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5.13. Programación Orientada a Objetos II (Obligatorio)

5.13.1. Justificación ↑ Volver arriba

Este es el tercer curso en la secuencia de cursos introductorios en ciencia de la computación. Este curso explora características avanzadas de C++17/C++20 centrándose en el desarrollo de sistemas de alto rendimiento. Los temas clave incluyen metaprogramación con plantillas, semántica de movimiento, reenvío perfecto, optimización RAII, patrones de herencia múltiple/virtual, concurrencia con std::thread y async/await, programación sin bloqueo, paradigmas modernos de C++ como CRTP y plantillas de expresión, e interfaz de C++ con otros lenguajes. El curso prepara a los estudiantes para motores de juego, computación de alto rendimiento y desarrollo embebido donde C++ es dominante.

5.13.2. Objetivos Generales ↑ Volver arriba

1. Dominar características avanzadas de C++17/C++20, incluyendo plantillas y metaprogramación.
2. Desarrollar habilidades en programación concurrente y de sistemas.
3. Comprender técnicas de optimización de rendimiento.
4. Prepararse para aplicaciones de computación de alto rendimiento.
5. Dominar la metaprogramación con plantillas y el cómputo en tiempo de compilación.

5.13.3. Contribución a los resultados (Outcomes) ↑ Volver arriba

AG-C09) Diseño y Desarrollo de Soluciones: Diseña, implementa y evalúa soluciones para problemas complejos de computación. (Usage)

AG-C12) Aplica la teoría de la ciencia de la computación y los fundamentos de desarrollo de software para producir soluciones basadas en computadora. (Assessment)

5.13.4. Contenido ↑ Volver arriba

5.13.4.1. Programación Orientada a Objetos: Encapsulación, Subtipado y Reflexión (8 horas) [Habilidades AG-C09,AG-C12] ↑ Volver arriba

Referencias Bibliográficas: (Stroustrup, 2013; Josuttis, 2019; Vandevoorde et al., 2017a)

Temas

1. Clases de colecciones, iteradores y otros componentes comunes de biblioteca.
2. Contenedores asociativos (std::set, std::map, variantes no ordenadas).
3. Adaptadores de contenedor (stack, queue, priority_queue).
4. Algoritmos avanzados de STL.
5. Funtores y predicados.
6. Categorías de iteradores y rasgos.

Aprendizaje esperado (Learning Outcomes)

1. Usar clases de colecciones e iteradores efectivamente para resolver un problema [Usar]
2. Definir y usar iteradores y otras operaciones en agregados, incluyendo operaciones que toman funciones como argumentos, en múltiples lenguajes de programación, seleccionando los idiomas más naturales para cada lenguaje [Evaluar]
3. Comparar y contrastar los beneficios y costos/impacto de usar herencia (subclases) y composición (específicamente, cómo basar la composición en funciones de orden superior) [Usar]
4. Implementar asignadores personalizados para contenedores STL [Usar].

5.13.4.2. Sistemas de Tipos: Polimorfismo y Tipado Complementario (12 horas) [Habilidades AG-C09,AG-C12] ↑ Volver arriba

Referencias Bibliográficas: (Stroustrup, 2013; Vandevoorde et al., 2017a; Stroustrup, 2022)

Temas

1. Tipos genéricos (polimorfismo paramétrico):
2. Definición y ventajas del polimorfismo: paramétrico, de subtipado (subtyping), de sobrecarga (overloading) y de coerción
3. Comparación de tipos monomórficos y polimórficos
4. Comparación con polimorfismo ad-hoc (sobrecarga) y polimorfismo de subtipos
5. Parámetros genéricos y tipado
6. Uso de bibliotecas genéricas como colecciones
7. Comparación con polimorfismo ad hoc (sobrecarga) y polimorfismo de subtipos
8. Polimorfismo prescriptivo vs descriptivo
9. Modelos de implementación de tipos polimórficos
10. Subtipado enumerate
11. SFINAE (Fallo de Sustitución No es un Error): fundamento histórico de la programación genérica restringida en C++, base de bibliotecas anteriores a C++20.
12. Concepts (C++20): sintaxis declarativa para restringir parámetros de plantilla, sucesor moderno de SFINAE con mejores diagnósticos de error.
13. if constexpr (C++17): ramificación en tiempo de compilación, reemplazo de gran parte del despacho por etiquetas (tag dispatch) antes resuelto con SFINAE.
14. Reenvío perfecto y referencias universales.
15. Plantillas variádicas.
16. Cómputo en tiempo de compilación con constexpr y consteval.

Aprendizaje esperado (Learning Outcomes)

1. Definir y usar piezas de programa (como funciones, clases, métodos) que usen tipos genéricos, incluyendo para colecciones [Evaluar]
2. Discutir las diferencias entre genéricos, subtipado y sobrecarga [Evaluar]
3. Aplicar Concepts para restringir parámetros de plantilla y mejorar diagnósticos de error [Usar].
4. Distinguir cuándo usar Concepts, if constexpr o SFINAE heredado al mantener código C++ existente [Evaluar].
5. Implementar reenvío perfecto para paso eficiente de argumentos [Usar].

5.13.4.3. Gestión de Memoria (8 horas) [Habilidades AG-C09,AG-C12] ↑ Volver arriba

Referencias Bibliográficas: (Meyers, 2014; Stroustrup, 2013)

Temas

1. Asignación y acceso de bajo nivel a estructuras de datos de alto nivel como tipos de datos básicos, arreglos n-dimensionales, vectores, registros y objetos
2. Retorno de procedimiento como mecanismo de desasignación automática para elementos de datos locales en la pila
3. Gestión manual de memoria: asignar, desasignar y reutilizar memoria del montón
4. Gestión automática de memoria: recolección de basura (garbage collection) como técnica automatizada usando la noción de alcanzabilidad (reachability)
5. Lvalues y rvalues en C++11/14/17/20.
6. Constructores de movimiento y operadores de asignación de movimiento.
7. Referencias a valor-r y colapso de referencias.
8. Patrón RAII (Adquisición de Recursos es Inicialización).
9. Personalización de punteros inteligentes.
10. Detección y prevención de fugas de memoria.

Aprendizaje esperado (Learning Outcomes)

1. Explicar por qué ocurren las fugas de memoria (memory leaks) y los problemas de punteros colgantes (dangling pointers), y qué puede hacer un programador para evitarlos/corregirlos [Usar]
2. Explicar cómo las implementaciones de lenguajes de programación típicamente organizan la memoria en secciones de datos globales, texto, montón y pila, y cómo características como recursión y gestión de memoria se mapean a este modelo de memoria [Evaluar]
3. Explicar cómo se ejecuta una construcción central del lenguaje, como abstracciones de datos y abstracciones de control [Evaluar]
4. Implementar semántica de movimiento para optimización de recursos [Usar].
5. Diseñar clases RAII para gestión de recursos segura ante excepciones [Usar].

5.13.4.4. Computación Paralela y Distribuida (12 horas) [Habilidades AG-C09,AG-C12] ↑ Volver arriba

Referencias Bibliográficas: (Williams, 2019; Stroustrup, 2013)

Temas

1. Seguridad (safety) y vivacidad (liveness):
2. Condiciones de carrera (race conditions)
3. Dependencias/precondiciones
4. Modelos de fallos (fault models)
5. Terminación enumerate
6. Modelos de programación:
7. Modelo de actores (actor models)
8. Modelos procedurales y reactivos
9. Modelos de programación síncrona/asíncrona
10. Paralelismo de datos (data parallelism) enumerate
11. Comunicación y coordinación:
12. Mutexes
13. Paso de mensajes (message-passing)
14. Memoria compartida (shared memory)
15. Cobegin-coend
16. Monitores
17. Canales (channels)
18. Hilos (threads)
19. Guardas (guards) enumerate
20. std::thread y gestión de hilos.
21. std::jthread (C++20): unión automática (RAII) y cancelación cooperativa vía stop_token.
22. Mutexes, candados y variables de condición.
23. Mecanismos de sincronización de C++20: std::latch, std::barrier, std::counting_semaphore.
24. Operaciones atómicas y programación sin bloqueo.
25. std::async y futures.
26. std::execution y el modelo de senders-receivers (C++26, experimental): panorama hacia dónde evoluciona la concurrencia estándar en C++, presentado a nivel conceptual, sin evaluación en laboratorio dada su disponibilidad limitada (parcial en GCC).
27. Patrones de diseño seguros para hilos.
28. Carreras de datos y prevención de interbloqueos.

Aprendizaje esperado (Learning Outcomes)

1. Implementar programas concurrentes correctos usando múltiples modelos de programación, como memoria compartida, actores, futuros, construcciones de sincronización y primitivas de paralelismo de datos [Usar]
2. Usar construcciones de sincronización como métodos monitorizados/sincronizados en un programa simple [Usar]
3. Usar un modelo de paso de mensajes para analizar un protocolo de comunicación [Evaluar]
4. Implementar estructuras de datos sin bloqueo usando operaciones atómicas [Usar].
5. Diferenciar std::thread de std::jthread y justificar cuándo usar cada uno [Usar].
6. Analizar la seguridad en hilos de algoritmos concurrentes [Evaluar].

5.13.4.5. Construcciones de Programación Avanzadas (8 horas) [Habilidades AG-C09,AG-C12] ↑ Volver arriba

Referencias Bibliográficas: (Stroustrup, 2013; Vandevoorde et al., 2017b)

Temas

1. Abstracciones orientadas a objetos: herencia múltiple, mixins, rasgos (traits), multimétodos (multimethods)
2. Metaprogramación: macros, programación generativa, desarrollo basado en modelos (model-based development)
3. Herencia múltiple y herencia virtual.
4. Patrón CRTP (Patrón de Plantilla Curiosamente Recursivo).
5. deducing this (C++23): simplifica CRTP al eliminar la necesidad de static_cast<Derived&>(*this) para polimorfismo estático.
6. Plantillas de expresión.
7. Rasgos de tipos e introspección en tiempo de compilación.
8. Diseño basado en políticas.
9. Diseño de interfaz para bibliotecas.

Aprendizaje esperado (Learning Outcomes)

1. Usar varias construcciones e idiomas de programación avanzados correctamente [Usar]
2. Discutir cómo varias construcciones de programación avanzadas tienen como objetivo mejorar la estructura del programa, la calidad del software y la productividad del programador [Evaluar]
3. Discutir cómo varias construcciones de programación avanzadas interactúan con la definición e implementación de otras características del lenguaje [Evaluar]
4. Implementar CRTP para polimorfismo estático [Usar].
5. Diseñar interfaces de biblioteca extensibles usando diseño basado en políticas [Usar].

5.13.4.6. Modelo de Ejecución y Memoria de Sistemas (8 horas) [Habilidades AG-C09,AG-C12] ↑ Volver arriba

Referencias Bibliográficas: (Stroustrup, 2013; Williams, 2019)

Temas

1. Representación en tiempo de ejecución de abstracciones de datos como variables, arreglos, vectores, registros, elementos de datos basados en punteros como listas enlazadas y árboles, y objetos
2. Estructuras de datos para traducción, ejecución, traducción y movilidad de código como pila, montón (heap), alias (compartición usando punteros), secuencia indexada y cadena
3. Implementación del despacho dinámico introducido en POO I: tabla de funciones virtuales (vtable), puntero vtable (vptr), y su costo en memoria y rendimiento frente al despacho estático.
4. Interfaz de C++ con otros lenguajes (FFI).
5. Llamadas al sistema e interacción con el SO.
6. E/S mapeada en memoria.
7. Perfilado de rendimiento y evaluación comparativa.
8. Técnicas de optimización para HPC.

Aprendizaje esperado (Learning Outcomes)

1. Explicar cómo se ejecuta una construcción central del lenguaje, como abstracciones de datos y abstracciones de control [Usar]
2. Explicar cómo las implementaciones de lenguajes de programación típicamente organizan la memoria en secciones de datos globales, texto, montón y pila, y cómo características como recursión y gestión de memoria se mapean a este modelo de memoria [Evaluar]
3. Explicar por qué ocurren las fugas de memoria (memory leaks) y los problemas de punteros colgantes (dangling pointers), y qué puede hacer un programador para evitarlos/corregirlos [Usar]
4. Perfilar y optimizar programas C++ para rendimiento [Usar].
5. Explicar cómo el compilador implementa el polimorfismo en tiempo de ejecución mediante vtables [Evaluar].
6. Interfazar código C++ con bibliotecas C [Usar].

5.13.4.7. Construcciones de Programación Avanzadas (6 horas) [Habilidades AG-C09,AG-C12] ↑ Volver arriba

Referencias Bibliográficas: (Gamma et al., 1994a; Stroustrup, 2013)

Temas

1. Abstracciones orientadas a objetos: herencia múltiple, mixins, rasgos (traits), multimétodos (multimethods)
2. Patrones creacionales, estructurales y de comportamiento.
3. Patrones singleton seguros para hilos.
4. Modismos de diseño modernos en C++.
5. Inyección de dependencias e inversión de control.

Aprendizaje esperado (Learning Outcomes)

1. Usar varias construcciones e idiomas de programación avanzados correctamente [Usar]
2. Discutir cómo varias construcciones de programación avanzadas tienen como objetivo mejorar la estructura del programa, la calidad del software y la productividad del programador [Evaluar]
3. Discutir cómo varias construcciones de programación avanzadas interactúan con la definición e implementación de otras características del lenguaje [Familiarizarse]
4. Implementar patrones de diseño seguros para hilos [Usar].
5. Evaluar compensaciones arquitectónicas en sistemas C++ [Evaluar].

5.13.4.8. Construcciones de Programación Avanzadas (6 horas) [Habilidades AG-C09,AG-C12] ↑ Volver arriba

Referencias Bibliográficas: (Meyers, 2014; Stroustrup, 2013)

Temas

1. Abstracciones de control: manejo de excepciones, continuaciones (continuations), mónadas (monads).
2. Optimizaciones del compilador y banderas.
3. Metodologías de evaluación comparativa.
4. Estructuras de datos amigables con la caché.
5. Predicción de bifurcación y alineación.
6. Reducción del tiempo de compilación.
7. Integración continua para pruebas de rendimiento.

Aprendizaje esperado (Learning Outcomes)

1. Usar varias construcciones e idiomas de programación avanzados correctamente [Usar]
2. Discutir cómo varias construcciones de programación avanzadas tienen como objetivo mejorar la estructura del programa, la calidad del software y la productividad del programador [Evaluar]
3. Discutir cómo varias construcciones de programación avanzadas interactúan con la definición e implementación de otras características del lenguaje [Familiarizarse]
4. Aplicar técnicas de optimización para mejorar el rendimiento del programa [Usar].
5. Interpretar resultados de evaluación comparativa para guiar decisiones de optimización [Usar].

5.13.4.9. Control de Versiones y CI/CD (4 horas) [Habilidades AG-C09,AG-C12] ↑ Volver arriba

Referencias Bibliográficas: (Stroustrup, 2013; Stroustrup, 2022)

Temas

1. Automatización de procesos de software:
2. Sistemas de construcción (build systems): el valor de builds rápidos, herméticos y reproducibles, comparar/contrastar enfoques para construir un proyecto.
3. Integración Continua (CI): el uso de automatización y pruebas automatizadas para hacer una validación preliminar de que la revisión actual del tronco se construye y pasa las pruebas (básicas).
4. Despliegue Continuo (CD): el uso de automatización para liberar de forma automática cada cambio que supera las pruebas hacia el entorno de producción, garantizando entregas frecuentes y confiables.
5. Gestión de dependencias: actualización de dependencias externas/aguas arriba, gestión de paquetes, SemVer. enumerate
6. Sistemas de construcción para C++: CMake, el estándar de facto de la industria.
7. Alternativas modernas: xmake, Meson y Bazel – comparación de enfoques declarativos frente a basados en Lua/Python.
8. Organización de proyectos multi-archivo: unidades de traducción, cabeceras, bibliotecas estáticas y dinámicas.
9. Gestión de dependencias en C++ (vcpkg, Conan).

Aprendizaje esperado (Learning Outcomes)

1. Comprender el uso de sistemas de CI/CD como una fuente de verdad para el estado del código compartido del equipo (éxito en la construcción y pruebas) [Familiarizarse]
2. Configurar un proyecto C++ multi-archivo usando un sistema de construcción declarativo [Usar].
3. Comparar CMake con al menos una alternativa moderna (xmake, Meson o Bazel) en velocidad de compilación y reproducibilidad [Evaluar].

5.13.5. Referencias Bibliográficas ↑ Volver arriba

Stroustrup, B. (2013). The C++ Programming Language. Addison-Wesley Professional.

Josuttis, N. M. (2019). C++17: The Complete Guide. Pearson Education.

Vandevoorde, D., Josuttis, N. M., and Gregor, D. (2017a). C++ Templates: The Complete Guide. Addison-Wesley Professional.

Stroustrup, B. (2022). A Tour of C++. Addison-Wesley Professional, 3rd edition.

Meyers, S. (2014). Effective Modern C++: 42 Specific Ways to Improve Your Use of C++11 and C++14. O'Reilly Media.

Williams, A. (2019). C++ Concurrency in Action. Manning Publications.

Vandevoorde, D., Josuttis, N. M., and Gregor, D. (2017b). C++ Templates: The Complete Guide. Addison-Wesley Professional.

Gamma, E., Helm, R., Johnson, R., and Vlissides, J. (1994a). Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software. Addison-Wesley Professional.