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-PC. 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 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) in Verbindung mit einem Adressbuch. Einige Beispiele für Kategorien von Apps sind Wörterbücher, Büroanwendungen, Lernen, Nachrichten, Navigation, Shopping, Gesundheit, LifeStyle, Soziale Netzwerke, Wetter, Unterhaltung und Spiele. Ein weiteres Anwendungsfeld stellen die so genannten ortsbasierten Dienste dar. Sie beinhalten beispielsweise 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 oder über den App Store Google Play anbieten. Bei Google ist in diesem Zusammenhang eine Registrierungsgebühr von 25 Dollar fällig. Die dort eingestellten Apps werden daraufhin überprüft, ob sie Schadcode enthalten. 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. In einem nächsten Schritt gründete Google zusammen mit anderen Firmen 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. Die große Verbreitung des Android-Betriebssystems liegt in dieser freien Verfügbarkeit des Android-Quellcodes begründet. Zur Software gehören in diesem Fall einerseits das Betriebssystem Android und andererseits die darauf aufsetzenden Apps. Wie die Abbildung links zeigt, ist Android auf einem Linux- Kern aufgebaut, der u. a. die Treiber für die Hardware enthält. Beteiligt sind außerdem spezielle Bibliotheken (z. B. SQLite für Datenbanken, SSL für verschlüsselte, sichere Kommunikation, Open GL und SGL für Grafik), das Anwendungsframework mit Managern für beispielsweise Activities (siehe unten) und Windows sowie insbesondere die Laufzeitumgebung DVM für Apps (siehe unten). Android Apps basieren einerseits auf der Programmiersprache Java und dem Android SDK (Software Development Kit) als Schnittstelle zum Betriebssystem Android. Andererseits volkshochschule stuttgart 1

2 dient die Beschreibungssprache XML (extended Markup Language) dazu die Gestaltung und weitere Elemente zu definieren. Als Entwicklungsumgebung steht in erster Linie die quelloffene Umgebung Eclipse mit dem ADT-Plugin (Android Development Tools) zur Verfügung 1. Damit lassen sich Android Apps unter den Betriebssystemen Windows, Linux und Mac entwickeln und entweder direkt in einem Android Smartphone oder in einem Emulator testen. Das Gegenstück zur Laufzeitumgebung JVM (Java Virtual Machine, siehe unten im Überblick über Java) bildet bei Android die DVM (Dalvik Virtual Machine). Zu beachten ist, dass jede App in der Regel als eigener, von den anderen abgeschotteter Benutzer behandelt wird. Zugriffswünsche auf Daten anderer Apps sind daher explizit zu deklarieren. Damit können Benutzer vor der Anschaffung einer App entscheiden, ob sie die entsprechenden Zugriffe zulassen möchten oder lieber auf die App verzichten. Installation der Entwicklungsumgebung für Android-Apps 1. Zunächst ist mit Hilfe der Webseite zu prüfen, ob Java auf dem zur Entwicklung eingesetzten Rechner bereits installiert ist oder ob dies über ein 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! 2. Das nach Creative Commons Attribute 2.5 lizensierte, kostenfrei verfügbare Android-SDK lässt sich unter developer.android.com/sdk herunter laden. Dabei gibt es zwei Möglichkeiten: a. Android ADT Bundle bestehend aus Android-SDK und der Entwicklungsumgebung Eclipse. b. Falls sich auf dem verwendeten Rechner bereits eine Entwicklungsumgebung wie z. B. Eclipse befindet, ist nur das Android-SDK herunter zu laden und zu installieren. Für Windows steht dabei eine Exe-Datei zur Verfügung, die für ein bequemes Installieren des Android- SDK Managers sorgt. Im nächsten Schritt installiert man in Eclipse das ADT-Plugin über Help Install New Software Add und Eintrag des Links clipse (siehe Abbildung rechts). Nach einem Neustart von Eclipse stehen sowohl das Android Development Kit zur Entwicklung von Android Apps als auch das Debugsystem Dalvik Debug Monitor Server (DDMS, siehe unten) zur Verfügung. Erkennbar ist dies an den speziellen Elementen in der Eclipse-Werkzeugleiste: zum Öffnen des Android SDK-Managers, zum Öffnen des Android Virtual Device Managers, zum Überprüfen von Projekten bzw. zum Erstellen einer neuen Android XML-Datei. Falls dies nicht automatisch geschieht, ist in Eclipse unter Windows Preferences Android das Verzeichnis einzutragen, in dem sich die Android SDK befindet. 1 Die Alternative Android Studio befindet sich noch im Status Early Access Preview. volkshochschule stuttgart 2

3 3. Über den Android SDK Manager sind für diejenigen Betriebssystemversionen, auf denen die zu entwickelnden Apps getestet werden sollen, die jeweils benötigten Komponenten zu installieren (siehe Abbildung rechts). Auch die direkt von Google zur Verfügung gestellten USB- Treiber für mobile Geräte lassen sich auf diesem Weg installieren. Allerdings nehmen alle derartigen Installationen eine relativ lange Zeit in Anspruch. 4. Um anstelle oder zusätzlich zu realen Geräten mit einem Emulator testen zu können ist im Android Virtual Device Manager mindestens ein entsprechendes virtuelles Gerät anzulegen (siehe Abbildung rechts). Auf diese Weise lässt sich ein beliebig großes Spektrum unterschiedlicher Geräte abdecken. Kurzer Überblick über Java 2 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 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), 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 die Sichtbarkeit private. Ein kontrollierter Zugang zu 2 docs.oracle.com/javase/7/docs/api/ volkshochschule stuttgart 3

4 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 der Sichtbarkeit, dem Datentyp der Rückgabe oder void, dem Methodennamen, der Liste der Aufrufparameter und einer Implementierung, z. B. public void setname( ){ }. 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 Klasse Person im Gegensatz zu einem Instanzenattribut wie dem Namen 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 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 Benutzer hat etwas eingegeben 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 eines Wertes. Für eine nebenläufige Programmierung stehen die Klasse Thread sowie das Interface Runnable zur Verfügung. Klassen, die von Thread erben oder Runnable implementieren, werden quasi gleichzeitig ausgeführt. Java-Applikationen lassen sich u. a. mit der Entwicklungsplattform Eclipse entwickeln. 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 Eclipse Auch die zu einer bestimmten Android-App gehörenden Dateien werden zu einem Project zusammengefasst. Beim Erstellen eines neuen Projekts über New Android Application legt Eclipse die auf jeden Fall erforderlichen Verzeichnisse und Dateien automatisch an. Dazu volkshochschule stuttgart 4

5 gehören die Java-Quellcode-Datei MainActivity.java im Verzeichnis src Package Name sowie verschiedene XML-Dateien, u. a. in den Verzeichnissen von res. Die Klasse MainActivity erbt von der Android-Klasse Activity. Sie ist das zentrale Beispiel für eine 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. 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. Für jede Activity gilt, dass sie gestartet, pausiert, fortgesetzt und gestoppt werden kann. Eine Activity unterliegt also einem Lebenszyklus. Auch Services dienen der Ausführung von bestimmten Aufgaben. Im Gegensatz zu Activities werden sie für Hintergrundaufgaben wie z. B. das Abspielen von Audio-Dateien eingesetzt. Android-Klassen sind ausführlich in developer.android.com/reference/packages.html beschrieben. Zu den beteiligten XML-Dateien gehört zum einen die Datei activity_main.xml im Verzeichnis res layout, die Informationen zu allen im so genannten View einer Activity verwendeten Dialogelementen wie z. B. TextView für ausgegebenen Text, EditText für ein Texteingabefeld und Button zum Antippen enthält. An einen Button kann im Sinn der oben skizzierten Ereignisbehandlung eine Methode zur Reaktion angebunden werden. Weitere Interaktionselemente wie z. B. Checkboxen und Radio Buttons sind verfügbar. Die Datei activity_main.xml lässt sich entweder mit dem grafischen Editor (Registerkarte GraphicalLayout) oder direkt als Text bearbeiten (Registerkarte activity_main.xml), wozu einfache XML-Kenntnisse ausreichen. Zu den beteiligten Informationen kann auch der Verweis auf einen in der XML-Datei res values - Strings.xml definierten String gehören. Dieses Verfahren dient dazu z. B. im Fall von Mehrsprachigkeit an zentraler Stelle ändern zu können. Darüber hinaus können Gestaltungsaspekte in einem Verzeichnis Styles zentral geregelt werden (vgl. Designvorgaben für Android 3 ), wenn nicht ein Theme verwendet wird. Eine weitere Datei mit zentraler Bedeutung ist AndroidManifest.xml. Sie enthält u. a. Informationen zu denjenigen Android-Versionen, auf denen eine App lauffähig ist, zu allen Activities dieser App sowie zu Berechtigungen und der für die Veröffentlichung erforderlichen Signierung. 3 developer.android.com/design/index.html, Links auf volkshochschule stuttgart 5

6 Zum Start einer App in der Entwicklungsumgebung dient Run. Zu Beginn lässt sich zunächst die Konfiguration festlegen. In der Registerkarte Android betrifft dies die Auswahl der MainActivity, bei Target am besten eine automatische Wahl zwischen angeschlossenen realen oder virtuellen Geräten und bei Common die Entscheidung zwischen Run und Debug. 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 rechts zu entsperren. Beim Test in einem realen Smartphone wird wie bei Java ein Bytecode erzeugt und in Form der apk- Datei auf dem Gerät installiert. In beiden Fällen erfolgt die Ausführung durch die Laufzeitumgebung Dalvik, das Pendant zur Java Virtual Machine für Android-Betriebssysteme. Muss die Konfiguration nicht (mehr) festgelegt werden, kann direkt Run As Android Application angeklickt werden, wie in der Abbildung rechts gezeigt. Weitere, über die hier kurz skizzierte Programmierung hinaus gehende Möglichkeiten bieten u. a. die Definition von Menüs, der Einsatz von Datenbanken, Animationen und Zeichenflächen, von Kameraaufnahmen oder der Klasse AlarmManager für zeitbezogene Benachrichtigungen. Veröffentlichen Für die Veröffentlichung in einem App Store wie Google Play ist das entsprechende Projekt in Eclipse mit Hilfe von Datei Export als signierte Datei vom Typ apk auszugeben. Für das Signieren wird ein privates Zertifikat benötigt, das lokal in einem KeyStore abzuspeichern ist. Dies ist erforderlich um eventuelle Aktualisierungen an einer App durchführen zu können. Ansonsten müsste die App 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 Daten über den Verfasser der App einzugeben. Die anschließend von Eclipse erzeugte apk-datei kann in dieser Form in einen Store hochgeladen werden. Zusammenfassung und Ausblick Mit Hilfe von Eclipse mit dem Android SDK 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 Gerät möglich. Anschließend kann man die selbst entwickelte App entweder bei Google Play gegen die entsprechende Gebühr oder auf einer freien Plattform veröffentlichen. Linkliste volkshochschule stuttgart 6