3. Problemas y Soluciones

Sigamos el escenario planteado en la figura 1.1, el cual resume el ciclo de vida de construcción de un programa y nos va a permitir introducir la terminología básica que necesitamos:

• Paso 1: Una persona u organización, denominada el cliente, tiene un problema y necesita la construcción de un programa para resolverlo. Para esto contacta una empresa de desarrollo de software que pone a su disposición un programador.
• Paso 2: El programador sigue un conjunto de etapas, denominadas el proceso, para entender el problema del cliente y construir de manera organizada una solución de buena calidad, de la cual formará parte un programa.
• Paso 3: El programador instala el programa que resuelve el problema en un computador y deja que el usuario lo utilice para resolver el problema. Fíjese que no es necesario que el cliente y el usuario sean la misma persona. Piense por ejemplo que el cliente puede ser el gerente de producción de una fábrica y, el usuario, un operario de la misma.

Fig. 1.1 Proceso de solución de un problema

• En la primera sección nos concentramos en la definición del problema, en la segunda en el proceso de construcción de la solución y, en la tercera, en el contenido y estructura de la solución misma.

3.1. Especificación de un Problema

Partimos del hecho de que un programador no puede resolver un problema que no entiende. Por esta razón, la primera etapa en todo proceso de construcción de software consiste en tratar de entender el problema que tiene el cliente, y expresar toda la información que él suministre, de manera tal que cualquier otra persona del equipo de desarrollo pueda entender sin dificultad lo que espera el cliente de la solución. Esta etapa se denomina análisis y la salida de esta etapa la llamamos la especificación del problema.

Para introducir los elementos de la especificación, vamos a hacer el paralelo con otras ingenierías, que comparten problemáticas similares. Considere el caso de un ingeniero civil que se enfrenta al problema de construir una carretera. Lo primero que éste debe hacer es tratar de entender y especificar el problema que le plantean. Para eso debe tratar de identificar al menos tres aspectos del problema: (1) los requerimientos del usuario (entre qué puntos quiere el cliente la carretera, cuántos carriles debe tener, para qué tipo de tráfico debe ser la carretera), (2) el mundo en el que debe resolverse el problema (el tipo de terreno, la cantidad de lluvia, la temperatura), y (3) las restricciones y condiciones que plantea el cliente (el presupuesto máximo, que las pendientes no sobrepasen el 5%). Sería una pérdida de tiempo y de recursos para el ingeniero civil, intentar construir la carretera si no ha entendido y definido claramente los tres puntos antes mencionados. Y más que tiempo y recursos, habrá perdido algo muy importante en una profesión de servicio como es la ingeniería, que es la confianza del cliente.

En general, todos los problemas se pueden dividir en estos tres aspectos. Por una parte, se debe identificar lo que el cliente espera de la solución. Esto se denomina un requerimiento funcional. En el caso de la programación, un requerimiento funcional hace referencia a un servicio que el programa debe proveer al usuario. El segundo aspecto que conforma un problema es el mundo o contexto en el que ocurre el problema. Si alguien va a escribir un programa para una empresa, no le basta con entender la funcionalidad que éste debe tener, sino que debe entender algunas cosas de la estructura y funcionamiento de la empresa. Por ejemplo, si hay un requerimiento funcional de calcular el salario de un empleado, la descripción del problema debe incluir las normas de la empresa para calcular un salario. El tercer aspecto que hay que considerar al definir un problema son los requerimientos no funcionales, que corresponden a las restricciones o condiciones que impone el cliente al programa que se le va a construir. Fíjese que estos últimos se utilizan para limitar las soluciones posibles. En el caso del programa de una empresa, una restricción podría ser el tiempo de entrega del programa, o la cantidad de usuarios simultáneos que lo deben poder utilizar. En la figura 1.2 se resumen los tres aspectos que conforman un problema.

Fig. 1.2 Aspectos que hacen parte del análisis de un problema

• Analizar un problema es tratar de entenderlo. Esta etapa busca garantizar que no tratemos de resolver un problema diferente al que tiene el cliente.
• Descomponer el problema en sus tres aspectos fundamentales, facilita la tarea de entenderlo: en cada etapa nos podemos concentrar en sólo uno de ellos, lo cual simplifica el trabajo.
• Esta descomposición se puede generalizar para estudiar todo tipo de problemas, no sólo se utiliza en problemas cuya solución sea un programa de computador.
• Además de entender el problema, debemos expresar lo que entendemos siguiendo algunas convenciones.
• Al terminar la etapa de análisis debemos generar un conjunto de documentos que contendrán nuestra comprensión del problema. Con dichos documentos podemos validar nuestro trabajo, presentándoselo al cliente y discutiendo con él.

Ejemplo 1

Objetivo: Identificar los aspectos que hacen parte de un problema.

El problema: una empresa de aviación quiere construir un programa que le permita buscar una ruta para ir de una ciudad a otra, usando únicamente los vuelos de los que dispone la empresa. Se quiere utilizar este programa desde todas las agencias de viaje del país.

Tarea 1:

Objetivo: Identificar los aspectos que forman parte de un problema.

El problema: un banco quiere crear un programa para manejar sus cajeros automáticos. Dicho programa sólo debe permitir retirar dinero y consultar el saldo de una cuenta. Identifique y discuta los aspectos que constituyen el problema. Si el enunciado no es explícito con respecto a algún punto, intente imaginar la manera de completarlo.

Cliente
Usuario
Requerimiento funcional
Mundo del problema
Requerimiento no funcional

Analizar un problema significa entenderlo e identificar los tres aspectos en los cuales siempre se puede descomponer: los requerimientos funcionales, el mundo del problema y los requerimientos no funcionales. Esta división es válida para problemas de cualquier tamaño.

3.2. El Proceso y las Herramientas

Entender y especificar el problema que se quiere resolver es sólo la primera etapa dentro del
proceso de desarrollo de un programa. En la figura 1.3 se hace un resumen de las principales etapas que constituyen el proceso de solución de un problema. Es importante que el lector entienda que si el problema no es pequeño (por ejemplo, el sistema de información de una empresa), o si los requerimientos no funcionales son críticos (por ejemplo, el sistema va a ser utilizado simultáneamente por cincuenta mil usuarios), o si el desarrollo se hace en equipo (por ejemplo, veinte ingenieros trabajando al mismo tiempo), es necesario adaptar las etapas y la manera de trabajar que se plantean en este libro. En este libro sólo abordamos la problemática de construcción de programas de computador para resolver problemas pequeños.

Fig. 1.3 Principales etapas del proceso de solución de problemas

• La primera etapa para resolver un problema es analizarlo. Para facilitar este estudio, se debe descomponer el problema en sus tres partes.
• Una vez que el problema se ha entendido y se ha expresado en un lenguaje que se pueda entender sin ambigüedad, pasamos a la etapa de diseño. Aquí debemos imaginarnos la solución y definir las partes que la van a componer. Es muy común comenzar esta etapa definiendo una estrategia.
• Cuando el diseño está terminado, pasamos a construir la solución.

El proceso debe ser entendido como un orden en el cual se debe desarrollar una serie de actividades que van a permitir construir un programa. El proceso planteado tiene tres etapas principales, todas ellas apoyadas por herramientas y lenguajes especiales:

• Análisis del problema: el objetivo de esta etapa es entender y especificar el problema que se quiere resolver. Al terminar, deben estar especificados los requerimientos funcionales, debe estar establecida la información del mundo del problema y deben estar definidos los requerimientos no funcionales.
• Diseño de la solución: el objetivo es detallar, usando algún lenguaje (planos, dibujos, ecuaciones, diagramas, texto, etc.), las características que tendrá la solución antes de ser construida. Los diseños nos van a permitir mostrar la solución antes de comenzar el proceso de fabricación propiamente dicho. Es importante destacar que dicha especificación es parte integral de la solución.
• Construcción de la solución: tiene como objetivo implementar el programa a partir del diseño y probar su correcto funcionamiento.

Cada una de las etapas de desarrollo está apoyada por herramientas y lenguajes, que van a permitir al programador expresar el producto de su trabajo. En la etapa de construcción de la solución es conveniente contar con un ambiente de desarrollo que ayuda, entre otras cosas, a editar los programas y a encontrar los errores de sintaxis que puedan existir.

Las etapas iniciales del proceso de construcción de un programa son críticas, puesto que cuanto más tarde se detecta un error, más costoso es corregirlo. Un error en la etapa de análisis (entender mal algún aspecto del problema) puede implicar la pérdida de mucho tiempo y dinero en un proyecto. Es importante que al finalizar cada etapa, tratemos de asegurarnos de que vamos avanzando correctamente en la construcción de la solución.

3.3. La Solución a un Problema

La solución a un problema tiene varios componentes, los cuales se ilustran en la figura 1.4. El primero es el diseño (los planos de la solución) que debe definir la estructura del programa y facilitar su posterior mantenimiento. El segundo elemento es el código fuente del programa, escrito en algún lenguaje de programación como Java, C, C# o C++. El código fuente de un programa se crea y edita usando el ambiente de desarrollo mencionado en la sección anterior.

Fig. 1.4 Elementos que forman parte de la solución de un problema

Existen muchos tipos de lenguajes de programación, entre los cuales los más utilizados en la actualidad son los llamados lenguajes de programación orientada a objetos. En este libro utilizaremos Java que es un lenguaje orientado a objetos muy difundido y que iremos presentando poco a poco, a medida que vayamos necesitando sus elementos para resolver problemas.

Un programa es la secuencia de instrucciones (escritas en un lenguaje de programación) que debe ejecutar un computador para resolver un problema.

El tercer elemento de la solución son los archivos de construcción del programa. En ellos se explica la manera de utilizar el código fuente para crear el código ejecutable. Este último es el que se instala y ejecuta en el computador del usuario. El programa que permite traducir el código fuente en código ejecutable se denomina compilador. Antes de poder construir nuestro primer programa en Java, por ejemplo, tendremos que conseguir el respectivo compilador del lenguaje.

El último elemento que forma parte de la solución son las pruebas. Allí se tiene un programa que es capaz de probar que el programa que fue entregado al cliente funciona correctamente. Dicho programa funciona sobre un conjunto predefinido de datos, y es capaz de validar que para esos datos predefinidos (y que simulan datos reales), el programa funciona bien.

La solución de un problema tiene tres partes: (1) el diseño, (2) el programa y (3) las pruebas de corrección del programa. Estos son los elementos que se deben entregar al cliente. Es común que, además de los tres elementos citados anteriormente, la solución incluya un manual del usuario, que explique el funcionamiento del programa.

Si por alguna razón el problema del cliente evoluciona (por ejemplo, si el cliente pide un nuevo requerimiento funcional), cualquier programador debe poder leer y entender el diseño, añadirle la modificación pedida, ajustar el programa y extender las pruebas para verificar la nueva extensión.

La figura 1.5 muestra dos mapas conceptuales (parte a y parte b) que intentan resumir lo visto hasta el momento en este capítulo.

Fig. 1.5 (a) Mapa conceptual de la solución de un problema con un computador

Fig. 1.5 (b) Mapa conceptual de la construcción de un programa