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El objetivo de este libro es enseñarle a pensar como lo hacen los científicos informáticos. Esta manera de pensar combina las mejores características de la matemática, la ingeniería, y las ciencias naturales. Como los matemáticos, los científicos informáticos usan lenguajes formales para designar ideas (específicamente, computaciones). Como los ingenieros, ellos diseñan cosas, ensamblando sistemas a partir de componentes y evaluando ventajas y desventajas de cada una de las alternativas. Como los científicos, ellos observan el comportamiento de sistemas complejos, forman hipótesis, y prueban sus predicciones.
La habilidad más importante del científico informático es la solución de problemas. La solución de problemas incluye poder formular problemas, pensar en la solución de manera creativa, y expresar una solución con claridad y precisión. Como se verá, el proceso de aprender a programar es la oportunidad perfecta para desarrollar la habilidad de resolver problemas. Por esa razón este capítulo se llama "El Camino del programa".
A cierto nivel, usted aprenderá a programar, lo cual es una habilidad muy útil por sí misma. A otro nivel, usted utilizará la programación para obtener algún resultado. Ese resultado se verá más claramente durante el proceso.
El lenguaje de programación que aprenderá es Python. Python es un ejemplar de un lenguaje de alto nivel; otros ejemplos de lenguajes de alto nivel son C, C++, Perl y Java.
Como se puede deducir de la nomenclatura "lenguaje de alto nivel", también existen lenguajes de bajo nivel, a los que también se califica como lenguajes de máquina o lenguajes ensambladores. A propósito, los computadores sólo ejecutan programas escritos en lenguajes de bajo nivel. Los programas de alto nivel tienen que traducirse antes de ejecutarse. Esta traducción lleva tiempo, lo cual es una pequeña desventaja de los lenguajes de alto nivel.
Aun así las ventajas son enormes. En primer lugar, la programación en lenguajes de alto nivel es mucho más fácil; escribir programas en un lenguaje de alto nivel toma menos tiempo, los programas son más cortos y más fáciles de leer, y es más probable que estos programas sean correctos. En segundo lugar, los lenguajes de alto nivel son portables, lo que significa que pueden ejecutarse en tipos diferentes de computadores sin modificación alguna o con pocas modificaciones. Los programas escritos en lenguajes de bajo nivel sólo pueden ser ejecutarse en un tipo de computador y deben reescribirse para ejecutarlos en otro.
Debido a estas ventajas, casi todos los programa se escriben en un lenguaje de alto nivel. Los lenguajes de bajo nivel sólo se usan para unas pocas aplicaciones especiales.
Hay dos tipos de programas que traducen lenguajes de alto nivel a lenguajes de bajo nivel: intérpretes y compiladores. Un intérprete lee un programa de alto nivel y lo ejecuta, lo que significa que lleva a cabo lo que indica el programa. Traduce el programa poco a poco, leyendo y ejecutando cada comando.
Un compilador lee el programa y lo traduce todo al mismo tiempo, antes de ejecutar cualquiera de las instrucciones. En este caso, al programa de alto nivel se le llama el código fuente, y al programa traducido el código de objeto o el código ejecutable. Una vez compilado el programa, puede ejecutarlo repetidamente sin volver a traducirlo.
Python se considera como lenguaje interpretado porque los programas de Python se ejecutan por medio de un intérprete. Existen dos maneras de usar el intérprete: modo de comando y modo de guión. En modo de comando se escriben sentencias en el lenguaje Python y el intérprete muestra el resultado.
$ python
Python 1.5.2 (#1, Feb 1 2000, 16:32:16)
Copyright 1991-1995 Stichting Mathematish Centrum, Amsterdam
>>> print 1 + 1
2
La primera línea de este ejemplo es el comando que pone en marcha el intérprete Python. Las dos líneas siguientes son mensajes del intérprete. La tercera línea comienza con >>>, que es la invitación del intérprete para indicar que está listo. Escribimos print 1 + 1 y el intérprete contestó 2.
Alternativamente, se puede escribir el programa en un archivo y usar el intérprete para ejecutar el contenido de dicho archivo. El archivo se llama, en este caso, un guión. Por ejemplo, en un editor de texto se puede crear un archivo latoya.py que contenga esta línea:
print 1 + 1
Por acuerdo unánime, los archivos que contienen programas de Python tienen nombres que terminan con .py.
Para ejecutar el programa, se le tiene que indicar el nombre del guión al intérprete.
$ python latoya.py
2
En otros entornos de desarrollo los detalles de la ejecución de programas pueden ser diferentes. Aemás, la mayoría de programas son más interesantes que el mencionado.
La mayoría de ejemplos en este libro se ejecutan desde en la línea de comando. La línea de comando es muy apropiada para el desarrollo de programas y para pruebas rápidas porque se pueden teclear las instrucciones de Python y se pueden ejecutar inmediatamente. Una vez que un programa está completo, puede archivarse en un guión para ejecutarlo o modificarlo en el futuro.
Un programa es una secuencia de instrucciones que especifican cómo ejecutar una computación. La computación puede ser algo matemático, como solucionar un sistema de ecuaciones o determinar las raíces de un polinomio, pero también puede ser una computación simbólica, como buscar y reemplazar el texto de un documento o (aunque parezca raro) compilar un programa.
Las instrucciones (comandos, órdenes) tienen una apariencia diferente en lenguajes de programación diferentes, pero existen algunas funciones básicas que se presentan en casi todo lenguaje:
Lo crea o no, eso es todo. Todos los programas que existen, por complicados que sean, están formulados exclusivamente con tales instrucciones. Así, una manera de describir la programación es: El proceso de romper una tarea en tareas cada vez más pequeñas hasta que estas tareas sean suficientemente simples para ser ejecutadas con una de estas instrucciones simples.
Quizás esta descripción sea un poco ambigua. No se preocupe. Lo explicaremos con más detalle con el tema de los algoritmos.
La programación es un proceso complejo y, por ser realizado por humanos, a menudo desemboca en errores. Por razones caprichosas, esos errores se llaman bugs y el proceso de buscarlos y corregirlos se llama depuración (en inglés "debugging").
Hay tres tipos de errores que pueden ocurrir en un programa, de sintaxis, en tiempo de ejecución y semánticos. Es muy útil distinguirlos para encontrarlos mas rápido.
Python sólo puede ejecutar un programa si el programa es correcto sintácticamente. En caso contrario, es decir si el programa no es correcto sintácticamente, el proceso falla y devuelve un mensaje de error. El término sintaxis se refiere a la estructura de cualquier programa y a las reglas de esa estructura. Por ejemplo, en español la primera letra de toda oración debe ser mayúscula, y todas las oraciones deben terminar con un punto. esta oración tiene un error sintáctico. Esta oración también
Para la mayoría de lectores, unos pocos errores sintácticos no son significatvos, y por eso pueden leer la poesía de e. e. cummings sin anunciar errores de sintaxis. Python no es tan permisivo. Si hay aunque sea un solo error sintáctico en el programa, Python mostrará un mensaje de error y abortará la ejecución del programa. Durante las primeras semanas de su carrera como programador pasará, seguramente, mucho tiempo buscando errores sintácticos. Sin embargo, tal como adquiera experiencia tendrá menos errores y los encontrará mas rápido.
El segundo tipo de error es un error en tiempo de ejecución. Este error no aparece hasta que se ejecuta el programa. Estos errores también se llaman excepciones porque indican que algo excepcional (y malo) ha ocurrido.
Con los programas que vamos a escribir al principio, los errores en tiempo de ejecución ocurrirán con poca frecuencia, así que puede pasar bastante tiempo hasta que vea uno.
El tercer tipo de error es el error semántico. Si hay un error de lógica en su programa, el programa se ejecutará sin ningún mensaje de error, pero el resultado no será el deseado. Será cualquier otra cosa. Concretamente, el programa hará lo que usted le dijo.
A veces ocurre que el programa escrito no es el programa que se tenía en mente. El sentido o significado del programa (su semántica) no es correcto. Es difícil hallar errores de lógica, porque requiere trabajar al revés, observando el resultado del programa para averiguar lo que hace.
Una de las técnicas más importantes que usted aprenderá es la depuración. Aunque a veces es frustrante, la depuración es una de las partes más intelectualmente ricas, interesantes y estimulantes de la programación.
La depuración es una actividad parecida a la tarea de un investigador: se tienen que estudiar las claves para inducir los procesos y eventos llevaron a los resultados que tiene a la vista.
La depuración también es una ciencia experimental. Una vez que se tiene la idea de cuál es el error, se modifica el programa y se intenta nuevamente. Si su hipótesis fue la correcta se pueden predecir los resultados de la modificación y estará más cerca de un programa correcto. Si su hipótesis fue errónea tendrá que idearse otra hipótesis. Como dijo Sherlock Holmes, "Cuando se ha descartado lo imposible, lo que queda, no importa cuan inverosímil, debe ser la verdad." (A. Conan Doyle, The Sign of Four)
Para algunas personas, la programación y la depuración son lo mismo: la programación es el proceso de depurar un programa gradualmente hasta que haga lo que usted quiera. La idea es que debería usted comenzar con un programa que haga algo y hacer pequeñas modificaciones, depurándolas sobre la marcha, de modo que siempre tenga un programa que funcione.
Por ejemplo, Linux es un sistema operativo que contiee miles de líneas de código, pero Linus Torvalds lo comenzó como un programa para explorar el microprocesador Intel 80836. Según Larry Greenfield, "Uno de los proyectos tempranos de Linus fue un programa que alternaba la impresión de AAAA con BBBB. Este programa evolucionó en Linux" (de The Linux Users' Guide Versión Beta 1).
Otros capítulos tratarán más acerca del tema de depuración y otras técnicas de programación.
Los lenguajes naturales son los lenguajes hablados por seres humanos, como el español, el inglés y el francés. No los han diseñados personas (aunque se intente poner cierto orden en ellos), sino que se han desarrollado naturalmente.
Los lenguajes formales son lenguajes diseñados por humanos y que tienen aplicaciones específicas. La notación matemática, por ejemplo, es un lenguaje formal ya que se presta a la representación de las relaciones entre números y símbolos. Los químicos utilizan un lenguaje formal para representar la estructura química de las moléculas. Y lo más importante:
Los lenguajes de programación son lenguajes formales desarrollados para expresar computaciones.
Los lenguajes formales casi siempre tienen reglas sintácticas estrictas. Por ejemplo, 3+3=6 es una expresión matemática correcta, pero 3=+6$ no lo es. De la misma manera, H20 es una nomenclatura química correcta, pero 2Zz no lo es.
Existen dos clases de reglas sintácticas, en cuanto a unidades y estructura. Las unidades son los elementos básicos de un lenguaje, como lo son las palabras, los números y los elementos químicos. Por ejemplo, en 3=+6$, $ no es una unidad matemática aceptada (al menos hasta donde nosotros sabemos. Similarmente, 2Xx no es formal porque no hay ningún elemento con la abreviatura Zz.
La segunda clase de regla sintáctica está relacionada con la estructura de un elemento; o sea, el orden de las unidades. La estructura de la sentencia 3=+6$ no se acepta porque no se puede escribir el símbolo de igualdad seguido de un símbolo positivo. Similarmente, las fórmulas moleculares tienen que mostrar el número de subíndice después del elemento, no antes.
A manera de práctica, trate de producir una oración con estructura aceptada pero que esté compuesta de unidades irreconocibles. Luego escriba otra oración con unidades aceptables pero con estructura no válida.
Al leer una oración, sea en un lenguaje natural o una sentencia en un lenguaje técnico, se debe discernir la estructura de la oración. En un lenguaje natural este proceso, llamado análisis sintáctico ocurre subconscientemente.
Por ejemplo cuando usted escucha la oración "El otro zapato cayó", entiende que "el otro zapato" es el sujeto y "cayó" es el verbo. Cuando se ha analizado la oración sintácticamente, se puede deducir el significado, o la semántica, de la oración. Suponiendo que sepa lo ques es un zapato y lo que es caer, entenderá el significado de la oración.
Aunque existen muchas cosas en común entre los lenguajes naturales y
los lenguajes formales por ejemplo las unidades, la estructura,
la sintaxis y la semántica también existen muchas diferencias:
Los que aprenden a hablar un lenguaje natural es decir, todo el
mundo muchas veces tienen dificultad en adaptarse a los lenguajes
formales. A veces la diferencia entre los lenguajes formales y los
naturales es comparable a la diferencia entre la prosa y la poesía:
He aquí unas sugerencias para la lectura de un programa (y de otros lenguajes formales). Primero, recuerde que los lenguajes formales son mucho más densos que los lenguajes naturales, y por consecuente lleva más tiempo leerlos. También, la estructura es muy importante, así que entonces no es una buena idea leerlo de pies a cabeza, de izquierda a derecha. En vez de eso, aprenda a separar las diferentes partes en su mente, identificar las unidades e interpretar la estructura. Finalmente, ponga atención a los detalles. Los fallos de puntuación y la ortografía, que puede obviar en el lenguaje natural, pueden suponer una gran diferencia en un lenguaje formal.
Tradicionalmente el primer programa en un lenguaje nuevo se llama "Hola, mundo" (Hello world!) porque sólo muestra las palabras "Hola a todo el mundo". En Python es así:
print "Hola, mundo"
Este es un ejemplo de una sentencia print, la cual no imprime nada en papel, más bien muestra un valor. En este caso, el resultado es las palabras
Hola, mundo
Las comillas señalan el comienzo y el final del valor; no aparecen en el resultado.
Alguna gente evalúa la calidad de un lenguaje de programación por la simplicidad del programa "Hola, mundo". Si seguimos ese criterio, Python cumple con todas sus metas.
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