Einstieg in die App-Entwicklung für Android-Smartphones

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1 Einstieg in die App-Entwicklung für Android-Smartphones Was versteht man unter Apps und wo werden sie vertrieben? Der Begriff App leitet sich von Applikation ab. Er steht für Software auf einem mobilen Gerät wie beispielsweise einem Smartphone oder Tablet/Phablet. Insbesondere Apps auf Smartphones nutzen häufig die zusätzlichen Möglichkeiten aus, die derartige Geräte bieten. Dazu gehören ein berührungssensitiver Bildschirm zur Erkennung von Gesten (berühren, aufziehen, wischen usw.), was gleichzeitig die fehlende Maus ersetzt, eine Kamera für die Aufnahme von Bildern/Videos und das Einscannen von Bar-/QR-Codes, die Bestimmung der geografischen Position und Orientierung im geomagnetischen Feld sowie Sensoren für physikalische Größen wie beispielsweise die Beschleunigung, Temperatur, Helligkeit, Feuchtigkeit und den Luftdruck sowie nicht zuletzt die Funktionalität von Telefon und Kurznachricht (SMS) oder Messaging in Verbindung mit einem Adressbuch. Einige Beispiele für Kategorien von Apps sind Soziale Netzwerke, Wörterbücher, Büroanwendungen, Terminplanung, Lernen, Nachrichten, Shopping, Gesundheit, LifeStyle, Wetter, Unterhaltung, Spiele. Ein weiteres Anwendungsfeld sind die so genannten ortsbasierten Dienste. Dazu gehören die Anzeige von Gaststätten, Tankstellen oder Freunden in der jeweils aktuellen Umgebung oder die Routenbestimmung zu einem vorgegebenen Ziel. Es steht prinzipiell jeder/m frei Apps zu erstellen und zu vertreiben. Im Fall von selbst programmierten Apps für Android (s. u.) kann man diese entweder auf der eigenen Website, über Plattformen wie f-droid.org oder über den App Store Google Play anbieten. Bei Google ist in diesem Zusammenhang eine einmalige Registrierungsgebühr von 25 US Dollar fällig. Für verkaufte Apps beträgt die Transaktionsgebühr 30%. Google behält sich vor die eingestellten Apps zu deaktivieren, beispielsweise bei Schadsoftware. Android-Plattform und Entwicklungsbasis für Android-Apps Der Name Android stammt ursprünglich von einer Firma namens Android, die Software für Smartphones entwickelte und 2005 von Google aufgekauft wurde. Zusammen mit anderen Firmen gründete Google die Open Handset Alliance. Im Gegensatz zu anderen Entwicklungen im Bereich mobiler Geräte (z. B. bei Apple, Microsoft) setzt diese auf die Idee von Quelloffenheit ( Open Source ). Darunter ist zu verstehen, dass Quellcodes frei verfügbar sind und jede/r sich an der Weiterentwicklung beteiligen kann, sowohl bzgl. der Hard- als auch bzgl. der Software. Zur Software gehören in diesem Fall einerseits das linux 1 - basierte Betriebssystem Android und andererseits die darauf aufsetzenden Apps. Die große Verbreitung des Android-Betriebssystems beruht auf dieser freien Verfügbarkeit des Android- Quellcodes. Dadurch sind Anpassungen an Geräte unterschiedlicher Hersteller möglich. Android Apps basieren einerseits auf der Programmiersprache Java und dem Android SDK (Software Development Kit) als Schnittstelle zum Betriebssystem Android. Andererseits dient die Beschreibungssprache XML (extended Markup Language) dazu die Gestaltung und weitere Elemente zu definieren. Als Entwicklungsumgebung stehen die quelloffenen Umgebungen Eclipse und NetBeans, jeweils mit dem ADT-Plugin (Android Development Tools), sowie seit Ende 2014 auch Android Studio auf der Basis des Systems IntelliJ IDEA zur Verfügung. Damit lassen sich Android Apps unter den Betriebssystemen Windows, Linux und Mac entwickeln und entweder direkt in einem Android Smartphone/Tablet oder in einem Emulator testen. Installation der Entwicklungsumgebung für Android-Apps 1. Mit Hilfe der Webseite ist zu prüfen, ob Java auf dem zur Entwicklung eingesetzten Rechner bereits installiert ist oder ob dies über ein 1 Linux ist ein sehr verbreitetes, quelloffenes Betriebssystem volkshochschule stuttgart 1

2 Herunterladen sowie die zugehörige Installation der aktuellen jdk-version (Java Development Kit) von nachzuholen ist. Bitte beachten: Die Laufzeitumgebung JRE Java Runtime Environment allein reicht nicht aus und es muss sich mindestens um Java in Version 6 handeln (aktuelle Java-Version: 8). 2. Unter developer.android.com/sdk/index.html steht die Entwicklungsumgebung Android Studio zum Download bereit. Nach der Installation kann es erforderlich sein, die Pfadvariable JAVA_HOME manuell zu setzen (Start Computer Eigenschaften Erweiterte Systemeinstellungen Umgebungsvariablen Systemvariablen). In Android Studio ist über Tools Android SDK Manager zu prüfen, ob Android SDK (Software Development Kit) vollständig und aktuell ist. Gegebenenfalls sind Nachinstallationen bzw. Updates erforderlich, was einen mehr oder weniger langen Zeitraum in Anspruch nehmen kann. Für den Einsatz des Emulators ist darauf zu achten, dass die Intel x86 System Images installiert sind und der Speicherbereich nicht zu groß dimensioniert ist. Kurzer Überblick über Java Wie in anderen gängigen Programmiersprachen stehen für Variable in Java eine Reihe von elementaren Datentypen zur Verfügung: byte, short, int und long für ganzzahlige Variable, float und double für Fließkommazahlen-Variable, char für Zeichen und boolean für logische Variable. Mit Variablen dieser Typen sind die jeweils dazu passenden Zuweisungen und Operationen möglich (z. B. Addition für Zahlenvariable, Negation für logische Variable). Für Zusammenfassungen mehrerer Variablen vom gleichen Typ unter einem Namen mit einem durchgängigen Index gibt es das Konstrukt des Arrays, z. B. int [] monatstage = {31, 28, 31, 30,, 30, 31}; für die Tage je Monat, auf die mit monatstage[i] mit i zwischen 0 und 11 zugegriffen werden kann. Die Steuerung des Kontrollflusses erfolgt mit ein-/zweiseitigen Verzweigungen mit den Schlüsselwörtern if( ){ } else { } mit mehrseitigen Verzweigungen über die Schlüsselwörter switch( ){case 1: ; case 2: ;} oder mit Hilfe von Schleifen: for( ){ }, while( ){ }, do{ }while( ); Da es sich bei Java um eine objektorientierte Programmiersprache handelt, wird mit Objekten gearbeitet. Bei einem Objekt handelt es sich um eine Instanz einer Klasse (class, z. B. public class Person { }), die durch new erstellt wird, z. B. Person hugo = new Person(); Klassen verfügen über Attribute und Methoden. Attribute sind gekapselt, d. h. in der Regel nicht von außen manipulierbar. Sie erhalten daher zusätzlich zum jeweiligen Datentyp die Sichtbarkeit private. Ein kontrollierter Zugang zu Attributen ist damit nur über entsprechende Methoden möglich, die die Sichtbarkeit public haben. Häufig gibt es spezielle Methoden zum Setzen und Auslesen von Attributen (Setter/Getter). Methoden bestehen in der Regel aus einem Kopf mit Sichtbarkeit, dem Datentyp der Rückgabe oder void, dem Methodennamen und der Liste der Aufrufparameter sowie einem Körper mit der Implementierung, z. B. public void setname(string eingabe){this.name=eingabe;}. Darüber hinaus können das Setzen von Anfangswerten und weitere zu Beginn zu erledigende Aufgaben in einem so genannten Konstruktor durchgeführt werden. Von diesen Konstruktoren sind mehrere möglich, die sich in der Liste der Aufrufparameter unterscheiden, was als überladen bezeichnet wird. Neben den zu einer bestimmten Instanz gehörenden Attributen und Methoden kann es auch instanzenunabhängige geben, die so genannten Klassenattribute und methoden. Diese werden durch das Schlüsselwort static gekennzeichnet. Ein Beispiel für ein Klassenattribut ist die Anzahl von Instanziierungen der volkshochschule stuttgart 2

3 Klasse Person im Gegensatz zu einem Instanzenattribut wie dem Namen eines bestimmten Objekts, z. B. einer speziellen Person. Wenn sich Klassen teilweise gleichen, ist es sinnvoll Vererbung zu verwenden. Dazu richtet man eine geeignete Oberklasse ein, z. B. Person als Oberklasse von Geschaeftspartner und Freund. Die Unterklassen erben alle Attribute und Methoden der Oberklasse und können sie beliebig sowohl erweitern als auch verändern (gekennzeichnet Das Schlüsselwort für Vererbung heißt extends, z. B. public class Freund extends Person { }. In Java ist Mehrfachvererbung nicht erlaubt, d. h. jede Klasse hat maximal eine Oberklasse. Allerdings sind Vererbungshierarchien möglich, z. B. können Geschaeftspartner und Freund jeweils wieder Unterklassen haben. Eine spezielle Rolle nimmt die abstrakte Klasse (abstract) ein, die außer Attributen und Methoden auch über so genannte abstrakte Methoden verfügen kann, die nur aus einem Methodenkopf ohne Implementierung bestehen. Abstrakte Klassen können nicht instanziiert werden. Eine Klasse, die von einer abstrakten Klasse erbt, muss deren abstrakte Methoden implementieren. Ähnlich verhält es sich mit den so genannten Interfaces, die nur aus Methodenköpfen bestehen. Eine Klasse, die ein Interface verwenden möchte, erbt nicht davon. Stattdessen wird das Schlüsselwort implements verwendet, z. B. Person implements Comparable { }. Auch in diesem Fall ist die Implementierung der vorgegebenen Methoden verpflichtend. Im Gegensatz zur Vererbung mit nur einer einzigen Oberklasse ist ein Implementieren mehrerer Interfaces möglich. Ein wichtiges Beispiel für Interfaces stellen die so genannten Ereignis-Listener dar. Beispielsweise ist im Zusammenhang mit grafischen Benutzungsoberflächen, wie sie auch in Smartphones verwendet werden, der Zeitpunkt der Eingabe eines Benutzers nicht im Voraus bekannt. Daher gibt es Listener, die sich für das Ereignis Knopf (Button) wurde angeklickt/berührt registrieren. Dadurch wird der entsprechende Listener immer dann angestoßen, wenn das Ereignis tatsächlich eingetreten ist. Durch Implementieren der Listener-Methoden kann man folglich in der eigenen Klasse festlegen, wie auf das Ereignis reagiert werden soll, z. B. durch Einlesen und geeignetes Verarbeiten eines Wertes. Java-Applikationen lassen sich prinzipiell mit einem Texteditor entwickeln. Bequemer läuft es mit Entwicklungsplattformen wie Eclipse, Net Beans oder IntelliJ IDEA. Dazu ist zunächst ein Java-Projekt mit einem oder mehreren Paketen (packages) für eine bessere Strukturierung anzulegen. Innerhalb der Pakete erstellt man die für die Funktionalität benötigten Java- Klassen. Für den späteren Ablauf wird dieser Java-Quellcode in den so genannten Bytecode übersetzt (kompiliert). Dieser wird nicht direkt in einem Rechner ausgeführt, sondern in einer speziellen Laufzeitumgebung, der Java Virtual Machine (JVM). Entwicklung einer Android-App in Android Studio Auch die zu einer bestimmten Android-App gehörenden Dateien werden zu einem Project zusammengefasst. Mit Hilfe von File New Project legt man ein neues Android Projekt an. Die Namen der zugehörigen Java-Packages werden über die Domain benannt, wobei diese wie gewohnt mit TLD (Top-Level-Domain) am Schluss anzugeben ist und Android Studio automatisch dafür sorgt, dass sie zu Beginn angeordnet wird. Im zweiten Schritt ist festzulegen, für welches Gerät und welche Betriebssystemversionen entwickelt werden soll. Je niedriger die Betriebssystemversion, desto mehr Geräte werden abgedeckt. Danach ist im nächsten Schritt auszuwählen, mit welcher Activity (siehe unten) gestartet volkshochschule stuttgart 3

4 werden soll. Für die ersten App-Experimente sollte die standardmäßig markierte Blank Activity verwendet werden. Die Benennungen im darauf folgenden Schritt (MainActivity usw.) können für den Anfang beibehalten werden, bevor das Projekt durch Anklicken von Finish tatsächlich angelegt wird. Dabei entsteht automatisch die typische Hello-World-App, die direkt einsatzfähig ist. An ihr lässt sich bereits die Struktur der allgemein an einer App beteiligten Ordner und Dateien erkennen. Die während des Erstellungsvorgangs vorgenommenen Einstellungen sind im Inhalt der Dateien AndroidManifest.xml und Build.Gradle (Module) wiederzufinden. Nach der Erstellung sind standardmäßig die angelegte MainActivity.java und die ihr zugehörigen Layout-Dateien activity_main.xml und content_main.xml geöffnet und können beliebig geändert bzw. erweitert werden. Die Klasse MainActivity erbt von der Android-Klasse ActionBarActivity, die ihrerseits über die Klasse FragmentActivity von der Klasse Activity erbt. MainActivity ist das zentrale Beispiel für eine (ActionBar)Activity und für den Ablauf einer App unbedingt notwendig. In einem Projekt können mehrere Activities beteiligt sein. Jede von ihnen enthält die Programmlogik zu einer bestimmten Fensteransicht. Für jede Activity gilt, dass sie gestartet, pausiert, fortgesetzt und gestoppt werden kann. Eine Activity unterliegt also einem Lebenszyklus. Für jeden Zustandswechsel innerhalb dieses Zyklus ist eine spezielle Methode zuständig, z. B. oncreate(), onstart(), onpause(), onresume(), onstop(). Diese Methoden lassen sich mit eigenem Code überschreiben um das jeweils benötigte Verhalten zu realisieren. Standardmäßig wird zunächst nur die Überschreibung der oncreate-methode erzeugt und dazu genutzt die MainActivity mit der zugehörigen Ansicht zu verbinden, die übergeordnet in activity_main.xml und im Detail in content_main.xml definiert ist. Darüber hinaus kann die MainActivity beliebige eigene Methoden enthalten, beispielsweise zur Reaktion auf das Berühren eines Buttons, was zum Einlesen und Bearbeiten von Texten führen kann. Die Kommandos zum Lesen aus einem Texteingabefeld (s. u.) und Ausgabe in einem Popup-Fenster lauten: EditText txt = (EditText)findViewById(R.id.txtEingabe); Toast.makeText(this, txt.gettext(), Toast.LENGTH_LONG).show(); Activities können sich gegenseitig aufrufen mit Hilfe der Methode startactivity und einem Aufrufparameter der Klasse Intent, die als Nachricht zwischen Activities und auch zwischen separaten Apps dient. Das Zusammenspiel ihrer einzelnen Activities ergibt die Gesamtfunktionalität einer App. Die Dateien activity_main.xml und content_main.xml befinden sich im Verzeichnis res layout. Letztere enthält Informationen zu allen im so genannten View verwendeten Dialogelementen wie z. B. TextView für ausgegebenen Text, EditText für ein Texteingabefeld und Button zum Antippen. An einen Button kann im Sinn der oben skizzierten Ereignisbehandlung eine Methode zur Reaktion angebunden werden. geregelt werden. Die Dateien activity_main.xml und content_main.xml lassen sich entweder mit dem grafischen Editor (Registerkarte Design) oder direkt als Text bearbeiten (Registerkarte Text), wozu einfache XML-Kenntnisse ausreichen. Zu den beteiligten Informationen gehört in der Regel auch der Verweis auf die in der XML-Datei res values - Strings.xml definierten Strings. Dieses zunächst umständlich anmutende Verfahren dient dazu z. B. im Fall von Mehrsprachigkeit an zentraler Stelle ändern zu können. Darüber hinaus können Gestaltungsaspekte in der Datei styles.xml zentral volkshochschule stuttgart 4

5 Für den Test einer App in der Entwicklungsumgebung stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung: Ein beliebiges virtuelles oder ein reales Gerät. Virtuelle Geräte lassen sich durch Anklicken des AVD Managers in der oberen Symbolleiste von Android Studio definieren. Dabei sind beliebige Geräte möglich, sowohl Smartphones als auch Tablets, auch mit unterschiedlichen Androidversionen. Zu beachten ist lediglich, dass die entsprechende Version über den SDK Manager installiert wurde. Für den Einsatz realer Geräte muss zum einen der zugehörige USB-Treiber installiert sein. Zum anderen ist im mobilen Gerät selbst das USB- Debugging zuzulassen. Außerdem ist das Gerät über ein USB-Kabel anzuschließen. Der eigentliche Start einer App erfolgt über den Reiter Run. Möglich sind sowohl Run App für eine normale Ausführung als auch Debug App für eine Ausführung, die zur Überprüfung der Variableninhalte an zuvor definierten Haltepunkten im Quellcode zwischenzeitlich stoppen kann. Nach dem Start ermöglicht die Auswahl zwischen Choose a running device und Launch emulator eine Entscheidung zwischen einem verbundenen realen Gerät und einem virtuellen. Im Fall eines virtuellen Geräts wird der Emulator gestartet, was einige Zeit in Anspruch nimmt und mit der Möglichkeit endet, über das Ziehen eines Schlosssymbols nach oben zu entsperren. Anschließend wird sowohl beim Test in einem realen Smartphone als auch beim Emulator analog zu Java ein Bytecode erzeugt und in Form der apk-datei auf dem Gerät installiert. Die Ausführung erfolgt durch die Laufzeitumgebung Dalvik, die das Pendant zur Java Virtual Machine für Smartphones darstellt. Sie sorgt als erstes für die Anzeige der in activity_main.xml und content_main.xml definierten Ansicht. Weitere, über die kurz skizzierte Programmierung hinaus gehende Möglichkeiten bieten u. a. die Definition von Menüs, der Einsatz von Datenbanken, von Kameraaufnahmen oder der Klasse AlarmManager für zeitbezogene Benachrichtigungen wie Terminerinnerungen. Der Quellcode der im Kurs entwickelten Apps wird anschließend auf der Webseite zur Verfügung gestellt. Veröffentlichen Bevor eine fertig getestete App in einem App Store wie Google Play veröffentlicht werden kann, ist sie über Build Generate Signed APK zu erstellen (vgl. ing/app-signing.html). Für das Signieren wird ein privates Zertifikat benötigt, das auf dem lokalen Entwicklungs-PC in einem KeyStore abzuspeichern ist. Dies ist erforderlich um eventuelle Aktualisierungen an einer App durchführen zu können. Ansonsten müsste die App nach jeder Änderung komplett neu eingestellt werden. Die Signatur wird mit Hilfe eines Passworts gebildet, das auch zu sichern ist. Außerdem sind weitere Informationen wie die Gültigkeitsdauer und volkshochschule stuttgart 5

6 Daten über den Verfasser der App einzugeben. Die von Android Studio erzeugte apk-datei kann direkt in dieser Form in einen Store hochgeladen werden. Zusammenfassung und Ausblick Mit Hilfe von Android Studio lassen sich beliebig komplexe Android Apps entwickeln und im Emulator für unterschiedliche Betriebssystemversionen und Geräte testen. Durch eine USB- Verbindung ist, bei verfügbarem Treiber, auch der Test auf einem realen Smartphone oder Tablet möglich. Anschließend kann man die selbst entwickelte App entweder bei Google Play gegen die entsprechende Gebühr oder auf einer freien Plattform veröffentlichen. Es ist davon auszugehen, dass die Nutzung mobiler Geräte und damit auch der Bedarf an Apps in den nächsten Jahren weiter steigt. Links developer.android.com/sdk/, developer.android.com/design/index.html play.google.com/apps/publish/signup, Version 1.4: Unterschied activity_main.xml und content_main.xml volkshochschule stuttgart 6