Tema 6. Estructuras básicas. Computacion - FA.CE.NA.

Transcripción

1 Tema 6 Estructuras básicas

2 TEMA6 Programacion estructurada. Estructura de selección. Sentencias. Sentencias anidadas. Casos particulares. Estructura de control. Bucles. Tipo: hacer mientras hacer hasta. Incremento o decremento. Terminaciones anormales. Diseño de bucles. Bucles anidados.

3 6.1 Programación estructurada E stru ctu ras b ási cas La programación estructurada es una forma de escribir programas de computadora deforma clara, utilizando únicamente tres estructuras: secuencia, selección e iteración; siendo innecesario y no permitiéndose el uso de la instrucción o instrucciones de transferencia incondicional. La programación estructurada surge a finales de los años 1960 con el objetivo de realizar programas confiables y eficientes, y que además fueran escritos de manera de facilitar su comprensión posterior. Hoy en día las aplicaciones informáticas son mucho más ambiciosas que las necesidades de aquellos años, por lo que se desarrollaron nuevas técnicas, tales como la programación orientada a objetos y el desarrollo de entornos de programación que facilitan la programación de grandes aplicaciones. De todas formas, el paradigma estructurado tiene vigencia en muchos ámbitos de desarrollo de programas y constituye una buena forma de iniciarse en la programación de computadoras, por lo que en este capitulo y en el siguiente se verán las características de las estructuras que lo componen.

4 6.1 Programación estructurada E stru ctu ras b ási cas El teorema del programa estructurado, de Böhm-Jacopini, demuestra que todo programa puede escribirse utilizando únicamente las tres instrucciones de control siguientes: Secuencia Instrucción condicional. Iteración (bucle de instrucciones) con condición al principio. Solamente con estas tres estructuras o patrones lógicos se pueden escribir todos los programas y aplicaciones posibles. Si bien los lenguajes de programación tienen un mayor repertorio de estructuras de control, éstas pueden ser construidas mediante las tres básicas.

5 6.1 Programación estructurada E stru ctu ras b ási cas ACCION 1 NO Condicion SI NO Condicion SI Condicion No Si Accion Accion Accion ACCION 2 Acciones ACCION N 1 2 Acciones Condicion No SI

6 6.1 Programación estructurada El flujo de control de un programa E stru ctu ras b ási cas La expresión flujo de control hace referencia al orden en el que se ejecutarán las instrucciones de un programa, desde su comienzo hasta que finaliza. El flujo normal de ejecución es el secuencial. Si no se especifica lo contrario, la ejecución de un programa empezaría por la primera instrucción e iría procesando una a una en el orden en que aparecen, hasta llegar a la última. Algunos programas muy simples pueden escribirse sólo con este flujo unidireccional. No obstante, la mayor eficacia y utilidad de cualquier lenguaje de programación se deriva de la posibilidad de cambiar el orden de ejecución según la necesidad de elegir uno de entre varios caminos en función de ciertas condiciones, o de ejecutar algo repetidas veces, sin tener que escribir el código para cada vez. Con frecuencia, el programador necesita que el programa no se comporte sólo de modo secuencial. Por ejemplo, si no se puede abrir un archivo y la función del programa es modificar ese fichero, el programa no debería realizar ninguna operación, más que indicar el error detectado. Otro ejemplo, sería calcular una bonificación sólo para los empleados con más de 10 años de antigüedad.

7 6.1 Programación estructurada E stru ctu ras b ási cas El flujo de control de un programa También puede ocurrir que interese que un grupo de instrucciones se ejecute repetidamente hasta que se le indique que se detenga. Por ejemplo, calcular el promedio de notas para cada uno de los alumnos de un curso, o realizar algún cálculo con cada uno de los elementos de un vector. Para las dos situaciones planteadas existen dos soluciones: las sentencias de control selectivas y las repetitivas. Éstas permiten que el flujo secuencial del programa sea modificado. También cumplen con este objetivo las sentencias denominadas de invocación o salto. Las sentencias alternativas también son conocidas como sentencias selectivas porque permiten seleccionar uno de entre varios caminos por donde seguirá la ejecución del programa. En algunos casos esta selección viene determinada por la evaluación de una expresión lógica.

8 6.1 Programación estructurada El flujo de control de un programa E stru ctu ras b ási cas Este tipo de sentencias se clasifican en tres: simples: SI dobles: SI-SINO múltiples: SEGÚN-SEA A las sentencias repetitivas se les conoce también como sentencias iterativas ya que permiten realizar algo varias veces (repetir, iterar). Dentro de ellas se distinguen: DESDE MIENTRAS REPETIR-HASTA-QUE

9 6.1 Programación estructurada El flujo de control de un programa E stru ctu ras b ási cas Las sentencias de salto o invocación permiten realizar saltos en el flujo de control de un programa, es decir, permiten transferir el control del programa, alterando bruscamente el flujo de control del mismo. En programación estructurada se considera una mala práctica el uso de las condiciones de salto, ya que, entre otras cosas, restan legibilidad al código. Sin embargo, si bien se debe evitar su uso, la mayoría de los lenguajes las incluyen. Las sentencias de salto o invocación son: ROMPER CONTINUAR IR-A VOLVER LANZAR

10 6.2 Estructura de selección. Sentencias anidadas. Según lo expresado, las estructuras de decisión simple y doble permiten seleccionar entre dos alternativas posibles. Sin embargo, la instrucción SI- ENTONCES puede ser utilizada también en casos de selección de más de dos alternativas. Esto es posible anidando estas instrucciones. Es decir, una estructura SI-ENTONCES puede contener a otra, y esta a su vez a otra. La representación en pseudocódigo es la siguiente: SI <condición_1> ENTONCES < sentencias_1 > SINO SI <condición_2> ENTONCES < sentencias_2 > SINO SI <condición_3> ENTONCES.. FIN-SI FIN-SI FIN-SI < sentencias_3 > SINO Como se puede observar, el anidamiento de instrucciones alternativas permite ir descartando valores hasta llegar al bloque de instrucciones que se debe ejecutar. En las instrucciones SI anidadas, las instrucciones ENTONCES y FIN-SI se aplican automáticamente a la instrucción SI anterior más próxima. A fin de que las estructuras anidadas sean más fáciles de leer, es práctica habitual aplicar sangría al cuerpo de cada una.

11 6.2 Estructura de selección. Sentencias anidadas. Ejemplo: Un sensor toma (lee) la temperatura ambiente y de acuerdo al rango en que se encuentre, debe emitir un mensaje. La escala es la siguiente: Mayor que 100 Temperatura muy alta Mal funcionamiento Entre 91 y 100 Rango normal Entre 51 y 90 Bajo el rango normal Menor que 50 Muy frío Apague el equipo ALGORITMO Sensor INICIO LEER temperatura SI temperatura > 100 ENTONCES ESCRIBIR Temperatura muy alta Mal funcionamiento SINO SI temperatura > 90 ENTONCES ESCRIBIR Rango normal SINO SI temperatura > 50 ENTONCES ESCRIBIR Bajo el rango normal SINO ESCRIBIR Muy frío Apague equipo FIN-SI FIN-SI FIN-SI FIN

12 6.2 Estructura de selección. Sentencias anidadas. La sentencia IR-A (go to) La sentencia GO TO pertenece a un grupo de sentencias conocidas como sentencias de salto (jump). La característica de este grupo es hacer que el flujo de control salte a otra parte del programa. Otras sentencias de este grupo son interrumpir o romper (BREAK), continuar (CONTINUE), volver (RETURN), lanzar (THROW). Las dos primeras se utilizan generalmente con sentencias de alternativa múltiple. Para retornar de la ejecución de funciones o métodos se usa RETURN. La sentencia THROW se utiliza en los lenguajes de programación que poseen mecanismos de manipulación de excepciones, como Java, C++ y C#. La sentencia GO TO se utilizaba mucho en los primeros lenguajes de programación porque era la única manera de saltar de una instrucción del programa a otra. Esta instrucción consta de una sentencia IR_A y una sentencia asociada con una etiqueta. Cuando se ejecuta esta instrucción, se transfiere el control del programa a la etiqueta asociada.

13 La sentencia IR-A (go to) E stru ctu ras b ási cas 6.2 Estructura de selección. Sentencias anidadas. La representación en pseudocódigo es la siguiente: INICIO.. IR_A etiqueta_1.. FIN etiqueta_1:. // El flujo salta aquí El efecto de esta instrucción es transferir sin condiciones el control del programa a la etiqueta especificada. Es una de las operaciones más primitivas para traspasar el control de una parte del programa a otra. Sin embargo, su uso produce código inconsistente, incompleto o complicado de mantener. Justamente por ello en los años 60 y 70, cuando surgió la programación estructurada, la comunidad informática se expresó a favor de otras sentencias de control (IF ó bucles FOR y DO-WHILE) en lugar del GOTO.

14 6.2 Estructura de selección. Sentencias anidadas. La sentencia IR-A (go to) Tal creencia está tan arraigada que el GOTO es muy criticado y desaconsejado por todos los que se dedican a la enseñanza de la programación. Una crítica famosa a la sentencia en cuestión es una carta redactada por Edsger Dijkstra1 llamada "Go To Statement ConsideredHarmful" (Sentencia Go To Considerada Dañina). En ella Dijkstra argumenta que el uso irrestricto del GOTO debería ser prohibido en lenguajes de alto nivel ya que dificultan el análisis y la verificación de la corrección de los programas. Si bien la instrucción GOTO puede parecer útil y muy flexible, es precisamente en esa flexibilidad donde radica su peligro y los motivos de su obsolescencia. Si se piensa que cualquier programa minimamente complejo tendrá miles y miles de líneas de código fuente, con millones de flujos de programa posibles diferentes. Si se altera dicho flujo con la sentencia GOTO de un modo incontrolado, el código se volverá totalmente caótico, y por tanto muy difícil de controlar, depurar, mejorar o entender, lo que llevará, inevitablemente,a programas de escasa calidad.

15 6.3 Estructuras de repeticion. Bucles En muchas ocasiones la forma más apropiada de expresar un algoritmo consiste en la repetic ión de una misma instrucción de manera controlada, una cantidad finita de veces determinada de antemano (al diseñar el programa) o en tiempo de ejecución (cada vez que se corre el programa). Por ejemplo, podría ser necesario diseñar un algoritmo similar al de los cajeros automáticos, que solicite una clave al usuario y bloquee el acceso en caso de no ingresar la contraseña correcta luego de tres intentos. O bien, si se desea procesar grupos de datos ingresados por teclado o leídos desde un archivo, hasta que no se encuentren más datos. Las estructuras algorítmicas que permiten realizar operaciones de este tipo se conocen con el nombre de estructuras repetitivas o iterativas. Definicion: Las estructuras que repiten una secuencia de instrucciones un número determinado de veces se denominan bucles y se denomina iteración a la ejecución de cada repetición.

16 6.3 Estructuras de repeticion. Bucles Ejemplo Se desea sumar una lista de números que ingresa desde teclado (por ejemplo, edades de los alumnos de una clase). El algoritmo debería ingresar el valor y sumarlo a una variable SUMA que contenga las sucesivas sumas parciales. ALGORITMO suma INICIO Suma=0 LEER número Suma = suma + número LEER número Suma = suma + número. FIN Como podemos observar, si no utilizamos alguna instrucción de repetir, el algoritmo deberá realizar tantas lecturas y sumas como alumnos se procesen: 10, 100, 1000,...

17 6.3 Estructuras de repeticion. Bucles Es evidente que el método no es óptimo, pero el ejemplo sirve para identificar las instrucciones que se repiten. En este caso, el bucle está formado por las instrucciones: LEER número suma = suma + número y la cantidad de iteraciones estará relacionada con el número de alumnos que se procesen durante la ejecución. Entonces, la dos cuestiones importantes cuando se utilizan estructuras repetitivas son: qué contiene el bucle? y cuántas veces se repite? Las estructuras repetitivas se diferencian en la forma en que se produce la condición de fin del bucle y deberá utilizarse aquella más apropiada al problema particular de que se trate. A continuación, veremos las más usuales:

18 6.3 Estructuras de repeticion. Bucles La estructura PARA (for) Problema: Se desea un programa que muestre en pantalla los números pares entre 1 y 99. INICIO ESCRIBIR 2 ESCRIBIR 4 [ ] ESCRIBIR 96 ESCRIBIR 98 FIN Se dijo que la computadora es muy hábil para repetir tareas sencillas, como la del problema. Cuando se necesita que la computadora repita una operación, con una pequeña variación cada vez, se deben identificar las condiciones para la repetición, y expresar esta variación de una forma comprensible para la máquina.

19 6.3 Estructuras de repeticion. Bucles La estructura PARA (for) Problema: Se desea un programa que muestre en pantalla los números pares entre 1 y 99. En este caso, lo que se desea es una secuencia de números pares, que van desde 2 hasta 98. Estos números pueden expresarse como 2 x k, siendo k un entero que varía entre 1 y 98/2 = 49. Cuando se conoce exactamente la cantidad de veces que es necesario repetir una instrucción, la estructura más apropiada para expresarlo como algoritmo es la estructura PARA. En este caso se puede escribir: INICIO PARA k DESDE 1 HASTA 49 ESCRIBIR k * 2 FIN-PARA FIN

20 6.3 Estructuras de repeticion. Bucles La estructura PARA (for) Problema: Se desea un programa que muestre en pantalla los números pares entre 1 y 99. En este caso, lo que se desea es una secuencia de números pares, que van desde 2 hasta 98. Estos números pueden expresarse como 2 x k, siendo k un entero que varía entre 1 y 98/2 = 49. Cuando se conoce exactamente la cantidad de veces que es necesario repetir una instrucción, la estructura más apropiada para expresarlo como algoritmo es la estructura PARA. En este caso se puede escribir: INICIO PARA k DESDE 1 HASTA 49 ESCRIBIR k * 2 FIN-PARA FIN Otra opción sería: INICIO PARA i DESDE 2 HASTA 98 INCREMENTO 2 ESCRIBIR i FIN-PARA FIN

21 6.3 Estructuras de repeticion. Bucles La estructura PARA (for) Si ahora se solicita: Problema: Se desea un programa que muestre en pantalla los números pares entre 1 y 200. la solución mantiene su sencillez de expresión: INICIO PARA i DESDE 2 HASTA 200 INCREMENTO 2 ESCRIBIR i FIN-PARA FIN

22 6.3.1 La estructura PARA (for) E stru ctu ras b ási cas 6.3 Estructuras de repeticion. Bucles La estructura PARA en forma general es: PARA variable DESDE inicial HASTA final [INCREMENTO incremento] INSTRUCCIÓN [ ] INSTRUCCIÓN FIN-PARA Donde: variable es el nombre de una variable de tipo numérico, en particular entero, definida en el programa, cuyos valores se irán modificando en cada repetición. Es común utilizar como nombre de esta variable i, que proviene de la palabra índice (index en inglés), y si se utilizan varias instrucciones PARA, emplear las letras siguientes del abecedario: j, k, l. inicial es el valor que toma la variable en la primera repetición. final es el valor que toma la variable en la última repetición. incremento es el incremento que recibirá la variable entre repeticiones, es decir, el valor que se le sumará a variable cada vez que se termine una repetición y antes de iniciar la siguiente. Si se omite, se considera que vale 1. También puede tomar valores negativos.

23 6.3 Estructuras de repeticion. Bucles La estructura MIENTRAS (while do) y la estructura HASTA (repeat until) En algunos casos no se conoce de antemano la cantidad de veces que será necesario repetir un conjunto de instrucciones para solucionar el problema, o bien es conveniente que estas instrucciones sean repetidas hasta alcanzar una determinada condición (llamada condición de parada). En estas situaciones se emplean estructuras repetitivas más generales que PARA, como las estructuras MIENTRAS y HASTA. Problema: Se desea un programa que calcule e informe el precio de una llamada telefónica, a partir del número de minutos ingresado por el operador, sabiendo que el precio por minuto es de $0,23. Esta operación debe repetirse cada vez que el operador ingrese una cantidad de minutos mayor que 0, y detenerse en caso contrario. Como se desconoce la cantidad de veces que se repetirá el cálculo del precio, y tampoco puede solicitarse al operador que indique este dato al inicio del programa, la estructura PARA no es apropiada para resolver el problema.

24 6.3 Estructuras de repeticion. Bucles La estructura MIENTRAS (while do) y la estructura HASTA (repeat until) Una posible solución es la siguiente: INICIO LEER minutos HACER precio = minutos * 0,23 ESCRIBIR precio LEER minutos HASTA minutos <= 0 FIN Puede cuestionarse que si el operador ingresa un número menor que 0 la primera vez, el programa mostrará un valor incorrecto y solicitará un nuevo dato antes de detenerse. Una solución alternativa sería: INICIO LEER minutos MIENTRAS minutos > 0 precio = minutos * 0,23 ESCRIBIR precio LEER minutos FIN-MIENTRAS FIN

25 6.3 Estructuras de repeticion. Bucles La estructura MIENTRAS (while do) y la estructura HASTA (repeat until) Una posible solución es la siguiente: INICIO LEER minutos HACER precio = minutos * 0,23 ESCRIBIR precio LEER minutos HASTA minutos <= 0 FIN Puede cuestionarse que si el operador ingresa un número menor que 0 la primera vez, el programa mostrará un valor incorrecto y solicitará un nuevo dato antes de detenerse. Una solución alternativa sería: INICIO LEER minutos MIENTRAS minutos > 0 precio = minutos * 0,23 ESCRIBIR precio LEER minutos FIN-MIENTRAS FIN En este caso, el operador puede ingresar un número menor o igual a cero la primera vez que el programa le solicita un dato, y el programa se detendrá sin informar un precio erróneo. Es importante notar que las condiciones de parada son diferentes. Existen muchas posibilidades para expresar la solución a este problema

26 6.3 Estructuras de repeticion. Bucles La estructura MIENTRAS (while do) y la estructura HASTA (repeat until) La estructura MIENTRAS tiene la forma: MIENTRAS condición INSTRUCCIÓN [ ] INSTRUCCIÓN FIN-MIENTRAS Al ejecutarse se evalúa condición, y en caso de resultar verdadera se ejecutan las instrucciones del bloque, mientras condición mantenga su valor verdadero. La estructura HASTA toma la forma: HACER INSTRUCCIÓN [ ] INSTRUCCIÓN HASTA condición Se dice que MIENTRAS y HASTA son formas más generales de iterar que PARA porque esta última se puede expresar utilizando tanto MIENTRAS como HASTA.

27 6.3 Estructuras de repeticion. Bucles Problema: Se desea un programa que muestre en pantalla los números pares entre 1 y 99. que se resolvió utilizando PARA de la siguiente manera: INICIO PARA k DESDE 1 HASTA 49 ESCRIBIR k * 2 FIN-PARA FIN O utilizando HASTA: INICIO también puede expresarse utilizando k = MIENTRAS: 1 INICIO k = 1 MIENTRAS k <= 49 ESCRIBIR k * 2 k = k + 1 FIN-MIENTRAS FIN HACER ESCRIBIR k * 2 k = k + 1 HASTA k > 49 FIN

28 6.4 Terminaciones Anormales Instrucción INTERRUMPIR (BREAK) Esta instrucción se utiliza cuando se desea terminar un bucle en un lugar determinado del cuerpo del bucle sin esperar a que este termine de modo natural por su entrada o su salida. Esta instrucción corta el ciclo de ejecución, debe ser utilizada con precaución. Ejemplo: LEER número HACER IF número <= 0 INTERRUMPIR suma = suma + número LEER número HASTA número > 100 La instrucción Interrumpir sale del bucle HACER y sigue con la instrucción siguiente a la instrucción HASTA. La sentencia INTERRUMPIR (BREAK) se utiliza frecuentemente junto con una sentencia SI (IF) actuando como una condición interna del bucle.

29 6.4 Terminaciones Anormales Instrucción CONTINUAR (CONTINUE) Esta instrucción hace que el flujo de ejecución salte el resto de un cuerpo del bucle para continuar con el siguiente bucle o iteración. Esta característica suele ser útil en algunas condiciones. Ejemplo: PARA i DESDE 0 HASTA 20 SI (i mod 4 = 0 ) ENTONCES CONTINUAR FIN-SI ESCRIBIR i,, FIN-PARA En este ejemplo, si el valor de i es múltiplo de 4, no escribe ese valor en la salida. El resultado de este bucle será: 1, 2, 3, 5, 6, 7, 9, 10, 11, 13, 14, 15, 17, 18, 19. La sentencia CONTINUAR no afecta la cantidad de veces que se debe ejecutar el bucle.

30 6.5 Diseño de bucles. Bucles Anidados En un algoritmo puede existir y es muy frecuente que existan 2 o más bucles. Dependiendo de la forma en que estén dispuestos, estos pueden ser anidados o independientes. Decimos que los bucles están anidados cuando están dispuestos de forma tal que unos son interiores a otros; y los bucles serán independientes cuando son extremos unos con otros. Así como se podían anidar estructuras de selección, también es posible insertar un bucle dentro de otro. Las reglas para construir estructuras repetitivas anidadas son iguales en ambos casos: la estructura interna debe estar incluida totalmente dentro de la externa y no puede existir solapamiento.

31 6.5 Diseño de bucles. Bucles Anidados PERMITIDAS Y PROHIBIDAS INDEPENDIENTES ANIDADAS NIDOS CRUZADOS SALIR DEL BUCLE ENTRAR AL BUCLE