Implementierung einer Visualisierungsanwendung für Apples ios

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1 Masterarbeit im Rahmen des Studiengangs Technomathematik Fachhochschule Aachen, Standort Jülich Fachbereich 9 Medizintechnik und Technomathematik Implementierung einer Visualisierungsanwendung für Apples ios Jülich, 9. August 2011 Christian Felder Peter Grünberg Institut und Jülich Centre for Neutron Science Technische und Administrative Infrastruktur Wissenschaftliche IT-Systeme Diese Arbeit wurde betreut von: Prof. Dr.-Ing. Dipl. Phys. Rainer Simonis Josef Heinen

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3 Erklärung Diese Arbeit wurde im Peter Grünberg Institut - Jülich Centre for Neutron Science - Technische und Administrative Infrastruktur der Forschungszentrum Jülich GmbH konzipiert. Sie ist von mir selbstständig angefertigt und verfasst. Es sind keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt worden. Unterschrift Diese Arbeit wurde betreut von: Prof. Dr.-Ing. Dipl. Phys. Rainer Simonis Josef Heinen

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5 Am Peter Grünberg Institut sowie am Jülich Centre for Neutron Science (JCNS) des Forschungszentrums Jülich ist schon seit Jahren eine standardisierte Grafikbibliothek im Einsatz, die auf einer Implementierung des grafischen Kernsystems (GKS) basiert. Zahlreiche Anwendungen und Programmschnittstellen aus dem Bereich der Instrumentierungs-, Simulations- und Auswertesoftware wurden auf der Basis dieser Bibliothek entwickelt, die sowohl von höheren Programmiersprachen als auch gängigen Interpretern angesprochen werden können. Die Anforderungen an die Grafiksoftware im wissenschaftlichtechnischen Umfeld sind in den letzten Jahren gestiegen, insbesondere der Bereich der Client-/Server basierten Visualisierungslösungen hat an Bedeutung gewonnen. Ziel dieser Arbeit ist es, die oben genannte Bibliothek auf mobilen Endgeräten der Firma Apple nutzbar zu machen. Auf der Basis der OpenGL ES Anwendungsschnittstelle des ios Betriebssystems sind erweiterte Funktionen zu implementieren, die den gewachsenen Ansprüchen an Interaktivität, Performance und Qualität gerecht werden. Dazu zählen spezielle Eingabegesten für die Transformation von dreidimensionalen Grafiken sowie der Aufbau einer effizienten Kommunikationsmethode für Livedaten. Hierzu ist ein Plugin zu entwickeln, das als eigenständige ios Anwendung eine komfortable mobile Schnittstelle zu vorhandenen Anwendungen bietet.

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7 Inhaltsverzeichnis 1. Mobiles Visualisierungssystem 1 2. Beschreibung der Entwicklungsumgebung Voraussetzungen ios Developer Program ios Dev Center ios Provisioning Portal Objective-C ios Software Development Kit Verwendete Frameworks Bibliotheken und Frameworks von Drittherstellern Xcode Interface Builder ios Simulator Instruments Organizer Programmbeschreibung GR Schnittstelle Client-/Server basierte Kommunikation Asynchrone Netzwerkkommunikation Grand Central Dispatch (GCD) Visualisierung mit OpenGL ES Unterschiede zu OpenGL OpenGL ES Framework Klassenübersicht, verwendete Datenstrukturen Model View Controller Design Pattern Protokolle Koordinatensystem Oberflächen Farblegende Gesten Picking I

8 II Inhaltsverzeichnis 4. Verteilung der Anwendung - Rollout Ad Hoc Distribution ios Distribution Profile Anpassung der Build Settings Erzeugen des GLGr App Archivs itunes - Ad Hoc Installation des App Archivs Ausblick / Einsatz des Systems 42 Abbildungsverzeichnis 44 Literaturverzeichnis 45 A. Anhang 47 B. Die asynchrone Netzwerkschnittstelle NetworkController 48 II Christian Felder

9 1. Mobiles Visualisierungssystem Das Peter Grünberg Institut und das nach der Stilllegung des Jülicher Forschungsreaktors 2006 gegründete Jülich Centre for Neutron Science (JCNS) sind im Rahmen des Helmholtz-Programms Großgeräteforschung mit Photonen, Neutronen und Ionen (PNI) besonders im Bereich der Forschung mit Neutronen aktiv. An den modernsten und leistungsfähigsten Quellen weltweit, der nationalen Quelle FRM-II in München, am flussstärksten Forschungsreaktor ILL in Grenoble und an der MW Spallationsquelle SNS in Oak Ridge, USA, werden beim Instrumentbetrieb in Neutronenleiterhallen wissenschaftliche Daten durch Messungen gewonnen. Bei der Ansteuerung und Datenaufnahme kommen innovative Softwaretechnologien und standardisierte Hardwarekomponenten zum Einsatz. Neuentwicklungen wie zwei-dimensionale Detektoren und die damit einhergehenden Datenraten stellen große Herausforderungen an die Einrichtungen und Anwender. Aus diesem Grunde wurde 2010 die High Data Rate Processing and Analysis Initiative (PNI-HDRI) für das PNI Programm gegründet. Durch die gemeinsame, koordinierte Entwicklung und Bereitstellung geeigneter Infrastruktur (Hardund Software) sollen die hohen Datenraten effizient verarbeitet werden. Zur Zeit greifen speziell an die Experimente angepasste Programme über die GR 1 Schnittstelle auf die diskreten Messdaten zurück und visualisieren diese. Sowohl in der Aufbauphase als auch im späteren Produktionsbetrieb ist eine Online-Visualisierung notwendig, um Messergebnisse validieren und gegebenenfalls durch Steering 2 in die Messung eingreifen zu können. Im Rahmen dieser Masterarbeit habe ich hierzu eine Visualisierungsanwendung für Apples ios implementiert, die mit der GR Schnittstelle, welche auf einer Implementierung des standardisierten grafischen Kernsystems (GKS) basiert, zusammenarbeitet. Die Dokumentation der Entwicklungsumgebung, des Programms und des Rollouts bilden den Einstiegspunkt für spätere Weiterentwicklungen. Zukünftig ist es so möglich, sich mit ios fähigen Geräten von Apple Inc., wie beispielsweise dem ipad, Online-Visualisierungen in den Neutronenleiterhallen anzeigen zu lassen. In diesem Einsatzgebiet eignen sie sich insbesondere durch ihre kompakten Abmessungen und ihrer intuitiven Bedienung. Die abschließende Visualisierung am Arbeitsplatzrechner zur Auswertung und Erstellung von Präsentationsgrafiken bleibt hiervon unberührt. 1 GR - Graphics Schnittstelle 2 Veränderung/Steuerung von Parametern im laufenden Betrieb

10 2. Beschreibung der Entwicklungsumgebung 2.1. Voraussetzungen Die Entwicklung eigener Apps für Apples ios stellt einige Anforderungen an Hardware, Software und den Entwickler. So muss ein Mac mit Intel Prozessor und mindestens der Betriebssystemversion Mac OS X 10.6 Snow Leopard vorhanden sein, um die integrierte Entwicklungsumgebung (IDE) Xcode 4 von Apple Inc. installieren und nutzen zu können. Diese kann über das ios Dev Center [AIDEV] als registrierter Apple Developer bezogen werden. Die aktuellen Software Development Kits (SDKs) für das ios und Mac OS X Betriebssystem sind in dieser Version bereits enthalten. Für die Installation eigener Apps auf ios Geräten wird außerdem ein Team Provisioning Profile benötigt. Hierzu ist die Teilnahme am kostenpflichtigen ios Developer Program notwendig ios Developer Program Durch die Teilnahme am ios Developer Program erhält man Zugriff auf sämtliche Informationen und Ressourcen des ios Dev Centers. Ferner können ios Geräte für die Installation eigener Apps im ios Provisioning Portal vorbereitet werden. Mittels itunes Connect, einer Sammlung web-basierter Tools, ist es dem Entwickler möglich die Vermarktung seiner Anwendung im App Store zu managen. Dies wird im Rahmen dieser Arbeit nicht weiter behandelt, da es sich um eine In House App handelt, welche nicht über den App Store verteilt wird ios Dev Center Das ios Dev Center stellt die letzten Builds der aktuellen ios SDKs und der IDE Xcode, deren beta Versionen, sowie beta Versionen des ios Betriebssystems (ios 5 beta) zur Verfügung. Die vollständige Dokumentation der SDKs und Codebeispiele werden in der ios Developer Library [AI*] zur Verfügung gestellt, auch für nicht registrierte Benutzer. Das ios Dev Center bildet somit die Basis für jeden ios Developer.

11 KAPITEL 2. BESCHREIBUNG DER ENTWICKLUNGSUMGEBUNG ios Provisioning Portal Zertifikate Das ios Provisioning Portal unterstützt Developer bei der Verwaltung ihrer Zertifikate, den Team Provisioning Profiles. Bis zu 100 Geräte können im Jahr für Entwicklungsund Testzwecke mit einem Zertifikat registriert werden. Auf diesen können dann durch den Developer signierte Apps installiert und ausgeführt werden. Während der Installation wird überprüft, ob die Signatur der Anwendung zu einem der installierten Zertifikate von Apple oder der/des Entwickler/s (Team Provisioning Profiles) passt und bei Nichtübereinstimmung die Installation verweigert. Durch das sogenannte Provisioning verhindert Apple die Verbreitung und Installation nicht autorisierter Anwendungen auf Systemen mit ios Firmware. Abbildung 2.1.: Übersicht über das Entwicklerzertifikat im ios Provisioning Portal Die obere Abbildung zeigt eine Übersicht über die Zertifikate im ios Provisioning Portal. Über den Tab Distribution gelangt man außerdem zum Distribution Zertifikat. Dieses ist notwendig für die Verteilung der Anwendung. Die Zertifikate werden bei Teilnahme am ios Developer Program durch Apple ausgestellt und können über die entsprechenden Webseiten heruntergeladen werden, um Apps auf dem Entwicklungsrechner zu signieren. Hierzu können die Zertifikate in die Entwicklungsumgebung Xcode (wie unter Einbindung der Entwicklerzertifikate beschrieben) eingebunden werden. Registrierung der ios Devices Um die signierten Apps auf ein ios Device zu übertragen, muss dieses im Provisioning Portal registriert werden. Pro Jahr können bis zu 100 Geräte für Entwicklungs- und Testzwecke registriert werden. Das Hinzufügen eines Devices führt immer dazu, dass sich die verbleibende Anzahl registrierbarer Devices reduziert. Das Löschen eines oder mehrerer Devices erhöht diese Anzahl nicht. In Abbildung 2.2 sieht man eine Übersicht bereits registrierter ios Devices. Christian Felder 3

12 4 KAPITEL 2. BESCHREIBUNG DER ENTWICKLUNGSUMGEBUNG Abbildung 2.2.: Übersicht der registrierten Devices im ios Provisioning Portal Über die Schaltflächen Add Devices und Upload Devices können neue Geräte hinzugefügt werden. Die zweite Schaltfläche erlaubt es, eine ganze Liste in Form einer Datei auf einmal hinzuzufügen. Hierzu muss eine Eingabedatei mit dem ios Configuration Utility mit der Endung.deviceid oder manuell eine Textdatei (.txt) im folgenden Format erstellt werden. devices.txt # comment l i n e 79 add05387f d d13a01cf4336 f e l d e r s iphone b6138f2e8a18cac4d4c1635ae201d124aaae8bea ipad Die erste Zeile wird ignoriert und kann als Kommentarzeile genutzt werden. Danach werden zeilenweise die Device Einträge angegeben. In jeder Zeile wird hierbei zuerst der UDID 1 und daraufhin, durch Tabulator getrennt, der Device Name notiert. Neben der Registrierung über das Webinterface des ios Provisioning Portals können ios Geräte auch direkt in der Entwicklungsumgebung Xcode (wie unter beschrieben) registriert werden. Unique Device Identifier (UDID) eines ios Gerätes ermitteln Der Unique Device Identifier (UDID) eines ios Gerätes kann mit der Software itunes ermittelt werden. Hierzu muss das entsprechende Gerät per USB 2 -Kabel mit dem itunes Rechner verbunden werden. Das entsprechende Gerät ist anschließend aus den gelisteten Devices auszuwählen. Durch Auswahl des Summary Tabs werden die zum Gerät zugehörigen Informationen angezeigt. Statt des UDIDs wird häufig nur die Seriennummer des Gerätes angezeigt. Mit einem Klick auf die Seriennummer kann zwischen der Anzeige des Identifiers und der Seriennummer umgeschaltet werden. 1 UDID - Unique Device Identifier 2 USB - Universal Serial Bus, Schnittstelle des Computers 4 Christian Felder

13 KAPITEL 2. BESCHREIBUNG DER ENTWICKLUNGSUMGEBUNG 5 Abbildung 2.3.: Unique Device Identifier (UDID) eines ios Gerätes in itunes anzeigen In Abbildung 2.3 wird der UDID mit der Software itunes ermittelt. Alternativ kann dieser mit dem Organizer der Entwicklungsumgebung Xcode (wie unter beschrieben) ermittelt werden Objective-C Historie In den 70er Jahren wurde von einem Entwickler Team, u. a. Alan Kay, welcher später zu Apple wechselte, und Dan Ingalls vom Xerox Palo Alto Research Center (Xerox PARC), die objektorientierte Programmiersprache Smalltalk entwickelt. Brad Cox und Tom Love griffen in den 80er Jahren die objektorientierten Konzepte von Smalltalk auf und erweiterten die hardwarenahe prozedurale Programmiersprache C zu Objective-C. Die von Steve Jobs 1986 neu gegründete Firma NeXT lizenzierte Objective-C und entwickelte darauf basierend ein neues Betriebssystem, NeXTstep genannt. In Zusammenarbeit mit Sun Microsystems wurden dessen Schnittstellen in der Spezifikation OPENstep standardisiert. Eine freie Implementierung dieser Spezifikation ist das GNUstep Projekt wurde NeXT durch Apple aufgekauft. NeXTstep bildete die Grundlage für das heute bekannte Mac OS X und später das ios Betriebssystem, welches eine Variante des Mach Kernels von Mac OS X verwendet. [LSNOE] Christian Felder 5

14 6 KAPITEL 2. BESCHREIBUNG DER ENTWICKLUNGSUMGEBUNG Eigenschaften Objective-C erweitert die prozedurale Programmiersprache C um objektorientierte Aspekte und bildet somit funktional eine Obermenge von C. Sie unterscheidet sich von anderen objektorientierten Programmiersprachen, wie beispielsweise der zur gleichen Zeit entstandenen Sprache C++, durch das dynamische/späte Binden. Die Klassenzugehörigkeit eines Objekts wird beim dynamic dispatch erst zur Laufzeit ermittelt. Es ist somit nicht mehr erforderlich, dass die aufrufende Instanz die Klassenzugehörigkeit eines Objektes oder deren Basis kennt. Sie muss lediglich den richtigen selector (Methodennamen) auf dem Objekt aufrufen. Es ist sogar möglich zur Laufzeit mit der Methode respondstoselector: zu überprüfen, ob ein Objekt die entsprechende Methode implementiert (Runtime Type Information / RTTI ) und diese anschließend mit dem Aufruf performselector: unter Angabe des Selectors auszuführen. In diesem Zusammenhang können stark- (strongly typed variables) als auch schwach typisierte Variablen (weakly typed variables) vom Typ id verwendet werden und erhöhen damit die Dynamik der Programmiersprache. In C++ hingegen muss bereits zur Compilezeit die Klassenzugehörigkeit einer Objektinstanz sichergestellt sein. Um die Vererbung, das Ableiten von anderen Klassen, zu unterstützen, müssen die entsprechenden Methoden in C++ als virtual deklariert werden. Auch hier wird erst zur Laufzeit, bei Aufruf der Methode, durch das dynamic dispatching die entsprechende Einsprungadresse im Code bestimmt. Diese Adressen werden vom Compiler in einer virtuellen Tabelle verwaltet. Zu den weiteren sprachlichen Mitteln von Objective-C gehören Properties, durch deren Deklaration im header file der Compiler dazu angewiesen wird, die entsprechenden accessor (getter- und setter-) Methoden automatisch zu generieren, Protocols, die es erlauben optionale- als auch verpflichtende Methoden zu deklarieren, die von den entsprechenden Klassen, die zu diesem Protokoll konform sind, implementiert werden und Categories, durch die eine Klasse mit Methoden erweitert werden kann ohne diese abzuleiten, auch wenn diese nicht von einem selbst implementiert wurde. Durch Kategorien können außerdem Methoden überladen werden; es wird allerdings nicht empfohlen, da dies zu ungewollten Seiteneffekten führen kann. Ferner ist es nicht möglich, neue Instanzvariablen zu einer bestehenden Klasse hinzuzufügen, wie es beim Subclassing möglich ist. Viele weitere Eigenschaften sind nicht durch die Sprachdefinition selbst, sondern durch die verwendeten Frameworks festgelegt. Die in dieser Arbeit verwendeten Frameworks sind im ios Software Development Kit enthalten. Die von Apple herausgegebenen Frameworks sind speziell auf ios beziehungsweise Mac OS X Betriebssysteme (Mac SDK ) zugeschnitten und können nicht für andere Plattformen verwendet werden. Mit den unter GNUstep veröffentlichten Frameworks steht eine frei verfügbare Version, auch für andere Plattformen, zur Verfügung. 6 Christian Felder

15 CHAPTER 1 About ios Development KAPITEL 2. BESCHREIBUNG DER ENTWICKLUNGSUMGEBUNG ios Software Development Kit Das ios SDK enthält zahlreiche Frameworks, die dem Entwickler Schnittstellen zur Entwicklung von ios Applikationen, auf unterschiedlichen Abstraktionslayern, zur Verfügung stellen. Die untersten beiden Layer, Core OS und Core Services, stellen fundamentale ios Schnittstellen zur Verfügung und sind größtenteils in der Programmiersprache C geschrieben. Unter anderem werden low-level Interfaces für den File- und Netzwerk IO zur Verfügung gestellt. Die im upper-layer, Media und Cocoa Touch enthaltenen Frameworks bieten objektorientierte Abstraktionen für low-level Konstrukte und Technologien der unteren beiden Schichten und sind größtenteils in der Programmiersprache Objective-C geschrieben. Durch die Kapselung (Encapsulation) komplexer Features, wie beispielsweise Sockets und Threads, reduziert sich bei deren Verwendung der eigene Programmcode und die Fehleranfälligkeit wird gesenkt. Aus diesem Grunde sind high-level Frameworks bevorzugt zu verwenden. In besonderen Fällen erfordert das benutzerdefinierte Verhalten einer Anwendung jedoch die Verwendung von low-level Schnittstellen, wenn beispielsweise die gewünschte Funktionalität nicht durch die auf dem upper-layer angesiedelten Frameworks abgedeckt ist. Um eine asynchrone Netzwerkkommunikation zu unterstützen, wurden im Rahmen dieser Masterarbeit deshalb BSD Sockets und das Grand Central Dispatch verwendet (siehe 3.2 Client-/Server basierte Kommunikation). Im Rahmen dieser Arbeit wurde das ios SDK in der Version 4.3 verwendet. Note: Even though your application is generally protected from change still need to account for differences between devices in your code. For e camera while others do not. If your application can work with or withou provided by the corresponding framework to determine the availability Applications that require the presence of specific hardware should decla information property list (Info.plist) file. For more information on de Build-Time Configuration Details in ios Application Programming Guide The implementation of ios technologies can be viewed as a set of layer the lower layers of the system are the fundamental services and technol higher-level layers contain more sophisticated services and technologie Figure 1-2 Layers of ios Cocoa Touch Media Core Services Core OS Abbildung 2.4.: Abstraktionslayer des ios Software Development Kits (SDK ) [AITO10] As you write your code, you should prefer the use of higher-level framew whenever possible. The higher-level frameworks are there to provide ob lower-level constructs. These abstractions generally make it much easier the amount of code you have to write and encapsulate potentially comp threads. Although they abstract out lower-level technologies, they do n you. The lower-level frameworks are still available for developers who pr use aspects of those frameworks that are not exposed by the higher lay The technologies and frameworks for each layer are described in later ch Christian Felder 7 What s in the ios SDK?

16 8 KAPITEL 2. BESCHREIBUNG DER ENTWICKLUNGSUMGEBUNG Verwendete Frameworks Foundation Framework Das Foundation Framework bildet den base layer für alle Objective-C Klassen aus dem ios SDK, indem es eine root Objektklasse NSObject, von der alle anderen Klassen abgeleitet sind, und grundlegende Datenstrukturen, wie beispielsweise NSString und NSArray, als Klasse zur Verfügung stellt, die nicht im Sprachumfang von Objective- C enthalten sind. Darüber hinaus stellt es einen festen Satz von Utility Klassen zur Verfügung und führt konsistente Konventionen innerhalb einer Klassenhierarchie ein. So stellt es beispielsweise eine Policy für das Memory Management auf, indem es verbindlich festlegt, wer für das deallozieren eines Objektes (object ownership) verantwortlich ist. Durch seinen portablen Code unterstützt es zudem die Plattformunabhängigkeit aller darauf aufbauenden Frameworks und Codes. UIKit Framework Das UIKit Framework hält alle notwendigen Klassen für die Entwicklung des Graphical User Interfaces bereit und ist speziell für Touch Screen Interfaces optimiert. Die Implementierung des Frameworks reicht von der Konstruktion der Main-Loop, im Application Object, über Windows und Views, sowie deren Drawing Model, bis zum Event handling. OpenGL ES Framework Die zentrale Schnittstelle dieser Masterarbeit wird mit dem OpenGL ES Framework zur Verfügung gestellt. Die vollständige Visualisierung wurde mittels OpenGL ES realisiert. Das Framework implementiert sowohl die OpenGL ES 1.1 als auch die OpenGL ES 2.0 Spezifikation und stellt dem Entwickler eine C-Anwendungsschnittstelle zur Verfügung Bibliotheken und Frameworks von Drittherstellern Im Rahmen dieser Masterarbeit wurden lediglich die im ios SDK enthaltenen Frameworks verwendet. Jedes dieser Frameworks wird über eine dynamisch gebundene Library mit der Dateiendung.dylib nach der Übersetzung hinzugelinkt. Möchte man Bibliotheken und/oder Frameworks von Drittherstellern verwenden, reicht es nicht aus, diese dynamisch zum Programm hinzu zu linken, da sie nicht Teil des SDKs sind und somit nicht auf ios Devices zur Verfügung stehen. Stattdessen muss der gesamte Programmcode der Bibliotheken und/oder Frameworks statisch hinzugelinkt werden. 8 Christian Felder

17 KAPITEL 2. BESCHREIBUNG DER ENTWICKLUNGSUMGEBUNG Xcode Apples integrierte Entwicklungsumgebung (IDE) Xcode 4 enthält alle notwendigen Komponenten, um Apps für ios und Mac OS Systeme zu entwickeln. Apples LLVM 3, in der Version 2.0, implementiert einen vollständigen Compiler Stack, der C, Objective-C und C++ Codes unterstützt und den Source Code für die unterschiedlichen Architekturen der ios Devices optimiert und übersetzt. Es bildet das Backend der Entwicklungsumgebung. Darüber hinaus unterstützt der LLVM Parser den Entwickler bei der Programmierung, indem er dem grafischen Frontend Informationen für das Syntaxhighlighting und die Autocompletion (automatische Vervollständigung von Code) zur Verfügung stellt. Ein zu Subversion- als auch Git Repositories kompatibler Versionseditor, sowie ein grafischer Debugger gehören ebenfalls zum Funktionsumfang der IDE. Der nachfolgend vorgestellte Interface Builder, der ios Simulator und das Tool Instruments zählen zu den wichtigsten Komponenten der Xcode Umgebung. Apple selbst verwendet diese IDE für die Entwicklung ihrer Betriebssysteme, ios und Mac OS, und den dazugehörigen Anwendungen. Abbildung 2.5.: Programmsymbole der Developer Tools, Instruments, Xcode und ios Simulator (von links nach rechts) [AIDTO] Interface Builder Der eingebaute Interface Builder der Entwicklungsumgebung Xcode ermöglicht es, per Drag and Drop Graphical User Interfaces zusammenzustellen und diese über sogenannte IBOutlets mit dem dazugehörigen Quellcode des Programms zu verbinden. Die Objektattribute (z. B. Größe und Position) sowie die Outlet Connections werden in einem Objektgraphen festgehalten und in einem sogenannten nib 4 -File mit der Dateiendung.xib archiviert. Es enthält somit alle Informationen, um das GUI 5 neu zu erzeugen. Der folgende Screenshot zeigt, wie eine Outlet Connection im RootViewController, der im Rahmen dieser Masterarbeit entwickelten mobilen Visualisierungssoftware GLGr, zwischen einem Interface Element und dem dazugehörigen Header File hergestellt wird. 3 LLVM - Low Level Virtual Machine 4 nib - next interface builder 5 GUI - Graphical User Interface Christian Felder 9

18 10 KAPITEL 2. BESCHREIBUNG DER ENTWICKLUNGSUMGEBUNG Abbildung 2.6.: Xcode, Interface Builder - Outlet Connection eines Interface Elements mit dem dazugehörigen Header File ios Simulator Der ios Simulator stellt eine vollständig simulierte ios Umgebung für den Entwickler bereit und bildet damit eine Testumgebung für ios Applikationen. Durch die Simulation unterschiedlicher Devices (ipad, iphone, ipod) und die Möglichkeit, per Maus und Tastatur mit der App zu interagieren und dabei Device Rotationen, Taps, Swipes und weitere Gesten anzuwenden, können erste Laufzeittests durchgeführt werden. Diese Tests können jedoch den Laufzeittest auf einem echten ios Gerät nicht ersetzen. Durch Unterschiede in der Hardware, wie verfügbaren Arbeitsspeicher oder verwendetem Grafikprozessor, stehen dem ios Simulator andere Ressourcen zur Verfügung, so dass die erreichte Performance nicht vergleichbar ist. Insbesondere die Implementierungen der OpenGL ES Spezifikation 1.1 und 2.0 unterscheiden sich auf dem ios Simulator. So stellt der ios Simulator einen optimierten Software-Rasterisierer zur Verfügung, welcher die Vector Processing Units der darunterliegenden Hardware ausnutzt. Diese stehen auf den PowerVR MBX und PowerVR SGX Chips der ios Geräte nicht zur Verfügung. Ferner werden die für die PowerVR MBX und PowerVR SGX Chips optimierten Extensions nicht simuliert. Die erreichte Performance unter Verwendung von OpenGL ES kann demnach, je nach Anwendung, im ios Simulator oder auch auf dem eigentlichen ios Gerät besser sein. Es können sogar Unterschiede in der Darstellung auftreten, so dass Darstellungsfehler im Simulator nicht sicher erkannt werden. Daher sollte die App immer auch mit der zugrunde liegenden Hardware getestet und für diese optimiert werden. In Abbildung 2.7 ist ein Laufzeittest der GLGr App im ios Simulator abgebildet. 10 Christian Felder

19 KAPITEL 2. BESCHREIBUNG DER ENTWICKLUNGSUMGEBUNG 11 Abbildung 2.7.: Laufzeittest der GLGr Software im ios Simulator Christian Felder 11

20 12 KAPITEL 2. BESCHREIBUNG DER ENTWICKLUNGSUMGEBUNG Instruments Das Tool Instruments unterstützt den Entwickler bei der Analyse des Laufzeitverhaltens seiner Apps. Es ermöglicht das Profiling der Anwendung während der Ausführung im ios Simulator oder auch als native App auf einem ios Gerät. Die gesammelten Daten über Memory-, CPU- 6 und GPU 7 Auslastung, der Leistungsaufnahme, sowie den Zugriffen auf das File System, werden grafisch aufbereitet. Auch Schwachstellen, wie beispielsweise Memory Leaks, können so erkannt und korrigiert werden. Durch ein Profiling bis auf Sourcecode Ebene ist eine Optimierung der App möglich. Abbildung 2.8.: Profiling der Memory-, CPU- und GPU Auslastung mit Xcode Instruments 6 CPU - Central Processing Unit, Hauptprozessor eines Computers 7 GPU - Graphics Processing Unit, Grafikprozessor 12 Christian Felder

21 KAPITEL 2. BESCHREIBUNG DER ENTWICKLUNGSUMGEBUNG Organizer Xcodes Organizer stellt Funktionen für das Software Control Management (SCM ) bereit. Dies umfasst die Verwaltung der Projektordner, deren Subversion- oder Git Repositories, die Verwaltung von App Archiven, sowie das Setup von ios Devices, insbesondere für das Provisioning. Registrierung der ios Devices im Provisioning Portal Über das One-Click Setup des Organizers können, alternativ zur Registrierung über Apples Webschnittstelle (vgl Registrierung der ios Devices), ios Geräte im Provisioning Portal registriert werden. Hierzu muss nach Auswahl des entsprechenden Devices lediglich der Use for Development Button angeklickt und anschließend die Zugangsdaten des Developer Accounts eingegeben werden. Abbildung 2.9.: One-Click Setup eines ios Devices mit Xcodes Organizer Das entsprechende Device wird registriert und das Team Provisioning Profile auf das Gerät heruntergeladen. Darüber hinaus werden die Entwicklerzertifikate automatisch heruntergeladen und in die Entwicklungsumgebung eingebunden, sofern diese nicht bereits vorhanden sind. Christian Felder 13

22 14 KAPITEL 2. BESCHREIBUNG DER ENTWICKLUNGSUMGEBUNG (a) Team Provisioning Profile (b) Entwicklerzertifikate Abbildung 2.10.: Abgeschlossenes One-Click Setup eines ios Devices Nach Abschluss des One-Click Setups wird das Team Provisioning Profile unter den Device Informationen, wie in Abbildung 2.10(a) dargestellt, gelistet. Ferner werden unter dem Menüpunkt Developer Profile das installierte Developer- und Distribution Zertifikat gelistet (siehe Abbildung 2.10(b) Entwicklerzertifikate). Unique Device Identifier (UDID) eines ios Gerätes ermitteln Alternativ zur Ermittlung des UDIDs mit der Software itunes (siehe Kapitel auf Seite 4) kann der Identifier unter den Device Informationen im Xcode Organizer abgelesen werden. Dieser ist u. a. in Abbildung 2.9 in der ersten Abbildung zu erkennen. Einbindung der Entwicklerzertifikate Die Einbindung der Entwicklerzertifikate erfolgt beim zuvor beschriebenen One-Click Setup eines ios Devices automatisch. Selbstverständlich können diese aber auch manuell heruntergeladen (vgl. Kapitel Zertifikate) und anschließend über den Xcode Organizer importiert werden. Hierzu sind lediglich der Menüpunkt Developer Profile auszuwählen und die entsprechenden Dateien nach einem Klick auf den Import Button, am unteren Ende des Fensters, anzugeben. Anschließend werden die Entwicklerzertifikate, wie in Abbildung 2.10(b) dargestellt, gelistet. 14 Christian Felder

23 3. Programmbeschreibung 3.1. GR Schnittstelle Die GRaphics Schnittstelle stellt auf Basis einer Implementierung des in den 80er Jahren nach ISO-Norm (ISO 7942) standardisierten grafischen Kernsystems (GKS) erweiterte Funktionalitäten zur Erzeugung zwei- und dreidimensionaler Grafiken bereit. Dazu zählt unter anderem die Darstellung von Achsen und Gittern, logarithmische und/oder gespiegelte Koordinatensysteme, sowie der Plot mehrdimensionaler Funktionen, als Oberflächendiagramm oder in Höhenliniendarstellung. Das grafische Kernsystem, welches zur Darstellung zweidimensionaler Grafiken entwickelt wurde, stellt hierbei die grafischen Primitiven (Polyline, Polymarker, Fill Area, Cell Array und Generalized Drawing Primitives) zur Verfügung und gibt diese unter Verwendung des entsprechenden Logical Device Drivers auf einem der grafischen Subsysteme (Win32, X11, Qt, Carbon, Cocoa) aus oder speichert die Grafik in einer Datei, in den nach Industriestandard definierten Formaten PS 1 oder PDF 2 ab. Fortran! C / C++! Objective-C! Python! Java!...! GR! Pascal! Fortran! C! GLGr! Grafisches Kernsystem (GKS)! Win32! X11! Qt! Carbon! Cocoa! PS! PDF!...! OpenGL (ES)! Abbildung 3.1.: Kohärenz der Schnittstellen GR, GLGr, GKS und OpenGL (ES) Für den Zugriff auf das GKS stehen Language-Bindings für die drei Programmiersprachen Pascal, Fortran und C zur Verfügung (siehe mittlere Schicht in Abbildung 3.2). So greift die GR Schnittstelle über das C-Binding auf die GKS Funktionen zurück. Für die GR Schnittstelle wiederum stehen verschiedene Language-Bindings, auch in höheren Programmiersprachen (u. a. C++ und Objective-C ), sowie für verschiedene Interpreter (u. a. Python und Java) zur Verfügung. 1 PS - PostScript 2 PDF - Portable Document Format