Introducción a los algoritmos y programas. Aprende cómo programar un computador
¿Qué es un algoritmo?
Si se consulta la definición de algoritmo, se entiende que éste es un conjunto finito de instrucciones que se deben seguir para resolver un problema. No obstante, desde el punto de vista de la programación de ordenadores, la definición del algoritmo como la especificación de una serie de pasos, es incompleta. Debe observarse que los ordenadores son equipos que tienen limitaciones físicas en cuanto a capacidad de almacenamiento y procesamiento. Por consiguiente debemos refinar un poco más nuestra definición de algoritmo para hacerla aplicable de manera efectiva en el ámbito de la informática.
Definición:
Un algoritmo se entiende como una sucesión finita de pasos que deben cumplir las siguientes especificaciones:
- Cada paso del algoritmo debe estar bien definido: Esto significa que la definición de un paso debe ser suficientemente clara, para que una persona pueda entenderla y realizarla. Si bien no se puede dar un criterio determinístico para decidir si un paso está bien definido, debemos apelar al sentido común para decidir que un paso está especificado sin ambigüedades.
- Un algoritmo debe tener un principio y un fin: Un programa es un algoritmo escrito con un objetivo: conseguir un resultado. No tiene sentido crear un programa que espere infinitos segundos y luego escriba en pantalla "Hola Mundo!", del mismo modo que un algoritmo debe tener un principio bien definido (tampoco tiene sentido el algoritmo "haz nada, y luego escribe Hola Mundo!").
Modelos computacionales
Un modelo computacional es un modelo matemático en las ciencias de la computación que requiere extensos recursos computacionales para estudiar el comportamiento de un sistema complejo por medio de la simulación por computadora(Que definición no? mejor veamos ejemplos).
Ejemplos de modelos computacionales comunes son modelos de el pronóstico del tiempo, modelos del Earth Simulator, modelos de simulador de vuelo, y modelos de red neural.(Que definición aburrida!, pero bueno, entenderás que a veces son inevitables)
Programas: Algoritmos para ser ejecutados por un ordenador
Un ordenador o computadora está, desde que se enciende hasta que se apaga totalmente, ejecutando un algoritmo. Por lo general, estos algoritmos, escritos para que los entienda una máquina, terminan siendo vagos y confusos para la mayoría de quienes no han estudiado programación. Una máquina no puede entender "escribe Hola Mundo!" porque no sabe lo que es "escribe" ni lo que es una letra o un espacio, ni lo que es una pantalla. En cambio, puede entender "mov eax, 0x23afb31" (escribir en la dirección de memoria eax el número 0x23afb31 en hexadecimal), aunque nosotros no(Que gracioso ¿verdad?). Un ordenador es solo un circuito electrónico, no funciona a base de magia ni nada por el estilo.
Debido a lo difícil que es escribir en lenguaje máquina, e incluso en ensamblador, se crearon diferentes lenguajes de programación, más o menos parecidos al inglés actual y a cómo se redacta un algoritmo. Estos lenguajes proveen de cosas tan complejas para una máquina como los bucles o ciclos for, (si nada de esto es claro, no te preocupes, pronto lo comprenderás). Los compiladores se encargan de traducir esos ficheros al lenguaje ensamblador que corresponda, el ensamblador de traducirlos a lenguaje máquina y el enlazador de juntar todo ese código máquina en un solo archivo, el programa. Y el microprocesador, se encarga de ir encendiendo o apagando transistores según lo que le diga el código máquina. Es fácil entender el lenguaje de alto nivel en comparación al lenguaje máquina pero de la evolución surgieron.
¿Qué instrucciones ejecuta un ordenador?
Lenguaje de máquina
Cada tipo de microprocesador contiene un conjunto de instrucciones que realizan ciertas operaciones sobre una o más palabras de bits las instrucciones van también codificadas en bits. No queremos hacer aquí una discusión sobre arquitectura de ordenadores, por lo que con esto debe valer por ahora.
Se entiende que escribir sólo con dos teclas, el 0 y el 1, es incómodo (pues lograr escribir una simple letra necesitaba de varios números ceros y unos para ello, mira aquí el alfabeto en binario). Históricamente, a la hora de diseñar un algoritmo para que el ordenador ejecutara, se escribía mediante unas etiquetas mnemotécnicas; éste fue el origen del lenguaje ensamblador. Por ejemplo quizás en una cierta arquitectura la instrucción de borrado de memoria (Memory Clear, en inglés) corresponda al código 010. Pronto surgieron programas que leían, siguiendo el ejemplo, MC, y lo sustituían por 010.
Lenguaje ensamblador
El código máquina tenía dos grandes inconvenientes para los programadores:
- El primero es que se trata de unas instrucciones difíciles de recordar ya que no guardan relación con la operación que se está realizando.
- El segundo inconveniente es que puede haber, y de hecho hay, diferencias entre las instrucciones de un procesador a otro.
Todo esto ha llevado a "poner nombre" a las instrucciones de código máquina de manera que a una secuencia concreta de bits que realiza una operación se le pone un nombre sencillo que identifique la operación. Esta traducción a un lenguaje más sencillo para las personas resulta en una mayor comodidad para el programador, además el proceso de traducción inverso de lenguaje ensamblador a código máquina puede ser realizado por un sencillo programa.
Programación para seres humanos
Lenguajes de alto nivel
Sobre este lenguaje ensamblador inicial se fueron construyendo otros lenguajes de programación de más alto nivel; esto significa que ocultan ciertos aspectos de manera que el programador no se ha de preocupar sobre si en la máquina que quiere que se ejecute el algoritmo el MC corresponde a la instrucción 101 o 010. Se produce, por tanto, una abstracción de datos, muy deseable para poder utilizar el trabajo de otros para avanzar un paso más en vez de tener que "reinventar la rueda", como se suele decir. Estos textos en los que se codifican los algoritmos son los códigos fuente; siguen las reglas sintácticas de un determinado lenguaje de programación. Existen numerosos lenguajes de programación, y se utiliza uno u otro según sus características se adecúen más o menos a la resolución de nuestro problema.
Traductores e intérpretes
Tras la escritura del algoritmo, un compilador o un intérprete (otros programas) transformarán el texto en código máquina que el procesador es capaz de ejecutar. Toda esta abstracción permite resolver problemas alejados de sumar números binarios, como pueden ser la consulta de este texto o jugar a un videojuego en 3D.
Lenguajes interpretados vs. lenguajes compilados
Los lenguajes interpretados nacen como respuesta a la dificultad de manejo de los compilados. Un lenguaje compilado es sólo apto para un sistema operativo o formato de ejecutable (en Linux y Unix System es ELF, en Windows o incluso en BSD es muy diferente), y es tedioso de manejar.
Para comprobar bugs o errores el computador debe:
- Compilar cada uno de los ficheros de código.
- Ensamblarlos en ficheros objeto.
- Enlazar los ficheros objeto.
- Volverlos a ensamblar.
Todo eso no es gran derroche de recursos para un ordenador medio actualmente, pero dura sus 10 o 15 segundos (Que en términos de programación es muchísimo tiempo). En cambio, con un lenguaje interpretado, el programa intérprete analiza el fichero de código y lo va ejecutando en tiempo real, sin compilarlo ni ensamblarlo. Otra de las ventajas de los lenguajes interpretados es que son multiplataforma: un programa en Perl, por ejemplo, no debe ser compilado dos veces (una para Unix y otra para Windows). Con que haya diferentes versiones del intérprete en cada uno de esos ordenadores, específicamente compilados para ellos, basta.
Sus desventajas:
- Consume muchos recursos de memoria, sobre todo RAM.
- Se depende del intérprete: si no tienes instalado el intérprete que corresponda, no podrás ejecutar el programa.
Ejemplos de lenguajes interpretados son PHP, Perl, PythonTcl/Tk, BASIC, LISP (en algunas de sus versiones)...
Muy bien, ahora que hemos terminado de ver tanta teoría (que reconozco es aburrida, pero seguro la recordaras y usarás, porque es necesaria) vamos a ir al siguiente contenido (técnicas básicas de programación), te aseguro que va a ser más entretenido y comenzarás a hacer tus primeros algoritmos y programas. ¡Vamos! a aprender a programar.
La última actualización de este artículo fue hace 4 años
