¿Cómo funciona un programa de computadora?

Este curso tiene como objetivo explicar el lenguaje Python y para que se utiliza. Vamos a comenzar desde los fundamentos básicos.

Un programa hace que una computadora sea utilizable. Sin un programa, una computadora, incluso la más poderosa, no es más que un objeto. Del mismo modo, sin un pianista, un piano no es más que una caja de madera.

Las computadoras pueden realizar tareas muy complejas, pero esta habilidad no es innata. La naturaleza de una computadora es bastante diferente.

Una computadora puede ejecutar solo operaciones extremadamente simples, por ejemplo, una computadora no puede comprender el valor de una función matemática complicada por sí misma, aunque esto no está más allá de los límites posibles en un futuro próximo.

Las computadoras contemporáneas solo pueden evaluar los resultados de operaciones muy fundamentales, como sumar o dividir, pero pueden hacerlo muy rápido y pueden repetir estas acciones prácticamente cualquier cantidad de veces.

Imagina que quieres conocer la velocidad promedio que has alcanzado durante un largo viaje. Sabes la distancia, sabes el tiempo, necesitas la velocidad.

Naturalmente, la computadora podrá calcular esto, pero la computadora no es consciente de cosas como la distancia, la velocidad o el tiempo. Por lo tanto, es necesario instruir a la computadora para que:

• Acepte un número que represente la distancia.


• Acepte un número que represente el tiempo de viaje.


• Divida el valor anterior entre el segundo y almacene el resultado en la memoria.


• Muestre el resultado (representando la velocidad promedio) en un formato legible.

Estas cuatro acciones simples forman un programa. Por supuesto, estos ejemplos no están formalizados, y están muy lejos de lo que la computadora puede entender, pero son lo suficientemente buenos como para traducirlos a un lenguaje que la computadora pueda aceptar.

La palabra clave es el lenguaje.

Lenguajes naturales frente a lenguajes de programación

Un lenguaje es un medio (y una herramienta) para expresar y registrar pensamientos. Hay muchos lenguajes a nuestro alrededor. Algunos de ellos no requieren hablar ni escribir, como el lenguaje corporal. Es posible expresar tus sentimientos más profundos de manera muy precisa sin decir una sola palabra.

Otro lenguaje que empleas cada día es tu lengua materna, que utilizas para manifestar tu voluntad y para pensar en la realidad. Las computadoras también tienen su propio lenguaje, llamado lenguaje máquina, el cual es muy rudimentario.

Una computadora, incluso la más técnicamente sofisticada, carece incluso de un rastro de inteligencia. Se podría decir que es como un perro bien entrenado, responde solo a un conjunto predeterminado de comandos conocidos.

Los comandos que reconoce son muy simples. Podemos imaginar que la computadora responde a órdenes como "Toma este número, divídelo entre otro y guarda el resultado".

Un conjunto completo de comandos conocidos se llama lista de instrucciones, a veces abreviada IL (por sus siglas en inglés). Los diferentes tipos de computadoras pueden variar según el tamaño de sus IL y las instrucciones pueden ser completamente diferentes en diferentes modelos.

Nota: los lenguajes máquina son desarrollados por humanos.

Ninguna computadora es actualmente capaz de crear un nuevo idioma. Sin embargo, eso puede cambiar pronto. Por otro lado, las personas también usan varios idiomas muy diferentes, pero estos idiomas se crearon ellos mismos. Además, todavía están evolucionando.

Cada día se crean nuevas palabras y desaparecen las viejas. Estos lenguajes se llaman lenguajes naturales.

¿Qué compone a un lenguaje?

Podemos decir que cada lenguaje (máquina o natural, no importa) consta de los siguientes elementos:

Un alfabeto: un conjunto de símbolos utilizados para formar palabras de un determinado lenguaje (por ejemplo, el alfabeto latino para el inglés, el alfabeto cirílico para el ruso, el kanji para el japonés, y así sucesivamente).

Un léxico: (también conocido como diccionario) un conjunto de palabras que el lenguaje ofrece a sus usuarios (por ejemplo, la palabra "computadora" proviene del diccionario en inglés, mientras que "cmoptrue" no; la palabra "chat" está presente en los diccionarios de inglés y francés, pero sus significados son diferentes.

Una sintáxis: un conjunto de reglas (formales o informales, escritas o interpretadas intuitivamente) utilizadas para precisar si una determinada cadena de palabras forma una oración válida (por ejemplo, "Soy una serpiente" es una frase sintácticamente correcta, mientras que "Yo serpiente soy una" no lo es).

Una semántica: un conjunto de reglas que determinan si una frase tiene sentido (por ejemplo, "Me comí una dona" tiene sentido, pero "Una dona me comió" no lo tiene).

La IL es, de hecho, el alfabeto de un lenguaje máquina. Este es el conjunto de símbolos más simple y principal que podemos usar para dar comandos a una computadora. Es la lengua materna de la computadora.

Desafortunadamente, esta lengua está muy lejos de ser una lengua materna humana. Ambos (tanto las computadoras como los humanos) necesitamos algo más, un lenguaje común para las computadoras y los seres humanos, o un puente entre los dos mundos diferentes.

Necesitamos un lenguaje en el que los humanos puedan escribir sus programas y un lenguaje que las computadoras puedan usar para ejecutar los programas, que es mucho más complejo que el lenguaje máquina y más sencillo que el lenguaje natural.

Tales lenguajes son a menudo llamados lenguajes de programación de alto nivel. Son algo similares a los naturales en que usan símbolos, palabras y convenciones legibles para los humanos. Estos lenguajes permiten a los humanos expresar comandos a las computadoras que son mucho más complejos que las instrucciones ofrecidas por las IL.

Un programa escrito en un lenguaje de programación de alto nivel se llama código fuente (en contraste con el código de máquina ejecutado por las computadoras). Del mismo modo, el archivo que contiene el código fuente se llama archivo fuente.

La compilación frente a la interpretación

La programación de computadora es el acto de establecer una secuencia de instrucciones con la cual se causará el efecto deseado. El efecto podría ser diferente en cada caso específico: depende de la imaginación, el conocimiento y la experiencia del programador.

Por supuesto, tal composición tiene que ser correcta en muchos sentidos, tales como:

Alfabéticamente: un programa debe escribirse en una secuencia de comandos reconocible, por ejemplo, el Romano, Cirílico, etc.

Léxicamente: cada lenguaje de programación tiene su diccionario y necesitas dominarlo; afortunadamente, es mucho más simple y más pequeño que el diccionario de cualquier lenguaje natural.

Sintácticamente: cada idioma tiene sus reglas y deben ser obedecidas.

Semánticamente: El programa tiene que tener sentido.

Desafortunadamente, un programador también puede cometer errores en cada uno de los cuatro sentidos anteriores. Cada uno de ellos puede hacer que el programa se vuelva completamente inútil.

Supongamos que has escrito correctamente un programa. ¿Cómo persuadimos a la computadora para que lo ejecute? Tienes que convertir tu programa en lenguaje máquina. Afortunadamente, la traducción puede ser realizada por la computadora, haciendo que todo el proceso sea rápido y eficiente.

Existen dos formas diferentes de transformar un programa de un lenguaje de programación de alto nivel a un lenguaje de máquina:

COMPILACIÓN: el programa fuente se traduce una vez (sin embargo, esta ley debe repetirse cada vez que se modifique el código fuente) obteniendo un archivo (por ejemplo, un archivo .exe si el código está diseñado para ejecutarse en MS Windows) que contiene el código máquina; ahora puedes distribuir el archivo en todo el mundo; el programa que realiza esta traducción se llama compilador o traductor.

INTERPRETACIÓN: Tú (o cualquier usuario del código) puedes traducir el programa fuente cada vez que se ejecute; el programa que realiza este tipo de transformación se denomina intérprete, ya que interpreta el código cada vez que está destinado a ejecutarse; también significa que no puede distribuir el código fuente tal como está, porque el usuario final también necesita que el intérprete lo ejecute.

Debido a algunas razones muy fundamentales, un lenguaje de programación de alto nivel en particular está diseñado para caer en una de estas dos categorías.

Existen muy pocos idiomas que se pueden ser tanto compilados como interpretados. Por lo general, un lenguaje de programación se proyecta con este factor en la mente de sus constructores: ¿Se compilará o interpretará?

¿Qué hace realmente el intérprete?

Supongamos una vez más que has escrito un programa. Ahora, existe como un archivo de computadora: un programa de computadora es en realidad una pieza de texto, por lo que el código fuente generalmente se coloca en archivos de texto.

Nota: debe ser texto puro, sin ninguna decoración, como diferentes fuentes, colores, imágenes incrustadas u otros medios. Ahora tienes que invocar al intérprete y dejar que lea el archivo fuente.

El intérprete lee el código fuente de una manera que es común en la cultura occidental: de arriba hacía abajo y de izquierda a derecha. Hay algunas excepciones: se cubrirán más adelante en el curso.

En primer lugar, el intérprete verifica si todas las líneas subsiguientes son correctas (utilizando los cuatro aspectos tratados anteriormente).

Si el intérprete encuentra un error, termina su trabajo inmediatamente. El único resultado en este caso es un mensaje de error.

El intérprete te informará dónde se encuentra el error y qué lo causó. Sin embargo, estos mensajes pueden ser engañosos, ya que el intérprete no puede seguir tus intenciones exactas y puede detectar errores a cierta distancia de sus causas reales.

Por ejemplo, si intentas usar una entidad de un nombre desconocido, causará un error, pero el error se descubrirá en el lugar donde se intenta usar la entidad, no donde se introdujo el nombre de la nueva entidad.

En otras palabras, la razón real generalmente se ubica un poco antes en el código, por ejemplo, en el lugar donde se tuvo que informar al intérprete de que usarías la entidad del nombre.

Si la línea se ve bien, el intérprete intenta ejecutarla (nota: cada línea generalmente se ejecuta por separado, por lo que el trío "Lectura - Verificación - Ejecución", puede repetirse muchas veces, más veces que el número real de líneas en el archivo fuente, debido a que algunas partes del código pueden ejecutarse más de una vez).

También es posible que una parte significativa del código se ejecute con éxito antes de que el intérprete encuentre un error. Este es el comportamiento normal en este modelo de ejecución.

Puedes preguntar ahora: ¿Cuál es mejor? ¿El modelo de "compilación" o el modelo de "interpretación"? No hay una respuesta obvia. Si lo hubiera, uno de estos modelos habría dejado de existir hace mucho tiempo. Ambos tienen sus ventajas y sus desventajas.

La compilación frente a la interpretación - ventajas y desventajas

Debido a razones históricas, los lenguajes diseñados para ser utilizados en la manera de interpretación a menudo se llaman lenguajes de scripting, mientras que los programas fuente codificados que los usan se llaman scripts.

Compilación: ventajas

• La ejecución del código traducido suele ser más rápida.


• Solo el programador debe tener el compilador; el usuario final puede usar el código sin él.


• El código traducido se almacena en lenguaje máquina, ya que es muy difícil de entender, es probable que tus propios inventos y trucos de programación sigan siendo un secreto.

Compilación: desventajas

• La compilación en sí misma puede llevar mucho tiempo; es posible que no puedas ejecutar tu código inmediatamente después de cualquier modificación.


• Tienes que tener tantos compiladores como plataformas de hardware en las que deseas que se ejecute tu código.

Interpretación: ventajas

• Puedes ejecutar el código en cuanto lo completes; no hay fases adicionales de traducción.


• El código se almacena utilizando el lenguaje de programación, no el de la máquina; esto significa que puede ejecutarse en computadoras que utilizan diferentes lenguajes máquina; no se compila el código por separado para cada arquitectura diferente.

Interpretación: desventajas

• No esperes que la interpretación incremente tu código a alta velocidad: tu código compartirá la potencia de la computadora con el intérprete, por lo que no puede ser realmente rápido.


• Tanto tú como el usuario final deben tener el intérprete para ejecutar el código.

¿Qué significa todo esto para ti?

Python es un lenguaje interpretado. Esto significa que hereda todas las ventajas y desventajas descritas. Por supuesto, agrega algunas de sus características únicas a ambos conjuntos.

Si deseas programar en Python, necesitarás el intérprete de Python. No podrás ejecutar tu código sin él. Afortunadamente, Python es gratis. Esta es una de sus ventajas más importantes.

¿Qué es Python?

Python es un lenguaje de programación de alto nivel, interpretado, orientado a objetos y de uso generalizado con semántica dinámica, que se utiliza para la programación de propósito general.

Aunque puede que conozcas a la pitón como una gran serpiente, el nombre del lenguaje de programación Python proviene de una vieja serie de comedia de la BBC llamada Monty Python's Flying Circus.

En el apogeo de su éxito, el equipo de Monty Python estaba realizando sus escenas en vivo para audiencias en todo el mundo, incluso en el Hollywood Bowl.

Dado que Monty Python es considerado uno de los dos nutrientes fundamentales para un programador (el otro es la pizza), el creador de Python nombró el lenguaje en honor al programa de televisión.

¿Quién creó Python?

Una de las características sorprendentes de Python es el hecho de que en realidad es el trabajo de una persona. Por lo general, los grandes lenguajes de programación son desarrollados y publicados por grandes compañías que emplean a muchos profesionales, y debido a las normas de derechos de autor, es muy difícil nombrar a cualquiera de las personas involucradas en el proyecto. Python es una excepción.

No existen muchos lenguajes de programación cuyos autores sean conocidos por su nombre. Python fue creado por Guido van Rossum, nacido en 1956 en Haarlem, Países Bajos. Por supuesto, Guido van Rossum no desarrolló y evolucionó todos los componentes de Python.

La velocidad con la que Python se ha extendido por todo el mundo es el resultado del trabajo continuo de miles de (muy a menudo anónimos) programadores, testers, usuarios (muchos de ellos no son especialistas en TI) y entusiastas, pero hay que decir que la primera idea (la semilla de la que brotó Python) llegó a una cabeza: la de Guido.

¿Rivales de Python?

Python tiene dos competidores directos, con propiedades y predisposiciones comparables. Estos son:

Pearl: un lenguaje de scripting originalmente escrito por Larry Wall.

Rubi: un lenguaje de scripting originalmente escrito por Yukihiro Matsumoto.

El primero es más tradicional, más conservador que Python, y se parece a algunos de los buenos lenguajes antiguos derivados del lenguaje de programación C clásico.

En contraste, este último es más innovador y está más lleno de ideas nuevas. Python se encuentra en algún lugar entre estas dos creaciones.

Internet está lleno de foros con discusiones infinitas sobre la superioridad de uno de estos tres sobre los otros, por si deseas obtener más información sobre cada uno de ellos.

¿Dónde podemos ver a Python en acción?

Lo vemos todos los días y en casi todas partes. Se utiliza ampliamente para implementar complejos Servicios de Internet como motores de búsqueda, almacenamiento en la nube y herramientas, redes sociales, etc. Cuando utilizas cualquiera de estos servicios, en realidad estás muy cerca de Python.

Muchas herramientas de desarrollo se implementan en Python. Cada vez se escriben más aplicaciones de uso diario en Python. Muchos científicos han abandonado las costosas herramientas patentadas y se han cambiado a Python. Muchos testers de proyectos de TI han comenzado a usar Python para llevar a cabo procedimientos de prueba repetibles. La lista es larga.

¿Por qué no Python?

A pesar de la creciente popularidad de Python, todavía existen algunos nichos en los que Python está ausente o rara vez se ve:

Programación de bajo nivel (a veces llamada programación "cercana al metal"): si deseas implementar un controlador o motor gráfico extremadamente efectivo, no se usaría Python.

Aplicaciones para dispositivos móviles: este territorio aún está a la espera de ser conquistado por Python, lo más probable es que suceda algún día.

Existe más de un Python

Existen dos tipos principales de Python, llamados Python 2 y Python 3.

Python 2 es una versión anterior del Python original. Su desarrollo se ha estancado intencionalmente, aunque eso no significa que no haya actualizaciones. Por el contrario, las actualizaciones se emiten de forma regular, pero no pretenden modificar el idioma de manera significativa. Prefieren arreglar cualquier error recién descubierto y agujeros de seguridad. La ruta de desarrollo de Python 2 ya ha llegado a un callejón sin salida, pero Python 2 en sí todavía está muy vivo.

Python 3 es la versión más nueva (para ser precisos, la actual) del lenguaje. Está atravesando su propio camino de evolución, creando sus propios estándares y hábitos.

Estas dos versiones de Python no son compatibles entre sí. Las secuencias de comandos de Python 2 no se ejecutarán en un entorno de Python 3 y viceversa, por lo que si deseas que un intérprete de Python 3 ejecute el código Python 2 anterior, la única solución posible es volver a escribirlo, no desde cero, por supuesto. Grandes partes del código pueden permanecer intactas, pero tienes que revisar todo el código para encontrar todas las incompatibilidades posibles. Desafortunadamente, este proceso no puede ser completamente automatizado.

Es demasiado difícil, consume mucho tiempo, es demasiado caro y es demasiado arriesgado migrar una aplicación Python 2 antigua a una nueva plataforma. Es posible que reescribir el código le introduzca nuevos errores. Es más fácil y mas sensato dejar estos sistemas solos y mejorar el intérprete existente, en lugar de intentar trabajar dentro del código fuente que ya funciona.

Python 3 no es solo una versión mejorada de Python 2, es un lenguaje completamente diferente, aunque es muy similar a su predecesor. Cuando se miran a distancia, parecen ser el mismo, pero cuando se observan de cerca, se notan muchas diferencias.

Si estás modificando una solución de Python existente, entonces es muy probable que esté codificada en Python 2. Esta es la razón por la que Python 2 todavía está en uso. Hay demasiadas aplicaciones de Python 2 existentes para descartarlo por completo.

NOTA: Si se va a comenzar un nuevo proyecto de Python, deberías usar Python 3, esta es la versión de Python que se usará durante este curso.

Es importante recordar que puede haber diferencias mayores o menores entre las siguientes versiones de Python 3 (p. Ej., Python 3.6 introdujo claves de diccionario ordenadas de forma predeterminada en la implementación de CPython). La buena noticia es que todas las versiones más nuevas de Python 3 son compatibles con las versiones anteriores de Python 3. Siempre que sea significativo e importante, intentaremos resaltar esas diferencias en el curso.

Todos los ejemplos de código que encontrarás durante el curso se han probado con Python 3.4 en adelante.

Python alias CPython

Además de Python 2 y Python 3, existe más de una versión de cada uno.

En primer lugar, están los Pythons que se mantienen por las personas reunidas en torno a PSF (Python Software Foundation), una comunidad que tiene como objetivo desarrollar, mejorar, expandir y popularizar Python y su entorno. El presidente del PSF es el propio Guido van Rossum, y por esta razón, estos Pythons se llaman canónicos. También se consideran Pythons de referencia, ya que cualquier otra implementación del lenguaje debe seguir todos los estándares establecidos por el PSF.

Guido van Rossum utilizó el lenguaje de programación "C" para implementar la primera versión de su lenguaje y esta decisión aún está vigente. Todos los Pythons que provienen del PSF están escritos en el lenguaje "C". Existen muchas razones para este enfoque. Una de ellas (probablemente la más importante) es que gracias a ello, Python puede ser portado y migrado fácilmente a todas las plataformas con la capacidad de compilar y ejecutar programas en lenguaje "C" (virtualmente todas las plataformas tienen esta característica, lo que abre mucha expansión y oportunidades para Python).

Esta es la razón por la que la implementación de PSF a menudo se denomina CPython. Este es el Python más influyente entre todos los Pythons del mundo.

Cython

Otro miembro de la familia Python es Cython.

Cython es una de las posibles soluciones al rasgo de Python más doloroso: la falta de eficiencia. Los cálculos matemáticos grandes y complejos pueden ser fácilmente codificados en Python (mucho más fácil que en "C" o en cualquier otro lenguaje tradicional), pero la ejecución del código resultante puede requerir mucho tiempo.

¿Cómo se reconcilian estas dos contradicciones? Una solución es escribir tus ideas matemáticas usando Python, y cuando estés absolutamente seguro de que tu código es correcto y produce resultados válidos, puedes traducirlo a "C". Ciertamente, "C" se ejecutará mucho más rápido que Python puro.

Esto es lo que pretende hacer Cython: traducir automáticamente el código de Python (limpio y claro, pero no demasiado rápido) al código "C" (complicado y hablador, pero ágil).

Jython

Otra versión de Python se llama Jython.

"J" es de "Java". Imagina un Python escrito en Java en lugar de C. Esto es útil, por ejemplo, si desarrollas sistemas grandes y complejos escritos completamente en Java y deseas agregarles cierta flexibilidad de Python. El tradicional CPython puede ser difícil de integrar en un entorno de este tipo, ya que C y Java viven en mundos completamente diferentes y no comparten muchas ideas comunes.

Jython puede comunicarse con la infraestructura Java existente de manera más efectiva. Es por esto que algunos proyectos lo encuentran útil y necesario.

Nota: la implementación actual de Jython sigue los estándares de Python 2. Hasta ahora, no hay Jython conforme a Python 3.

PyPy y RPython

Es un entorno de Python escrito en un lenguaje similar a Python llamado RPython (Restricted Python). En realidad es un subconjunto de Python.

El código fuente de PyPy no se ejecuta de manera interpretativa, sino que se traduce al lenguaje de programación C y luego se ejecuta por separado.

Esto es útil porque si deseas probar cualquier característica nueva que pueda ser o no introducida en la implementación de Python, es más fácil verificarla con PyPy que con CPython. Esta es la razón por la que PyPy es más una herramienta para las personas que desarrollan Python que para el resto de los usuarios.

Esto no hace que PyPy sea menos importante o menos serio que CPython. Además, PyPy es compatible con el lenguaje Python 3. Hay muchos más Pythons diferentes en el mundo. Los encontrarás sí los buscas.

Cómo obtener y utilizar Python

Existen varias formas de obtener tu propia copia de Python 3, dependiendo del sistema operativo que utilices.

Es probable que los usuarios de Linux tengan Python ya instalado - este es el escenario más probable, ya que la infraestructura de Python se usa de forma intensiva en muchos componentes del sistema operativo Linux.

Por ejemplo, algunas distribuciones pueden ensamblar herramientas específicas con el sistema y muchas de estas herramientas, como los administradores de paquetes, a menudo están escritas en Python. Algunas partes de los entornos gráficos disponibles en el mundo de Linux también pueden usar Python.

Si eres un usuario de Linux, abre la terminal/consola y escribe:

python3

En el prompt del shell, presiona Enter y espera.

Si ves algo como esto:

Python 3.4.5 (default, Jan 12 2017, 02:28:40)
[GCC 4.2.1 Compatible Clang 3.7.1 (tags/RELEASE_371/final)] 
Type "help", "copyright", "credits" or "license".
>>>

Entonces no tienes que hacer nada más.

Si Python 3 está ausente, consulta la documentación de Linux para saber cómo utilizar tu administrador de paquetes para descargar e instalar un paquete nuevo. El que necesitas se llama python3 o su nombre comienza con eso.

Todos los usuarios que no sean de Linux pueden descargar una copia en https://www.python.org/downloads/.

Sin embargo, para levar los sigueintes 3 módulos básicos de Python, te recomiendo ampliamente descargar Anaconda, es completamente gratis y ofrece una gama amplia de posibilidades para el usuario. En la parte supeior de cada módulo encontrarás un archivo colgado, descarga y ábrelo desde Jupyter en tu ordenador para ir de la mano con cada uno de los ejercicios que se verán.

Anaconda

Anaconda es una distribución de Python ampliamente recomendada para estudiantes y profesionales debido a su facilidad de uso y funcionalidad integral. Incluye Jupyter, una plataforma interactiva que permite escribir y ejecutar código de manera flexible y visual, lo que facilita la enseñanza y el aprendizaje. Con Jupyter, los alumnos pueden crear documentos combinando código, visualizaciones y texto explicativo, lo que hace que las clases sean más interactivas y comprensibles.

Además, Anaconda proporciona Spyder, un IDE (Entorno de Desarrollo Integrado) ideal para escribir scripts más complejos y extensos. También incluye una consola con herramientas de gestión de paquetes que facilitan la instalación de nuevas librerías y paquetes.

En resumen, Anaconda ofrece una solución completa y fácil de usar para programar en Python, con herramientas como Jupyter, Spyder y una consola, que ayudan a los alumnos a aprender y a los profesores a enseñar de manera más efectiva.

A lo largo de los siguientes 3 módulos introductorios veremos diversos ejercicios, para ir en orden y de acuerdo al programa, se recomienda ampliamente descargar Python a través del paquete Anaconda, es gratis. Dirígete a https://www.anaconda.com/download para descargar la versión más reciente.