo, nemotécnicos típicos de operaciones aritméticas son: en inglés, ADD, SUB, D I V , etc.; en español, SUM, RES , DIV, etc. Una instrucción típica de suma sería: ADD M, N, P Esta instrucción podía significar «.sutnar el número contenido e ~ i la posicicín de memoria M u1 niime- ro almacenado en la posicicín de memoria N y situar el resultado en la posicicín de memoria P ». Evi- dentemente, es mucho más sencillo recordar la instrucción anterior con un nemotécnico que su equiva- lente en código máquina: 0110 1001 1010 1011 Un programa escrito en lenguaje ensamblador no puede ser ejecutado directamente por la coinpu- tadora -en esto se diferencia esencialmente del lenguaje máquina-, sino que requiere una fase de tra- duccicín al lenguaje máquina. El programa original escrito en lenguaje ensamblador se denomina programa fuente y el programa traducido en lenguaje máquina se conoce como programa objero, ya directamente inteligible por la computadora. El traductor de programas fuente a objeto es un programa llamado ensamhludor (assemhler), existente en casi todas las computadoras (Fig. 1.18). No se debe confundir -aunque en español adoptan el mismo nombre- el programa ensamhlador (assembler), encargado de efectuar la traducción del programa fuente escrito a lenguaje máquina, con el lenguaje ensamhlador (assembly languaje), lenguaje de programación con una estructura y graináti- ca definidas. Los lenguajes ensambladores presentan la ventuju frente a los lenguajes máquina de su mayor faci- lidad de codificación y, en general, su velocidad de cálculo. Programa fuente en ensam blador (assembly) 3rna oDjero en iáquina I Figura 1.18. Programa ensamblador. Los inconvenientes más notables de los lenguajes ensambladores son: Dependencia total de la máquina, lo que impide la transportabilidad de los programas (posibili- dad de ejecutar un programa en diferentes máquinas). El lenguaje ensamblador del PC es distin- to del lenguaje ensamblador del Apple Macintosh. La formación de los programas es más compleja que la correspondiente a los programadores de alto nivel, ya que exige no sólo las técnicas de programación, sino también el conocimiento del interior de la máquina. Hoy día los lenguajes ensambladores tiene sus aplicaciones muy reducidas en la programación de aplicaciones y se centran en aplicaciones de tiempo real, control de procesos y de dispositivos electró- nicos, etc. 22 Programación en C. Metodología, algoritmos y estructura de datos 1.5.4. Lenguajes de alto nivel Los lenguajes de alto nivel son los más utilizados por los programadores. Están diseñados para que las personas escriban y entiendan los programas de un modo mucho más fácil que los lenguajes máquina y ensambladores. Otra razón es que un programa escrito en lenguaje de alto nivel es independiente de la máquina; esto es, las instrucciones del programa de la computadora no dependen del diseño del hurdware o de una computadora en particular. En consecuencia, los programas escritos en lenguaje de alto nivel son portables o transportables, lo que significa la posibilidad de poder ser ejecutados con poca o ninguna modificación en diferentes tipos de computadoras; al contrario que los programas en lenguaje máquina o ensamblador, que sólo se pueden ejecutar en un determinado tipo de compu- tadora. Los lenguajes de alto nivel presentan las siguientes ventajas: El tiempo de formación de los programadores es relativamente corto comparado con otros len- La escritura de programas se basa en reglas sintácticas similares a los lenguajes humanos. Nom- Las modificaciones y puestas a punto de los programas son más fáciles. Reducción del coste de los programas. Transportabilidad. Los inconvenientes se concretan en: guajes. bres de las instrucciones, tales como RE A D , WRITE:, PRINT, OPEN, etc. Incremento del tiempo de puesta a punto, al necesitarse diferentes traducciones del programa No se aprovechan los recursos internos de la máquina, que se explotan mucho mejor en lengua- Aumento de la ocupación de memoria. El tiempo de ejecución de los programas es mucho mayor. AI igual que sucede con los lenguajes ensambladores, los programas fuente tienen que ser traduci- Los lenguajes de programación de alto nivel existentes hoy son muy numerosos aunque la práctica C C++ # COBOL FORTRAN Pascal Visual BASIC Java fuente para conseguir el programa definitivo. jes máquina y ensambladores. dos por los programas traductores, llamados en este caso compiladores e intérpretes. demuestra que su uso mayoritario se reduce a están muy extendidos: Ada-95 Modula-2 Prolog LISP Smalltalk Eiffel son de gran uso en el mundo profesional: Borland Delphi C++ Builder Power Builder Aunque hoy día el mundo Internet consume gran cantidad de recursos en forma de lenguajes de programación tales como HTML, XML, JavaScript,. . . 1.5.5. Traductores de lenguaje Los traducrores de lenguaje son programas que traducen a su vez los programas fuente escritos en len- guajes de alto nivel a código máquina. Introducción a la ciencia de la computación y a la programación 1.6. EL LENGUAJE C: HISTORIA Y CARACTERISTICAS C es el lenguaje de programación de propósito general asociado, de modo universal, al sistema opera- tivo UNIX. Sin embargo, la popularidad, eficacia y potencia de C, se ha producido porque este lengua- je no está prácticamente asociado a ningún sistema operativo, ni a ninguna máquina, en especial. Ésta es la razón fundamental, por la cual C, es conocido como el lenguaje de programación de sistemas, por excelencia. C es una evolución de los lenguajes BCPL -desarrollado por Martin Richards- y B -desarro- llado por Ken Thompson en 1970- para el primitivo UNIX de la computadora DEC PDP-7. C nació realmente en 1978, con la publicación de The C Programming Languaje, por Brian Ker- nighan y Dennis Ritchie (Prentice Hall, 1978). Desde su nacimiento, C fue creciendo en popularidad y los sucesivos cambios en el lenguaje a lo largo de los años junto a la creación de compiladores por gru- pos no involucrados en su diseño, hicieron necesario pensar en la estandarización de la definición del lenguaje C. Así, en 1983, el American National Estándar Institute (ANSI), una organización internacional de estandarización, creó un comité (el denominado X3J11) cuya tarea fundamental consistía en hacer «una definición no ambigua del lenguaje C, e independiente de la máquina». Había nacido el estándar ANSI del lenguaje C. Con esta definición de C se asegura que cualquier fabricante de software que vende un compilador ANSI C incorpora todas las características del lenguaje, especificadas por el estándar. Esto significa también que los programadores que escriban programas en C estándar tendrán la seguridad de que correrán sus modificaciones en cualquier sistema que tenga un compilador C. C es un lenguaje de alto nivel, que permite programar con instrucciones de lenguaje de propósito general. También, C se define como un lenguaje de programación estructurado de propósito general; aunque en su diseño también primó el hecho de que fuera especificado como un lenguaje de progra- mación de Sistemas, lo que proporciona una enorme cantidad de potencia y flexibilidad. El estándar ANSI C formaliza construcciones no propuestas en la primera versión de C, en especial, asignación de estructuras y enumeraciones. Entre otras aportaciones, se definió esencialmente, una nue- va forma de declaración de funciones (prototipos). Pero, es esencialmente la biblioteca estándar de fun- ciones, otra de las grandes aportaciones. Hoy, en el siglo XXI, C sigue siendo uno de los lenguajes de programación más utilizados en la industria del software, así como en institutos tecnológicos, escuelas de ingeniería y universidades. Prác- ticamente todos los fabricantes de sistemas operativos, UNIX, LINUX, MacOS, SOLARIS, ... soportan diferentes tipos de compiladores de lenguaje C. 1.6.1. Ventajas de C El lenguaje C tiene una gran cantidad de ventajas sobre otros lenguajes, y son, precisamente la razón fundamental de que después de casi dos décadas de uso, C siga siendo uno de los lenguajes más popu- lares y utilizados en empresas, organizaciones y fábricas de software de todo el mundo. Algunas ventajas que justifican el uso todavía creciente del lenguaje C en la programación de com- putadoras son: El lenguaje C es poderoso y flexible, con órdenes, operaciones y funciones de biblioteca que se pueden utilizar para escribir la mayoría de los programas que corren en la computadora. C se utiliza por programadores profesionales para desarrollar software en la mayoría de los modernos sistemas de computadora. Se puede utilizar C para desarrollar sistemas operativos, compiladores, sistemas de tiempo real y aplicaciones de comunicaciones. Un programa C puede ser escrito para un tipo de computadora y trasladarse a otra computadora con pocas o ninguna modificación -propiedad conocida como portabilidad-. El hecho de que C sea portable es importante ya que la mayoría de los modernos computadores tienen un compi- 26 Programación en C. Metodología, algoritmos y estructura de datos lador C , una vez que se aprende C no tiene que aprenderse un nuevo lenguaje cuando se escriba un programa para otro tipo de computadora. No es necesario reescribir un problema para ejecu- tarse en otra computadora. C se caracteriza por su velocidad de ejecución. En los primeros días de la informática, los proble- mas de tiempo de ejecución se resolvían escribiendo todo o parte de una aplicación en lenguaje ensam- blador (lenguaje muy cercano al lenguaje máquina). Debido a que existen muchos programas escritos en C, se han creado numerosas bibliotecas C para programadores profesionales que soportan gran variedad de aplicaciones. Existen bibliotecas del len- guaje C que soportan aplicaciones de bases de datos, gráficos, edición de texto, comunicaciones, etc. 1.6.2. Características técnicas de C Hay numerosas características que diferencian a C de otros lenguajes y lo hacen eficiente y potente a la vez. Una nueva sintaxis para declarar funciones. Una declaración de función puede añadir una des- cripción de los argumentos de la función. Esta información adicional sirve para que los compila- dores detecten más fácilmente los errores causados por argumentos que no coinciden. Asignación de estructuras (registros) y enumeraciones. Preprocesador más sofisticado. Una nueva definición de la biblioteca que acompaña a C. Entre otras funciones se incluyen: acce- so al sistema operativo (por ejemplo, lectura y escritura de archivos), entrada y salida con for- mato, asignación dinámica de memoria, manejo de cadenas de caracteres. Una colección de cabeceras estándar que proporciona acceso uniforme a las declaraciones de fun- ciones y tipos de datos. 1.6.3. Versiones actuales de C En la actualidad son muchos los fabricantes de compiladores C , aunque los más populares entre los fabricantes de software son: Microsoft, Imprise, etc. Una evolución de C , el lenguaje C++ (C con clases) que contiene entre otras, todas las caracterís- ticas de ANSI C. Los compiladores más empleados Visual C++ de Microsoft. Builder C++ de lmprise- antigua Borland, C++ bajo UNIX y LINUX. En el verano del 2000, Microsoft patentó una nueva versión de C++, que es C#, una evolución del C++ estándar, con propiedades de Java y diseñado para aplicaciones en línea, Internet (on line) y fuerra de línea. Introducción a la ciencia de la computación y a la programación 27 1.7. RESUMEN Una computadora es una máquina para procesar infor- mación y obtener resultados en función de unos datos de entrada. Hurdwure: parte física de una computadora (dis- positivos electrónicos). Software: parte lógica de una computadora Las computadoras se componen de: Dispositivos de Entrada/Salida (WS). 0 Unidad Central de Proceso (Unidad de Control Memoria central. Dispositivos de almacenamiento masivo de El softwure del sistema comprende, entro otros, el sistema operativo MSDOS, UNIX, Linux... en (program=). y Unidad Lógica y Aritmética). información (memoria auxiliar o externa). computadoras personales y los lenguajes de progra- mación. Los lenguajes de programación se clasifican en: alto nivel: Pascal, FORTRAN, VISUAL, BASIC, C, Ada, Modula-2, Ctt-, Java, Delphi, C, etc. bajo nivel: Ensamblador. máquina: Código máquina. Los programas traductores de lenguajes son: comjdudores. intérpretes. C es un lenguaje de programación que contiene excelentes características como lenguaje para apren- dizaje de programación y lenguaje profesional de pro- pósito general; básicamente es un entorno de progra- mación con editor y compilador incorporado. 30 Programación en C. Metodología, algoritmos y estructura de datos 2.1. FASES EN LA RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS El proceso de resolución de un problema con una computadora conduce a la escritura de un programa y a su ejecución en la misma. Aunque el proceso de diseñar programas es -esencialmente- un proceso creativo, se puede considerar una serie de fases o pasos comunes, que generalmente deben seguir todos los programadores. Las fases de resolución de un problema con computadora son: Análisis del problema. Diseño del algoritmo. Codificación. Compilación y ejecución. o Verijicación. Depuración. o Mantenimiento. Documentación. Constituyen el ciclo de vida del software y las fases o etapas usuales son: Análisis. El problema se analiza teniendo presente la especificación de los requisitos dados por el cliente de la empresa o por la persona que encarga el programa. Diseño. Una vez analizado el problema, se diseña una solución que conducirá a un algoritmo que resuelva el problema. Codificación (implementación). La solución se escribe en la sintaxis del lenguaje de alto nivel (por ejemplo, C) y se obtiene un programa. Ejecución, verificación y depuración. El programa se ejecuta, se comprueba rigurosamente y se eliminan todos los errores (denominados «bugs», en inglés) que puedan aparecer. Mantenimiento. El programa se actualiza y modifica, cada vez que sea necesario, de modo que se cumplan todas las necesidades de cambio de sus usuarios. Documentación. Escritura de las diferentes fases del ciclo de vida del software, esencialmente el análisis, diseño y codificación, unidos a manuales de usuario y de referencia, así como normas para el mantenimiento. Las dos primeras fases conducen a un diseño detallado escrito en forma de algoritmo. Durante la ter- cera etapa (cod$cación) se implementa’ el algoritmo en un código escrito en un lenguaje de progra- mación, reflejando las ideas desarrolladas en las fases de análisis y diseño. La fase de compilación y ejecución traduce y ejecuta el programa. En las fases de verijicación y depuración el programador busca errores de las etapas anteriores y los elimina. Comprobará que mien- tras más tiempo se gaste en la fase de análisis y diseño, menos se gastará en la depuración del progra- ma. Por último, se debe realizar la documentación del programa. Antes de conocer las tareas a realizar en cada fase, vamos a considerar el concepto y significado de la palabra algoritmo. La palabra algoritmo se deriva de la traducción al latín de la palabra Alkh6- wafizmi’, nombre de un matemático y astrónomo árabe que escribió un tratado sobre manipulación de números y ecuaciones en el siglo IX. Un algoritmo es un método para resolver un problema mediante una serie de pasos precisos, definidos y finitos. ’ En la últinia edición (21.”) del DRAE (Diccionario de la Real Academia Española) se ha aceptado cl término i,nplrmc,n- ’ Escribió un tratado matemático famoso sobre manipulacich de números y ecuacioncs titulado Kit& d:juhr ~~‘cilnzugciha- fur: (Informática) «Poner en funcionamiento, aplicar métodos, medidas, etc. para llevar algo a cabo». la. La palabra álgebra se derivó, por su semejanza sonora, de aí,jahr. ~~ Fundamentos - de Características de un algoritmo preciso (indicar el orden de realización en cada paso), definido (si se sigue dos veces, obtiene el mismo resultado cada vez), finito (tiene fin; un número determinado de pasos). Un algoritmo debe producir un resultado en un tiempo finito. Los métodos que utilizan algoritmos se denominan métodos algorítmicos, en oposición a los métodos que implican algún juicio o interpre- tación que se denominan métodos heurísticos. Los métodos algorítmicos se pueden implementar en computadoras; sin embargo, los procesos heurísticos no han sido convertidos fácilmente en las compu- tadoras. En los últimos años las técnicas de inteligencia artificial han hecho posible la implementacicín del proceso heurístico en computadoras. Ejemplos de algoritmos son: instrucciones para inontar en una bicicleta, hacer una receta de coci- na, obtener el máximo común divisor de dos números, etc. Los algoritmos se pueden expresar porfijr- mulas, diagramas de pujo o N-S y pseudocódigos. Esta última representación es la más utilizada en lenguajes estructurados como C. 2.1 . I . Análisis del problema La primera fase de la resolución de un problema con computadora es el análisis del problema. Esta fase requiere una clara definición, donde se contemple exactamente lo que debe hacer el programa y el resul- tado o solución deseada. Dado que se busca una solución por computadora, se precisan especificaciones detalladas de entra- da y salida. La Figura 2.1 muestra los requisitos que se deben definir en el análisis. Resolución problema deun I Análisis problema Diseño algoritmo Resolución del problema con Figura 2.1. Análisis del problema. Para poder definir bien un problema es conveniente responder a las siguientes preguntas: ¿,Qué entradas se requieren? (tipo y cantidad). o ¿Cuál es la salida deseada? (tipo y cantidad). ¿Qué método produce la salida deseada'? Problema 2.1 Se desea obtener una tabla con las deprwiuciones acumuladas y I n s valores reales de cada año, de un automcívil comprado en I . 800.000 pesetas en el año 1996, durante los seis años siguientes suponiendo un valor de recuperacicín o rescate de 120.000. Realizar el anúlisis del problema, conociendo lu,fórmula de la depreciacicín anual constante D para cudu año de vida útil. 32 Programación en C. Metodología, algoritmos y estructura de datos coste - valor de recuperación D = vida útil 1.800.000 - 120.000 - 1.680.000 = 280.000 D = - 6 6 coste original vida útil valor de recuperación depreciación anual por año depreciación acumulada en cada año valor del automóvil en cada año depreciación acumulada cálculo de la depreciación acumulada cada año Entrada I Salida ! cálculo del valor del automóvil en cada año Proceso La tabla siguiente muestra la salida solicitada Año Depreciación Depreciación acumulada Valor anual ~ ~~ 1 (1996) 2 80.000 280.000 2 (1 997) 280.000 5 60.000 3 (1 998) 280.000 840.000 4 (1 999) 280.000 1.120.000 5 (2000) 280.000 1.400.000 6 (2001) 280.000 2.180.000 1 S20.000 1.240.000 960.000 680.000 400.000 120.000 2.1.2. Diseño del algoritmo En la etapa de análisis del proceso de programación se determina qué hace el programa. En la etapa de diseño se determina como hace el programa la tarea solicitada. Los métodos más eficaces para el pro- ceso de diseño se basan en el conocido por divide y vencerás. Es decir, la resolución de un problema complejo se realiza dividiendo el problema en subproblemas y a continuación dividir estos subproble- mas en otros de nivel más bajo, hasta que pueda ser implementada una solución en la computadora. Este método se conoce técnicamente como diseño descendente (top-down) o modular. El proceso de romper el problema en cada etapa y expresar cada paso en forma más detallada se denomina refina- miento sucesivo. Cada subprograma es resuelto mediante un módulo (subprograma) que tiene un solo punto de entra- da y un solo punto de salida. Cualquier programa bien diseñado consta de un programa principal (el módulo de nivel más alto) que llama a subprogramas (módulos de nivel más bajo) que a su vez pueden llamar a otros subprogra- mas. Los programas estructurados de esta forma se dice que tienen un diseño modular y el método de romper el programa en módulos más pequeños se llama programación modular. Los módulos pueden ser planeados, codificados, comprobados y depurados independientemente (incluso por diferentes pro- gramadores) y a continuación combinarlos entre sí. El proceso implica la ejecución de los siguientes pasos hasta que el programa se termina: 1. Programar un módulo. 2. Comprobar el módulo. c ( Inicio Coste, Vida Leer Año Valor actual t Coste Depreciación t (Coste-ValorRescate)/ VidaUtil Acumulada t O Fundamentos de programación 35 Acumulada + Valor Actual t Valor actual + I A ñ o t A ñ o + l I Figura 2.4. Diagrama de flujo (Ejemplo 2.1). , Ejemplo 2.2 Calcular el valor de la suma 1+2+3+ ...+ 100. A l g o r i t m o Se utiliza una variable Contador como un contador que genere los sucesivos números enteros, y Suma para almacenar las sumas parciales 1 , I +2,1+2+3.. . 1. Establecer Contador d 1 2. Establecer Suma a O 3 . mientras Contador < = 100 hacer Sumar Contador a Suma Incrementar Contador en 1 fin-mientras 4. Visualizar Sumd 36 Programación en C. Metodología, algoritmos y estructura de datos 2.1.4. Codificación de un programa Codificación es la escritura en un lenguaje de programación de la representación del algoritmo desa- rrollada en las etapas precedentes. Dado que el diseño de un algoritmo es independiente del lenguaje de programación utilizado para su implementación, el código puede ser escrito con igual facilidad en un lenguaje o en otro. Para realizar la conversión del algoritmo en programa se deben sustituir las palabras reservadas en español por sus homónimos en inglés, y las operaciones/instrucciones indicadas en lenguaje natural expresarlas en el lenguaje de programación correspondiente. / * E s t e programa obtiene una tabla de depreciaciones acumuladas y valores reales de cada año de un determinado producto * / #include <stdio.h> void main0 i double Coste, Depreciacion, Valor-Recuperacion, Valor-actual, Acumulado, ValorAnual; int Anio, Vida-util; puts("1ntroduzca cos te , valor recuperación y vida Útil"); scanf("%lf %lf %lf",&Coste,&Valor-Recuperacion,&Vida-ütil); puts ("Introduzca año actual") ; scanf ( "%d", &Anio) ; ValorActual = Coste; Depreciación = (Coste-Valor-Recuperac¡on)/V¡da-Util; Acumulado = O; puts ("Año Depreciación Dep. Acumulada") ; while (Anio < Vida-Util) I Acumulado = Acumulado + Depreciacion; ValorActual = ValorActual - Depreciacion; printf ("Año: %d, Depreciacion:%.21f, R.21f Acumulada", Anio = Ani0 + 1; Anio,Depreciacion,Acumulado) ; i 1 Documentación interna Como se verá más tarde, la documentación de un programa se clasifica en interna y externa. La dum- mentación interna es la que se incluye dentro del código del programa fuente mediante comentarios que ayudan a la comprensión del código. Todas las líneas de programas que comiencen con un símbo- lo / * son comentarios. El programa no los necesita y la computadora los ignora. Estas líneas de comen- tarios sólo sirven para hacer los programas más fáciles de comprender. El objetivo del programador debe ser escribir códigos sencillos y limpios. Debido a que las máquinas actuales soportan grandes memorias (64 Mb o 128 Mb de memoria cen- tral mínima en computadoras personales) no es necesario recurrir a técnicas de ahorro de memoria, por lo que es recomendable que incluya el mayor número de comentarios posibles, pero, eso sí, que sean significativos. Fundamentos de programación 37 2.1.5. Compilación y ejecución de un programa Una vez que el algoritmo se ha convertido en un programa fuente, es preciso introducirlo en memoria mediante el teclado y almacenarlo posteriormente en un disco. Esta operación se realiza con un pro- grama editor, posteriormente el programa fuente se convierte en un archivo de programa que se guar- da (graba) en disco. El programa fuente debe ser traducido a lenguaje máquina, este proceso se realiza con el compi- lador y el sistema operativo que se encarga prácticamente de la compilación. Si tras la compilación se presentan errores (errores de compilación) en el programa fuente, es pre- ciso volver a editar el programa, corregir los errores y compilar de nuevo. Este proceso se repite hasta que no se producen errores, obteniéndose el programa objeto que todavía no es ejecutable directa- mente. Suponiendo que no existen errores en el programa fuente, se debe instruir al sistema operativo para que realice la fase de montaje o enlace (link), carga, del programa objeto con las librerías del pro- grama del compilador. El proceso de montaje produce un programa ejecutable. La Figura 2.5 descri- be el proceso completo de compilaciódejecución de un programa. Teclado I'""\ --__I UCP 1 ElDCiDE 1 de textos Memoria externa Memoria Campilador Memoria externa UCP I I t i objeto I . 1 I C) Figura 25 Fases de /a comp/~ac;Ón/eiecuc;Ón de un programa: a/ ed/c/on; 6/ compAac/Ün; c/ montale o en/ace. -_ A 40 Programación en C. Metodología, algoritmos y estructura de datos 2.3. PROGRAMACIÓN ESTRUCTURADA Los términos programación modular; programación descendente y programación estructurada se intro- dujeron en la segunda mitad de la década de los sesenta y a menudo sus términos se utilizan como sinó- nimos aunque no significan lo mismo. La programación modular y descendente ya se ha examinado anteriormente. La programación estructurada significa escribir un programa de acuerdo a las siguien- tes reglas: El programa tiene un diseño modular. Los módulos son diseñados de modo descendente. Cada módulo se codifica utilizando las tres estructuras de control básicas: secuencia, selección y repetición. Si está familiarizado con lenguajes como BASIC, Pascal, FORTRAN o C, la programación estructurada significa también progrumación sin GOTO (C no requiere el uso de la sentencia GOTO). El término programación estructurada se refiere a un conjunto de técnicas que han ido evolucio- nando desde los primeros trabajos de Edgar Dijkstra. Estas técnicas aumentan considerablemente la productividad del programa reduciendo en elevado grado el tiempo requerido para escribir, verificar, depurar y mantener los programas. La programación estructurada utiliza un número limitado de estruc- turas de control que minimizan la complejidad de los programas y, por consiguiente, reducen los erro- res; hace los programas más fáciles de escribir, verificar, leer y mantener. Los programas deben estar dotados de una estructura. La programación estructurada es el conjunto de técnicas que incorporan: recursos abstractos, diseño descendente (top-down), estructuras básicas. 2.3.1. Recursos abstractos La programación estructurada se auxilia de los recursos abstractos en lugar de los recursos concretos de que dispone un determinado lenguaje de programación. Descomponer un programa en términos de recursos abstractos -según Dijkstra- consiste en des- componer una determinada acción compleja en términos de un número de acciones más simples capa- ces de ejecutarlas o que constituyan instrucciones de computadoras disponibles. 2.3.2. Diseño descendente (topdown) El diseño descendente (top-down) es el proceso mediante el cual un problema se descompone en una serie de niveles o pasos sucesivos de refinamiento (stepwise). La metodología descendente consiste en efectuar una relación entre las sucesivas etapas de estructuración de modo que se relacionasen unas con otras mediante entradas y salidas de información. Es decir, se descompone el problema en etapas o estructuras jerárquicas, de forma que se puede considerar cada estructura desde dos puntos de vista: ¿qué hace? y ¿cómo lo hace? Si se considera un nivel n de refinamiento, las estructuras se consideran de la siguiente manera: Fundamentos de programación 41 I Nivel n: desde el exterior ,,¿lo que hace?» I t Nivel n + 7: Vista desde el interior <.¿cómo lo hace?. El diseño descendente se puede ver en la Figura 2.7 Figura 2.7. Diseño descendente. 2.3.3. Estructuras de control Las estructuras de control de un lenguaje de programación son métodos de especificar el orden en que las instrucciones de un algoritmo se ejecutarán. El orden de ejecución de las sentencias (lenguaje) o instrucciones determinan el .flujo de control. Estas estructuras de control son, por consiguiente, funda- mentales en los lenguajes de programación y en los diseños de algoritmos especialmente los pseudo- códigos. Las tres estructuras de control básico son: a secuencia a selección a repetición La programación estructurada hace los programas más fáciles de escribir, verificar, leer y mantener; y se estudian en los Capítulos 5 y 6. utiliza un número limitado de estructuras de control que minimizan la complejidad de los problemas. 1 42 Programación en C. Metodología, algoritmos y estructura de datos 2.3.4. Teorema de la programación estructurada: estructuras básicas En mayo de 1966, Bohm y Jacopini demostraron que un programa propio puede ser escrito utilizando solamente tres tipos de estructuras de control. 0 secuenciales, e selectivas, repetitivas. Un programa se define como propio si cumple las siguientes características: o Posee un solo punto de entrada y uno de salida of in para control del programa. o Existen caminos desde la entrada hasta la salida que .se pueden seguir y que pasan por todas lus o Todas las instrucciones son ejecutahles y no existen /ai.os CJ bucles infinitos (sin fin). Los Capítulos 5 y 6 se dedican al estudio de las estructuras de control selectivas y repetitivas partes del programa. La programación estructurada signijica: o El programa completo tiene un diseño modular. O Los módulos se diseñan con metodología descendente (puede hacerse también ascendente). O Cada módulo se codifica utilizando las tres estructuras de control básicas: secuenciales, 0 Estructuración y modularidad son conceptos complementarios (se solapan). selectivas y repetitivas (ausencia total de sentencias GOTO). 2.4. REPRESENTACI~N GRÁFICA DE LOS ALGORITMOS Para representar un algoritmo se debe utilizar algún método que permita independizar dicho algoritmo del lenguaje de programación elegido. Ello permitirá que un algoritmo pueda ser codificado indistinta- mente en cualquier lenguaje. Para conseguir este objetivo se precisa que el algoritmo sea representado gráfica o numéricamente, de modo que las sucesivas acciones no dependan de la sintaxis de ningún len- guaje de programación, sino que la descripción pueda servir fácilmente para su transformación en un programa, es decir, su codi$cución. Los métodos usuales para representar un algoritmo son: 1. diagrama de flujo, 2. diagrama N-S (Nassi-Schneiderman), 3 . lenguaje de especificación de algoritmos: pLseudoccídigo, 4. lenguaje esparlol, inglés ... 5. ~ fórmulas . Los métodos 4 y 5 no suelen ser fáciles de transformar en programas. Una descripción en español narrativo no es satisfactoria, ya que es demasiado prolija y generalmente ambigua. Una fórmula, sin embargo, es buen sistema de representación. Por ejemplo, las fórmulas para la solución de una ecuación cuadrática (de segundo grado) es un medio sucinto de expresar el procedimiento algorítmico que se debe ejecutar para obtener las raíces de dicha ecuación. -~ X I = (- b + m) / 2a x2 = (- b - <b' - 4ac) / 2a y significa lo siguiente: 1 . Eleve al cuadrado b. 2. Toma a; multiplicar por c; multiplicar por 4. 3 . Restar el resultado obtenido de 2 del resultado de I , etc. Fundamentos de programación 45 O proceso, o decisión, o conectores, O fin, o entraddsalida, O dirección del flujo. Se resume en la Figura 2.8 en un diagrama de flujo: o existe una caja etiquetada "inicio", que es de tipo elíptico, O existe una caja etiquetada I' fin" de igual forma que la anterior, O si existen otras cajas, normalmente son rectangulares, tipo rombo o paralelogramo (el resto de las figuras se utilizan sólo en diagramas de flujo generales o de detalle y no siempre son impres- cindibles). Se puede escribir más de un paso del algoritmo en una sola caja rectangular. El uso de flechas sig- nifica que la caja no necesita ser escrita debajo de su predecesora. Sin embargo, abusar demasiado de esta flexibilidad conduce a diagramas de flujo complicados e ininteligibles. 1 ,/ E2ir;F ,/ 0 0 lp'.c.-1 Figura 2.9. Plantilla típica para diagramas de flujo. Ejemplo 2.3 Calcular la media de una serie de números positivos, suponiendo que los datos se leen desde un ter- minal. Un valor de cero -como entrada- indicará que se ha alcanzado el final de la serie de niime- ros positivos. El primer paso a dar en el desarrollo del algoritmo es descomponer el problema en una serie de pasos secuenciales. Para calcular una media se necesita sumar y contar los valores. Por consiguiente, nuestro algoritmo en forma descriptiva sería: 1. inicializar contador de numeros C y variable suma S. 2. Leer un numero 3. Si el numero leído es cero : O calcular la media ; O imprimir la media ; O fin del proceso. Si el numero leido no es cero : O calcular la suma ; 0 incrementar en uno el contador de números ; O ir al paso 2. 4. Fin. 46 Programación en C. Metodología, algoritmos y estructura de datos El refinamiento del algoritmo conduce a los pasos sucesivos necesarios para realizar las operacio- Si el primer dato leído es O , la división s / c produciría un error si se ejecutara el algoritmo en una nes de lectura, verificación del Último dato, suma y media de los datos. computadora, ya que no está permitida en ella la división por cero. S - sumador de números leer dato no dato O O v S f S + dato Si el primer dato leído es O, la división s / C ' producirá un error si se ejecutara el algoritmo en una computadora, ya que no está permitida en ella la división por cero. Media 4- SIC Imprimir i media Fundamentos de programación 47 ' j Ejemplo 2.4 I Suma de los números pares comprendidos entre 2 y I O O. I Inicio <_I> SUMA f- 2 . Ejemplo 2.5 Se desea realizar el algoritmo que resuelva el siguiente problema: Cúlculo de Ins salarios mensuales de los empleados de una empresa, subiendo que éstos se calculan en base a las horas semanales trahaja- das J J de acuerdo a un precio especificado por horas. Si se pasan de cuarenta horas semanales, las horas extraordinarias se pagarán a razón de 1.5 veces lu hora ordinaria. Los cálculos son: 1. Leer datos del archivo de 1u. empresd, hasta que se encuentre la ficha 2. Si HORAS <= 40, entonces S A L A R I O es el producto de horas por 3. Si HORAS > 40, entonces SAL,ARIO es I d s u m de 40 veces PRECIO-HORA más final del archivo (HORAS, PRECIO-HORA, NOMBRE). PRECIO-HORA. 1.5 veces PRECIO-HORA por (HORAS-40) . SUMA f- NUMERO = < 100 9 Escribir 1 SUMA ,/ 50 Programación en C. Metodología, algoritmos y estructura de datos 3. Si no quedan numeros, imprimir el valor de TOTAL y fin. 4. Si existen mas numeros, ejecutar los pasos 5 a 8. 5. Leer el siguiente numero y dar su valor a la variable NUMERO. 6. Si NUMERO = O, incrementar TOTAL en 1 7. Si NUMERO <> O, no modificar TOTAL. 8. Retornar al paso 2. El diagrama de flujo correspondiente es: Inicio TOTAL +- o f si “7 NUMERO TOTAL t- TOTAL + 1 Escribir & TOTAL ~~ Ejemplo 2.7 Dados tres números, determinar si la suma de cualquier p r e j u de ellos es igual u1 tercer número. Si se cumple esta condición, escribir «Iguales» y, en cuso contrurio, escribir «Distintas». En el caso de que los números sean: 3 9 6 Fundamentos de programación 51 la respuesta es "Iguales", ya que 3 + 6 = 9. Sin embargo, si los números fueran: 2 3 4 el resultado sería 'Distintas". Para resolver este problema, se puede comparar la suma de cada pareja con el tercer número. Con tres números solamente existen tres parejas distintas y el algoritmo de resolución del problema será fácil. 1. Leer los tres valores, A, B y C . 2. Si A + B = C escribir "Iguales" y parar. 3. Si A + C = B escribir "Iguales" y parar. 4. Si B + C = A escribir "Iguales" y parar. 5. Escribir 'Distintas" y parar. El diagrama de flujo correspondiente es la Figura 2. I O. Inicio a A + C = B - B + C = A <(distintas= <<iguales>) Figura 2.10. Diagrama de flujo (Ejemplo 2.7). 52 Programación en C. Metodología, algoritmos y estructura de datos <acciones> 2.5. DIAGRAMAS DE NASSI-SCHNEIDERMAN (N-S) <acciones> El diagrama N-S de Nassi Schneiderman -también conocido como diagrama de Chapin- es como un diagrama de flujo en el que se omiten las flechas de unión y las cajas son contiguas. Las acciones sucesivas se escriben en cajas sucesivas y, como en los diagramas de flujo, se pueden escribir diferen- tes acciones en una caja. Un algoritmo se representa con un rectángulo en el que cada banda es una acción a realizar: nombre, horas, precio calcular calcular impuestos t 0.25 * salario I calcular neto t salario - impuestos I escribir nombre, salario, impuestos, neto nombre del algoritmo <action 1> <action 2> <action 3 > . . . fin I Figura 2.11. Representación gráfica N-S de un algoritmo. Otro ejemplo es la representación de la estructura condicional (Fig. 2.12). 'condición? (b) acción 1 1 acción 2 u Figura 2.12. Estructura condicional o selectiva: (a) diagrama de flujo: (b ) diagrama N-S. Fundamentos de programación 55 0 Descripción del problema previa y detalladamente. 0 Prototipos de programas que pueden ayudar a resolver el problema. 2.6.2. Diseño La especificación de un sistema indica lo que el sistema debe hacer. La etapa de diseño del sistema indica cómo ha de hacerse. Para un sistema pequeño, la etapa de diseño puede ser tan sencilla como escribir un algoritmo en pseudocódigo. Para un sistema grande, esta etapa incluye también la fase de diseño de algoritmos, pero incluye el diseño e interacción de un número de algoritmos diferentes, con frecuencia sólo bosquejados, así como una estrategia para cumplir todos los detalles y producir el códi- go correspondiente. Es preciso determinar si se pueden utilizar programas o subprogramas que ya existen o es preciso construirlos totalmente. El proyecto se ha de dividir en módulos utilizando los principios de diseño des- cendente. A continuación, se debe indicar la interacción entre módulos; un diagrama de estructuras pro- porciona un esquema claro de estas relaciones’. En este punto, es importante especificar claramente no sólo el propósito de cada módulo, sino tam- bién elpujo de duros entre módulos. Por ejemplo, se debe responder a las siguientes preguntas: ¿Qué datos están disponibles al módulo antes de su ejecución? ¿Qué supone el módulo? ¿Qué hacen los datos después de que se ejecuta el módulo? Por consiguiente, se deben especificar en detalle las hipótesis, entrada y salida para cada módulo. Un medio para realizar estas especificaciones es escribir una pre- condición, que es una descripción de las condiciones que deben cumplirse al principio del módulo y una postcondición, que es una descripción de las condiciones al final de un módulo. Por ejemplo, se puede describir un subprograma que ordena una lista (un array) de la forma siguiente: subprograma ordenar (A, n) {Ordena una lista en orden ascendente} precondición: A es un array de n enteros, 1<= n <= Max. postcondición: AL11 <= AL21 < . . . < = A[n], n es inalterable} Por Último, se puede utilizar pseudocódigo” para especificar los detalles del algoritmo. Es importante que se emplee bastante tiempo en la fase de diseño de sus programas. El resultado final de diseño des- cendente es una solución que sea fácil de traducir en estructuras de control y estructuras de datos de un lenguaje de programación específico -en nuestro caso, C-. El gasto de tiempo en la fase de diseño será ahorro de tiempo cuando se escriba y depura su pro- grama. 2.6.3. Implementación (codificación) La etapa de implementución (codificación) traduce los algoritmos del diseño en un programa escrito en un lenguaje de programación. Los algoritmos y las estructuras de datos realizadas en pseudocódigo 56 Programación en C. Metodología, algoritmos y estructura de datos han de traducirse codificados en un lenguaje que entiende la computadora: PASCAL, FORTRAN, COBOL, C, C++, C# o Java. La codificacion cuando un problema se divide en subproblemas, los algoritmos que resuelven cada subproblema (tarea o módulo) deben ser codificados, depurados y probados independientemente. Es relativamente fácil encontrar un error en un procedimiento pequeño. Es casi imposible encontrar todos los errores de un programa grande, que se codificó y comprobó como una sola unidad en lugar de como una colección de módulos (procedimientos) bien definidos. Las reglas del sangrado (indentación) y buenos comentarios facilitan la escritura del código. El pseudocódigo es una herramienta excelente que facilita notablemente la codificación. 2.6.4. Pruebas e integración Cuando los diferentes componentes de un programa se han implementado y comprobado individual- mente, el sistema completo se ensambla y se integra. La etapa de pruebas sirve para mostrar que un programa es correcto. Las pruebas nunca son fáciles. Edgar Dijkstra ha escrito que mientras que las pruebas realmente muestran lapresencia de errores, nun- ca puede mostrar su ausencia. Una prueba con «éxito» en la ejecución significa sólo que no se han des- cubierto errores en esas circunstancias específicas, pero no se dice nada de otras circunstancias. En teo- ría el Único modo que una prueba puede mostrar que un programa es correcto si todos los casos posibles se han intentado y comprobado (es lo que se conoce como prueba exhaustiva); es una situación técni- camente imposible incluso para los programas más sencillos. Supongamos, por ejemplo, que se ha escri- to un programa que calcule la nota media de un examen. Una prueba exhaustiva requerirá todas las com- binaciones posibles de marcas y tamaños de clases; puede llevar muchos años completar la prueba. La fase de pruebas es una parte esencial de un proyecto de programación. Durante la fase de prue- bas se necesita eliminar tantos errores lógicos como pueda. En primer lugar, se debe probar el progra- ma con datos de entrada válidos que conducen a una solución conocida. Si ciertos datos deben estar dentro de un rango, se deben incluir los valores en los extremos finales del rango. Por ejemplo, si el valor de entrada de n cae en el rango de 1 a 10, se ha de asegurar incluir casos de prueba en los que n esté entre 1 y 10. También se deben incluir datos no válidos para comprobar la capacidad de detección de errores del programa. Se han de probar también algunos datos aleatorios y, por Último, intentar algu- nos datos reales. 2.6.5. Verificación La etapa de pruebas ha de comenzar tan pronto como sea posible en la fase de diseño y continuará a lo largo de la implementación del sistema. Incluso aunque las pruebas son herramientas extremadamente válidas para proporcionar la evidencia de que un programa es correcto y cumple sus especificaciones, es difícil conocer si las pruebas realizadas son suficientes. Por ejemplo,.¿cómo se puede conocer que son suficientes los diferentes conjuntos de datos de prueba o que se han ejecutado todos los caminos posi- bles a través del programa? Por esas razones se ha desarrollado un segundo método para demostrar la corrección o exactitud de un programa. Este método, denominado verijicación formal implica la construcción de pruebas mate- máticas que ayudan a determinar si los programas hacen lo que se supone han de hacer. La verificación formal implica la aplicación de reglas formales para mostrar que un programa cumple su especificación: la verificación. La verificación formal funciona bien en programas pequeños, pero es compleja cuando se utiliza en programas grandes. La teoría de la verificación requiere conocimientos matemáticos avan- zados y, por otra parte, se sale fuera de los objetivos de este libro; por esta razón sólo hemos constata- do la importancia de esta etapa. La prueba de que un algoritmo es correcto es como probar un teorema matemático. Por ejemplo, probar que un módulo es exacto (correcto) comienza con las precondiciones (axiomas e hipótesis en Fundamentos de programación 57 matemáticas) y muestra que las etapas del algoritmo conducen a las postcondiciones. La verificación tra- ta de probar con medios matemáticos que los algoritmos son correctos. Si se descubre un error durante el proceso de verificación, se debe corregir su algoritmo y posible- mente se han de modificar las especificaciones del problema. Un método es utilizar invariantes (una condición que siempre es verdadera en un punto específico de un algoritmo) lo que probablemente hará que su algoritmo contenga pocos errores antes de que comience la codificación. Como resultado se gas- tará menos tiempo en la depuración de su programa. 2.6.6. Mantenimiento Cuando el producto software (el programa) se ha terminado, se distribuye entre los posibles usuarios, se instala en las computadoras y se utiliza (producción). Sin embargo, y aunque, a priori, el programa funcione correctamente, el software debe ser mantenido y actualizado. De hecho, el coste típico del mantenimiento excede, con creces, el coste de producción del sistema original. Un sistema de software producirá errores que serán detectados, casi con seguridad, por los usua- nos del sistema y que no se descubrieron durante la fase de prueba. La corrección de estos errores es par- te del mantenimiento del software. Otro aspecto de la fase de mantenimiento es la mejora del software añadiendo más características o modificando partes existentes que se adapten mejor a los usuarios. Otras causas que obligarán a revisar el sistema de software en la etapa de mantenimiento son las siguientes: 1) Cuando un nuevo hardware se introduce, el sistema puede ser modificado para ejecutar- lo en un nuevo entorno; 2) Si cambian las necesidades del usuario, suele ser menos caro y más rápido, modificar el sistema existente que producir un sistema totalmente nuevo. La mayor parte del tiempo de los programadores de un sistema se gasta en el mantenimiento de los sistemas existentes y no en el dise- ño de sistemas totalmente nuevos. Por esta causa, entre otras, se ha de tratar siempre de diseñar pro- gramas de modo que sean fáciles de comprender y entender (legibles) y fáciles de cambiar. 2.6.7. La obsolescencia: prog r a mas o bso I et os La última etapa en el ciclo de vida del software es la evolución del mismo, pasando por su vida útil has- ta su ohsolescencia o fase en la que el software se queda anticuado y es preciso actualizarlo o escribir un nuevo programa sustitutorio del antiguo. La decisión de dar de baja un software por obsoleto no es una decisión fácil. Un sistema grande representa una inversión enorme de capital que parece, a primera vista, más barato modificar el sistema existente, en vez de construir un sistema totalmente nuevo. Este criterio suele ser, normalmente, correc- to y por esta causa los sistemas grandes se diseñan para ser modificados. Un sistema puede ser produc- tivamente revisado muchas veces. Sin embargo, incluso los programas grandes se quedan obsoletos por caducidad de tiempo al pasar una fecha límite determinada. A menos que un programa grande esté bien escrito y adecuado a la tarea a realizar, como en el caso de programas pequeños, suele ser más eficien- te escribir un nuevo programa que corregir el programa antiguo. 2.6.8. Iteración y evolución del software Las etapas de vida del software suelen formar parte de un ciclo o bucle, como su nombre sugiere y no son simplemente una lista lineal. Es probable, por ejemplo, que durante la fase de mantenimiento ten- ga que volver a las especificaciones del problema para verificarlas o modificarlas. Obsérvese en la Figura 2.14 las diferentes etapas que rodean al núcleo: documentación. La docu- mentación no es una etapa independiente como se puede esperar sino que está integrada en todas las etapas del ciclo de vida del software. 60 Programación en C. Metodología, algoritmos y estructura de datos 2.7.3. Reglas para prueba de programas Un medio útil para probar que un programa P hace lo que realmente ha de hacer es proporcionar aser- ciones que expresen las condiciones antes y después de que P sea ejecutada. En realidad las aserciones son como sentencias o declaraciones que pueden ser o bien verdaderas o bien falsas. La primera aserción, la precondición describe las condiciones que han de ser verdaderas antes de ejecutar P. La segunda aserción, la postcondicicín, describe las condiciones que han de ser verdaderas después de que P se ha ejecutado (suponiendo que la precondición fue verdadera antes). El modelo general es: {precondición) { = condiciones logicas que son verdaderas antes de que P (postcondición) { = condiciones logicas que son verdaderas se ejecute} despues de que P se ejecute} Ejemplo 2.1 1 El procedimiento OrdenarSeleccion orden descendente. El modelo correspondiente puede escribirse así: (A, m , n) ordena a los elementos del array. A [m. . n] en {m I n} {precondicion: A ha de tener al menos 1 elemento} OrdenarSeleccion (A,m,n) {programa de ordenacion a ejecutar} {A[m] 2 A[m+l] 2 . . . 2 A[n] {postcondicion: elementos de A en orden descendente} Problema 2.2 Encontrar la posición del elemento mayor de una lista con indicación de precondiciones y postcondi- ciones. int EncontrarMax (int* A,int m,int n) { / * precondicion : m < n postcondicion : devuelve posicion elemento mayor en A[m..n] * / int i, j; i = m; J = n; {asercion} / * (i = m)"(j = m)"(m < n) * / { ^ , operador and) do i i = i + l ; if (A[i] > A[jl) j = i; }while (i<n); return j; /*devuelve j como elemento mayor*/ 1 2.7.4. lnvariantes de bucles Una invariante de bucle es una condición que es verdadera antes y después de la ejecución de un bucle. Las invariantes de bucles se utilizan para demostrar la corrección (exactitud) de algoritmos iterativos. Utilizando invariantes, se pueden detectar errores antes de comenzar la codificación y por esa razón reducir tiempo de depuración y prueba. Fundamentos de programación 61 Ejemplo 2.12 Un bucle que calcula la suma de los n primeros elementos del array (lista) A: Un invariante es un predicado que cumple tanto antes como después de cada iteración (vuelta) y que describe ia misión del bucle. / I $ lnvariantes de bucle como herramientas de diseño Otra aplicación de los invariantes de bucle es la especificación del bucle: iniciación, condición de repe- tición y cuerpo del bucle. Ejemplo 2.13 Si la invariante de un bucle es: {invariante : i <= n y Suma es la suma de todos los números leidos del teclado } Se puede deducir que: Suma = 0.0; 1 = o; i < n scanf ("%d", &Item) ; Suma = Suma + Item; i = i + 1 ; { i n i c iac ion} { condicion/prueba d e l buc le} { cuerpo d e l b u c l e } Con toda esta información es una tarea fácil escribir el bucle de suma Suma = 0.0; 1 = o ; while (i < n) /*i, toma los valores 0,1,2,3,. n-1*/ i scanf ("%d", &Item) ; Suma = Suma + Item; i = i + l ; I Ejemplo 2.14 En los bucles for es posible declarar también invariantes, pero teniendo presente la particularidad de esta sentencia: la variable de control del bucle es inde$nida después que se sale del bucle, por lo que 62 Programación en C. Metodología, algoritmos y estructura de datos para de@nir su invariante se ha de considerar que dicha variable de control se incrementa antes de salir del bucle y mantiene su valor~final. /*precondition n >= I*/ Suma = O; f o r (i=l; i<=n; i=i+l) { /*invariante : i <= ntl y Suma es 1+2+ . . . i-l*/ 1 /*postcondicion: Suma es 1+2+3+..n-l+n*/ Suma = Suma + i; Problema 2.3 Escribir un bucle controlado por centinela que calcule el producto de un conjunto de datos. /*Calcular el producto de una serie de datos*/ /*precondition : centinela es constante*/ Producto = 1; printf ("Para terminar, introduzca %d", Centinela) ; puts ("Introduzca numero:") ; scanf ("%d", &Numero) ; while (Numero ! = Centinela) i /*invariante: Producto es el producto de todos los valores leidos en Numero y ninguno era el Centinela*/ Producto = Producto * Numero; puts ('Introduzca numero siguiente: " ) ; scanf ( "%d" , &Numero) ; I /*postcondicion: Producto es el producto de todos l o s numeros leidos en Numero antes del centinela*/ 2.7.5. Etapas a establecer la exactitud (corrección) de un programa Se pueden utilizar invariantes para establecer la corrección de un algoritmo iterativo. Supongamos el algoritmo ya estudiado anteriormente. /*calcular la suma de A I O I , A l a l , . . .A[n-ll*/ Suma = O; j = O; while ( j <= n-1) c Suma = Suma + A [ j l ; j = j+l; 1 /*invariante: Suma es la suma de los elementos A [ O ] a A [ j - l ] * / Los siguientes cuatro puntos han de ser verdaderosX: 1. El invariante debe ser inicialmente verdadero, antes de que comience la ejecución por pri- mera vez del bucle. En el ejemplo anterior, Suma es O y j es O inicialmente. En este caso, el invariante significa que Suma contiene la suma de los elementos A [ O 1 a A [ j - 1 I , que es ver- dad ya que no hay elementos en este rango. ' Carrasca, Helnian y Verof, op. cit.. pág. IS. -- Fundamentos de programación 65 2.9. RESUMEM- Un método general para la resolución de un problema con computadora tiene las siguientes fases: I . Andlisis del pmgramu, 2. Diseño del algoritmo. 3. Codificación. 4. Compilación y ejecución. 5. Ver$cación y mantenimiento. 6. Documentación y mantenimiento. El sistema más idóneo para resolver un problema es descomponerlo en módulos m á s sencillos y luego, mediante diseños descendentes y refinamiento suce- 2.10. EJERCICIOS 2.1. Diseñar una solución para resolver cada uno de los siguientes problemas y trate de refinar sus soluciones mediante algoritmos adecuados: a) Realizar una llamada telefónica desde un teléfono público. b) Cocinar una tortilla. c) Arreglar un pinchazo de una bicicleta. 6) Freír un huevo. 2.2. Escribir un algoritmo para: a) Sumar dos números enteros. b) Restar dos números enteros. c) Multiplicar dos números enteros. 6 ) Dividir un número entero por otro. 23. Escribir un algoritmo para determinar el máximo común divisor de dos números enteros (MCD) por el algoritmo de Euciides: o Dividir el mayor de los dos enteros positivos o A continuación dividir el divisor por el resto. o Continuar el proceso de dividir el último divi- sor por el Último resto hasta que la división sea exacta. por el más pequeño. o El Último divisor es el mcd. 2.4. Diseñar un algoritmo que lea e imprima una serie de números distintos de cero. El algoritmo debe terminar con un valor cero que no se debe imprimir. Visualizar el número de valores lefdos. sivo, llegar a móduios fácjlmente codificables. Estos módulos se deben codificar con las estructuras de con- trol de programación estructurada. I . Secuenciales: las instrucciones se ejecutan sucesivamente una después de otra. 2. Repctitivas: una serie de instrucciones se repi- ten una y otra vez hasta que se cumple una cier- ta condición. 3. Selectivas: permite elegir entre dos alternativas (dos conjuntos de inshucciones) dependiendo de una condición determinada). 2.5. Diseñar un algoritmo que imprima y sume la serie de. números 3,6,9, 12 ..., 99. 2.6. Escribir un algoritmo que lea cuatro números y a continuación imprima 131 mayor de íos cua- tro. 2.7. Diseñar un algoritmo que lea tres números y encuentre si uno de ellos es la suma de 10s otros dos. 2.8. Diseñar un algoritmo para calcular la velocidad (en mls) de los corredores de la carrera de 1 SO0 metros. La entrada consistirá en parejas de números (minutos, segundos) que dan el tiempo del corredor; por cada corredor, el algoritmo debe imprimir el tiempo en minutos y segundos así como la velocidad media. Ejemplo de entrada de datos: (333) (3,40) (3,46) (332) (4,O) (0,O); el Último par de datos se utilizará como fin de entrada de datos. 2.9. Diseñar un algoritmo para determinar si un número N es primo. (Un número primo sólo puede ser divisible por él mismo y por la uni- dad.) 2.10. Escribir un algoritmo que calcule la superficie de un tri6nguio en función de la base y la altu- ra (S = 1/2 Base x Altura). 2.11. Calcular y visualizar la longitud de la circunfe- rencia y el área de un circulo de radio dado. 66 Programación en C. Metodología, algoritmos y estructura de datos 2.12. Escribir un algoritmo que encuentre el salario semanal de un trabajador, dada la tarifa horaria y el número de horas trabajadas diariamente. 2.13. Escribir un algoritmo que indique si una pala- bra leída dei teclado es un palíndromo. Un palfndromo (capicúa) es una palabra que se lee igual en ambos sentidos como urdan>. 2.14. Escribir un algoritmo que cuente el número de ocurrencias de cada letra en una palabra leída como entrada. For ejemplo, *Mort imer» contiene dos <mi», una «o», dos *r», una ->>, una «t» y una «e». 2.1 I. EJERCICIOS RESUELTOS Desarrolle los algoritmos que resuelvan los siguien- tes problemas: 2.1. Ir al cine. Análisis del problema DATOS DE SALIDA: DATOS DE ENTRADA: Ver la película. Nombre se la película, dirección de la sala, hora de proyección. Entrada, número de asien- to. Para solucionar el problema, se debe seleccionar una película de la cartelera del periódico, ir a la sala y comprar la entrada para, finalmente, poder ver la pelí- cula. DATOS AUXILIARES: Diseño del algoritmo inicio < seleccionar la película > tomar el periódico mientras no lleguemos a la carte- lera pasar la hoja leer la película si nos gusta, recordarla cionadas hora de proyección mientras no se acabe la cartelera elegir una de las películas selec- leer la dirección de la sala y la 2.15. Muchos bancos y cajas de ahorro calculan los intereses de las cantidades depositadas por los clientes diariamente en base a las siguientes premisas. Un capital de 1 .O00 pesetas, con una tasa de interés del 6 por 100, renta un interés en un día de 0,06 multiplicado por 1 .O00 y dividi- do por 365. Esta operación producirá O, 16 pese- tas de interés y el capital acumulado será 1 .OOO, 16. El interés para el segundo día se cal- culará multiplicando 0,06 por l .O00 y dividien- do el resultado por 365. Disefiar un algoritmo que reciba tres entradas: el capital a depositar, la tasa de interés y la duración del depósito en semanas, y calcule d capital total acumulado al final del período de tiempo especificado. < comprar la entrada > trasladarse a la sala si no hay entradas, ir a fin si hay cola ponerse el último mientras no lleguemos a la t aqui 1 1 a avanzar si no hay entradas, ir a fin comprar la entrada < ver la película leer el número de asiento de la entrada buscar el asiento sentarse ver la película fin. 2.2. Comprar una entrada para ir a los toros. Análisis del problema DATOS DE SALIDA: DATOS DE ENTRADA: DATOS AUXILIARES: La entrada. Tipo de entrada (sol, som- bra, tendido, andanada.. .). Disponibilidad de la entra- da. Hay que ir a la taquilla y elegir la entrada deseada. Si hay entradas se compra (en taquilla o a los reven- tas). Si no la hay, se puede seleccionar otro tipo de entrada o desistir, repitiendo esta acción hasta que se ha conseguido la entrada o el posible comprador ha desistido. Fundamentos de programación 67 Diseñodelalgori&o I inicio ir a la taquilla si no hay entradas en taquilla si nos interesa comprarla en la revent a ir a comprar la entrada si no ir a fin < comprar la entrada > seleccionar sol o sombra seleccionar barrera, tendido, seleccionar número de asiento solicitar la entrada si la tienen disponible andanada o palco adquirir la entrada si no si queremos otro tipo de entrada ir a comprar la entrada fin. 2.3. Hacer una taza de té. DATOS DE SALIDA: DATOS DE ENTRADA: DATOS AUXILWES: taza de té. bolsa de té, agua. pitido de la tetera, aspec- to de la infusión. Después de echar agua en la tetera, se pone ai fue- go y se espera a que el agua hierva (hasta que suena el pitido de la tetera). Introducimos el té y se deja un tiempo hasta que esté hecho. Diseño del dgorzbno inicio tomar la tetera llenarla de agua encender el fuego poner la tetera en el fuego mientras no hierva el agua tomar la bolsa de té introducirla en la tetera mientras no está hecho el té echar el té en la taza esperar esperar fin. 2.4. Hacer una llamada telefónica. Considerar los casos: a) llamada manual con operador; b) lla- mada automática; c) llamada a cobro revertido. Analisis del problema Para decidir el tipo de llamada que se efectuar&, pri- mero se debe considerar si se dispone de efectivo o no para realizar la llamada a cobro revertido. Si hay efec- tivo se debe ver si el lugar a donde vamos a llamar está conectado a la red la centralita y solicitar la llamada, esperando hasta que se establezca la comunicación. pata una llamada auto- mática se leen los prefijos del país y provincia si fue- ra necesario, y se realiza la liamada, espemdo hasta que cojan el teléfono. Para llamar a cobro revertido se debe 1- a centraiita, solicitar la llamada y espera- ra que el abonado del teléfono d que se llama dé su autorización, con lo que establecerá la comunicación. Como datos de entrada tendrfmos las variables que nos van a condicionar el tipo de liamada, el núme ro de teléfono y, en caso de llamada automática, los prefijos si los hubiera. Como dato auxiliar se podría considerar en íos casos a) y c) el contacto con la cen- tralita. Diseño del ulgonhno inicio Para una llamada con si tenemos dinero si podemos hacer una llamada automática Leer el prefijo de país y loca- l idad marcar el número c llamada manual > llamar a la centralita solicitar la comunicación esperar si no mientras no contesten establecer comunicación si no revertido > c realizar una llamada a cobro llamar a la centralita solicitar la llamada esperar hasta tener la autori- zación establecer comunicación fin. 25. Averiguar si una palabra es un palíndromo. Un palíndmmo es una palabra que se b e igual de izquierda a derecha que de derecha a izquierda, como, por ejemplo, «radar* Análisis del problem DATOS DE SALIDA: DATOS DE ENTRADA: palabra. DATOS AUXILIARES: el mensaje que nos dice si es o no un palíndromo. cada carácter de la pala- bra, palabra al revés. CAPíTULO 3 EL LENGUAJE C: ELEMENTOS BASICOS CONTENIDO 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.b. 3.6. Estructura general de un programa en C. Creación de un programa. El proceso de ejecución de un programa en C. Depuración de un programa en C. Pruebas. Los elementos de un programa en C. 3.7. Tipos de datos en C. 3.8. El tipo de dato lógico. 3.9. Constantes. 3.10. Variables. 3.11. Duración de una variable. 3.12. Entradas y salidas. 3.13. Resumen. 3.14. Ejercicios. I, 72 INTRODUCCI~N Una vez gue se le ha enseñado a crear sus propios programas, vamos a analizar los fundamentos del lenguaje de programación C. Este capitulo comienza con un repaso de los conceptos teóricos y pr&cticos relativos a la estructura de un programa enunciados en capítulos anteriores, dada su gran importancia en el desarrollo de aplicaciones, incluyendo adeniás los siguientes temaa: 0 creación de un programa; 0 elementos básicos gue componen un programa; o tipos de datos en C y cómo se declaran; 0 concepto de constantes y su declaración; 0 concepto y declaración de variables; 0 tiempo de vida o duración de variables; 0 operaciones básicas de entradasalida. L CONCEPTOS CLAVE 0 Archivo de cabecera. o Código ejecutable. o Códigofuente. o Wgoobjeto. o Comentarios. o Constantes. o char. o Directiva #include. o Float/double. o Flujos. o Función main(). o IdentiOlcador. o int. 0 Preprocesador. o grfntf O . O scanf 0 . o Variables. 73 74 Programación en C. Metodología, algoritmos y estructura de datos 3.1. ESTRUCTURA GENERAL DE UN PROGRAMA EN C En esta sección repasamos los elementos constituyentes de un programa escrito en C, fijando ideas y describiendo ideas nuevas relativas a la mencionada estructura de un programa en C . Un programa en C se compone de una o más funciones. Una de las funciones debe ser obligatoria- mente main. Una función en C es un grupo de instrucciones que realizan una o más acciones. Asimismo, un programa contendrá una serie de directivas #include que permitirán incluir en el mismo archivos de cabecera que a su vez constarán de funciones y datos predefinidos en ellos. #include Cstdi0.b archivo de cabecera s tdi o. h int main() 4 cabecera defunción { fnombre de la.función . . . 4 sentencias #include D i r e c t i v a s d e l p r e p r o c e s a d o r #define Macros del procesador I I Declaraciones globales O prototipos de funciones O variables Función principal ma in main ( ) i d e c l a r a c i o n e s l o c a l e s sent en c i a s 1 Dejkiciones de otras funciones tipo1 funcl( . . . ) { } . . . Figura 3.1. Estructura típica de un programa C. El lenguaje C: elementos básicos 77 Dos ejemplos típicos son: (a) #include <stdio. h> (b) #include "pruebas. h" El formato (a ) (el nombre del archivo entre ángulos) significa que los archivos se encuentran en el directorio por defecto include. El formato ( b ) significa que el archivo está en el directorio actual. Los dos métodos no son excluyentes y pueden existir en el mismo programa archivos de cabecera estándar utilizando ángulos y otros archivos de cabecera utilizando comillas. Si desea utilizar un archivo de cabecera que se creó y no está en el directorio por defecto, se encierra el archivo de cabecera y el camino entre comillas, tal como #include I'D: \MIPROG\CABEZA. H" #define. La directiva #define indica al preprocesador que defina un item de datos u operación para el programa C. Por ejemplo, la directiva #define TAP-LINEA 65 sustituirá TAM-LINEA por el valor 65 cada vez que aparezca en el programa. 3.1.2. Declaraciones globales Las declaraciones globales indican ai compilador que las funciones definidas por el usuario o variables así declaradas son comunes a todas las funciones de su programa. Las declaraciones globales se sitúan antes de la función main ( ) . Si se declara global una variable Grado-clase del tipo int Grado-clase; cualquier función de su programa, incluyendo main ( ) , puede acceder a la variable Grado-clase. de declaraciones de función. Las declaraciones de función se denominan prototipos La zona de declaraciones globales de un programa puede incluir declaraciones de variables además int media(int a, int b) ; El siguiente programa es una estructura modelo que incluye declaraciones globales. # / * Programa dem0.C * / i #include <stdio.hz / * Definición de macros * / #define MICONSTl 0.50 #define MICONS2 0.75 / * Declaraciones globales * / int Calificaciones ; I main ( ) 3.1.3. Función main ( ) Cada programa C tiene una función main ( ) que es el punto de entrada al programa. Su estructura es: 78 Programación en C. Metodología, algoritmos y estructura de datos main í ) { I Las sentencias incluidas entre las llaves { . . . } se denominan bloque. Un programa debe tener sólo una función main ( . Si se intenta hacer dos funciones main ( ) se produce un error. Además de la función main ( ) , un programa C consta de una colección de funciones. . . . 4- bloque de sentencias UnafuncuSn C es un subpro devuelve un único valor, un c En un programa corto, el programa completo puede incluirse totalmente en la función main ( ) . Un programa largo, sin embargo, tiene demasiados códigos para incluirlo en esta función. La función main ( ) en un programa largo consta prácticamente de llamadas a las funciones definidas por el usuario. El programa siguiente se compone de tres funciones: obtenerdatos ( ) , alfabetizar ( ) y verpalabras ( ) que se invocan sucesivamente. int main() obtenerdatos ( ) ; alEabetizar ( ) ; verpalabras ( ) ; return O; 1 Las variables y constantes globules se declaran y definen fuera de A definición de las funciones, generalmente en la cabecera del programa, antes de main ( ) , mientras que las variables y constantes locales se declaran y definen en la cabecera del cuerpo o bloque de la función principal, o en la cabecera de cualquier bloque. Las sentencias situadas en el interior del cuerpo de la función main ( ) , o cualquier otra función, deben terminar en punto y coma. 3.1.4. Funciones definidas por el usuario Un programa C es una colección de funciones. Todos los programas se construyen a partir de una o más funciones que se integran para crear una aplicación. Todas las funciones contienen una o más sentencias C y se crean generalmente para realizar una única tarea, tales como imprimir la pantalla, escribir un archivo o cambiar el color de la pantalla. Se pueden declarar y ejecutar un número de funciones casi ilimitado en un programa C. Las funciones definidas por el usuario se invocan por su nombre y los parámetros opcionales que puedan tener. Después de que la función es llamada, el código asociado con la función se ejecuta y, a continuación, se retorna a la función llamadora. Todas las funciones tienen nombre y una lista de valores que reciben. Se puede asignar cualquier nombre a su función, pero normalmente se procura que dicho nombre describa el propósito de la función. En C, las funciones requieren una declarucihn o prototipo en el programa: void trazarcurva(); El lenguaje C: elementos básicos 79 Una declaración de función indica al cornpilador el nombre de la función por el que ésta será invocada en el programa. Si la función no se define, el cornpilador informa de un error. La palabra reservada void significa que la función no devuelve un valor. void contarvocales(char caracter); La definición de una función es la estructura de la misma: t ipo-re t orn o nombre- f un ci ón ( 1 i s t a - d e s a ráme t ros ) principio de la .función I sen t en ci as cuerpo de la función return; retorno de lafunción 1 fin de lajünción t ipo-re t orno Es el tipo de valor, o void, devuelto por la función nombre- f un c i Ón Nombre de la función 1 ista-deparámetroc Lista de parámetros, o void, pasados a la función. Se conoce también como argumenros de la función o argumentos formales. C proporciona también funciones predefinidas que se denominan funciones de biblioteca. Las funciones de biblioteca son funciones listas para ejecutar que vienen con el lenguaje C. Requieren la inclusión del archivo de cabecera estándar, tal como S T D I O . H I MATH. H, etc. Existen centenares de funciones definidas en diversos archivos de cabecera. / * ejemplo funciones definidas por el usuario * / #include <stdio.h> void visualizar(); #int main ( ) { visualizar ( j ; return O; J void visualizar() i printf ( "primeros 1 Los programas C constan main ( ) función main ( ) . pasos en C\n"j ; de un conjunto de funciones que normalmente están controladas por la i I . . . obtenerdatos ( 1 t . . . alfabetizar ( ) { 1 . . .