Fundamentos de programación/Algoritmos y programas

¿Qué es un algoritmo?

Por algoritmo, se entiende a 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.

El algoritmo es un conjunto de pasos, instrucciones o acciones que se deben seguir para resolver un problema. Existen una gran cantidad de algoritmos, hay que escoger el más efectivo. Hay dos tipos de algoritmos que son los cualitativos y cuantitativos, cualitativos son todos aquellos pasos o instrucciones descritos por medio de palabras que sirven para llegar a la obtención de una respuesta o solución de un problema, y cuantitativos son todos aquellos pasos o instrucciones que involucran cálculos numéricos para llegar a un resultado satisfactorio.

Características:

• Tiene que ser preciso.
• Tiene que estar bien definido.
• Tiene que ser finito.
• La programación es adaptar el algoritmo al ordenador.
• El algoritmo es independiente según donde lo implemente.

Definición: Un algoritmo se entiende como una sucesión finita de pasos que debe 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 ~ segundos (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. El sistema bajo estudio es a menudo un sistema complejo no lineal para el cual las soluciones analíticas simples e intuitivas no están fácilmente disponibles. En lugar de derivar una solución analítica matemática para el problema, la experimentación es hecha con el modelo cambiando los parámetros del sistema en la computadora, y se estudian las diferencias en el resultado de los experimentos. Las teorías de la operación del modelo se pueden derivar/deducir de estos experimentos de computacionales.

Ejemplos de modelos de computacionales comunes son modelos del pronóstico del tiempo, modelos del Earth Simulator, modelos de simulador de vuelo, modelos de plegamiento molecular de proteínas, y modelos de red neuronal.

Se considera a los algoritmos al conjunto de pasos ordenados, que permiten resolver un problema bajo una secuencia lógica, es decir, que tenga inicio y fin (sentido concreto).

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 el registro eax el número 0x23afb31), aunque nosotros no. 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 for. 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. 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:

• las instrucciones eran difíciles de recordar, ya que no guardaban relación con la operación que se está realizando.
• 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 esta misma enciclopedia o jugar a un videojuego en 3D.

Lenguajes interpretados vs. lenguajes compilados

Los lenguajes interpretados son 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 GNU/Linux y Unix System V 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. 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, Python, Tcl/Tk, BASIC, LISP (en algunas de sus versiones)...