5.13. CS113. Programación Orientada a Objetos II (Obligatorio)

• Semestre: 3er Sem. Créditos: 4
• Horas del curso: Teoría: 2 horas; Práctica: 2 horas; Laboratorio: 2 horas;

• Prerrequisitos:

  • CS112. Programación Orientada a Objetos I (2do Sem)

5.13.1. Justificación

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

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)

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

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

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 II: Polimorfismo y Tipado Complementario (12 horas) [Habilidades AG-C09,AG-C12]

Referencias Bibliográficas: [Stroustrup, 2013, Vandevoorde et al., 2017a, Stroustrup, 2022]

Temas

1.

Tipos genéricos (polimorfismo paramétrico):

a)

Definición y ventajas del polimorfismo: paramétrico, de subtipado (subtyping), de sobrecarga (overloading) y de coerción

b)

Comparación de tipos monomórficos y polimórficos

c)

Comparación con polimorfismo ad-hoc (sobrecarga) y polimorfismo de subtipos

d)

Parámetros genéricos y tipado

e)

Uso de bibliotecas genéricas como colecciones

f )

Comparación con polimorfismo ad hoc (sobrecarga) y polimorfismo de subtipos

g)

Polimorfismo prescriptivo vs descriptivo

h)

Modelos de implementación de tipos polimórficos

i)

Subtipado

2.

SFINAE (Fallo de Sustitución No es un Error): fundamento histórico de la programación genérica restringida en C++, base de bibliotecas anteriores a C++20.

3.

Concepts (C++20): sintaxis declarativa para restringir parámetros de plantilla, sucesor moderno de SFINAE con mejores diagnósticos de error.

4.

if constexpr (C++17): ramificación en tiempo de compilación, reemplazo de gran parte del despacho por etiquetas (tag dispatch) antes resuelto con SFINAE.

5.

Reenvío perfecto y referencias universales.

6.

Plantillas variádicas.

7.

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]

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]

Referencias Bibliográficas: [Williams, 2019, Stroustrup, 2013]

Temas

1.

Seguridad (safety) y vivacidad (liveness):

a)

Condiciones de carrera (race conditions)

b)

Dependencias/precondiciones

c)

Modelos de fallos (fault models)

d)

Terminación

2.

Modelos de programación:

a)

Modelo de actores (actor models)

b)

Modelos procedurales y reactivos

c)

Modelos de programación síncrona/asíncrona

d)

Paralelismo de datos (data parallelism)

3.

Comunicación y coordinación:

a)

Mutexes

b)

Paso de mensajes (message-passing)

c)

Memoria compartida (shared memory)

d)

Cobegin-coend

e)

Monitores

f )

Canales (channels)

g)

Hilos (threads)

h)

Guardas (guards)

4.

std::thread y gestión de hilos.

5.

std::jthread (C++20): unión automática (RAII) y cancelación cooperativa vía stop_token.

6.

Mutexes, candados y variables de condición.

7.

Mecanismos de sincronización de C++20: std::latch, std::barrier, std::counting_semaphore.

8.

Operaciones atómicas y programación sin bloqueo.

9.

std::async y futures.

10.

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).

11.

Patrones de diseño seguros para hilos.

12.

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]

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]

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]

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]

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]

Referencias Bibliográficas: [Stroustrup, 2013, Stroustrup, 2022]

Temas

1.

Automatización de procesos de software:

a)

Sistemas de construcción (build systems): el valor de builds rápidos, herméticos y reproducibles, comparar/contrastar enfoques para construir un proyecto.

b)

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).

c)

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.

d)

Gestión de dependencias: actualización de dependencias externas/aguas arriba, gestión de paquetes, SemVer.

2.

Sistemas de construcción para C++: CMake, el estándar de facto de la industria.

3.

Alternativas modernas: xmake, Meson y Bazel – comparación de enfoques declarativos frente a basados en Lua/Python.

4.

Organización de proyectos multi-archivo: unidades de traducción, cabeceras, bibliotecas estáticas y dinámicas.

5.

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

[Stroustrup, 2013]

[Josuttis, 2019]

[Vandevoorde et al., 2017a]

[Stroustrup, 2022]

[Meyers, 2014]

[Williams, 2019]

[Vandevoorde et al., 2017b]

[Gamma et al., 1994a]