Kapitel 1: Programmierung

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1 Kapitel 1: Programmierung Felix Freiling Lehrstuhl für Praktische Informatik 1 Universität Mannheim Vorlesung Praktische Informatik 1 im Herbstsemester 2007 Folien nach einer Vorlage von H.-Peter Gumm, Philipps-Universität Marburg

2 Ankündigungen Melden Sie sich zu den Übungsgruppen an bis Sonntag unter in Gruppen bis maximal 3 Personen Besorgen Sie sich eine Benutzerkennung für den PI-Pool Im PI-Pool zu den ausgehängten Öffnungszeiten Zur Zeit Montags, Dienstags, Donnerstags und Freitags, jeweils Uhr Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 1 Seite 2

3 Übersicht Programme Compiler virtuelle Maschinen Java Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 1 Seite 3

4 Programme Ein Programm ist eine Folge von Anweisungen, die einem Computer sagen, was er tun soll tuwas.c for(int i=0; i=0; i<10; i<10; i++) i++) System.out.println ( Hello World ); Beep(); Play(nextAudiofile); Programme werden in einer künstlichen Sprache verfasst und in Textdateien gespeichert. Sie sollen für Menschen lesbar sein so präzise sein, dass sie unmissverständliche Handlungsanweisungen für einen Rechner beinhalten. Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 1 Seite 4

5 Programmiersprachen Es gibt Tausende von Programmiersprachen Allgemeine Sprachen, mit denen prinzipiell alle Fähigkeiten eines Rechners zugänglich sind Pascal, C, Java, C#, Prolog, LISP, FORTRAN, Spezialsprachen für bestimmte Anwendungen SQL, HTML, TeX, TCL/TK, Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 1 Seite 5

6 Maschinensprache Mein Mensch spinnt! Rechner verstehen nur sehr einfache Kommandos ADD AX FFh, INC AX, JMP 0A3, MOV AX 5 Diese Kommandos sind als Zahlen im Binärsystem (d.h. mit den Ziffern 0 und 1) kodiert, etwa: Für Menschen sind Programme in Maschinensprache nicht mehr direkt lesbar. Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 1 Seite 6

7 Compiler Ein Compiler übersetzt Programme aus einer höheren Sprache in die Maschinensprache des Computers. tuwas.c int inti; i; for(i=0;i<10;i++) printf( Hello World ); beep(); play( HeyJoe.mp3 ); Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 1 Ausführbares Programm C-Compiler tuwas.exe Seite 7

8 Maschinenabhängigkeit Jede Maschine hat andere Befehle Ein Programm für einen PC läuft nicht auf dem Mac und umgekehrt Betriebssysteme stellen eine Infrastruktur bereit, die Programme nutzen können: Dateiverwaltung, Speicherverwaltung, Prozessverwaltung, Input/Output, Hilfsprogramme Programme greifen direkt auf die Ressourcen von Betriebssystemen zu writefile, print, readfile, send, receive, out, Konsequenz: Jedes Programm läuft nur auf einem bestimmten Rechnertyp mit einem bestimmten Betriebssystem z.b. nur auf PC mit Linux, oder nur auf Mac mit MacOS Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 1 Seite 8

9 m Sprachen, n Plattformen = m * n Compiler Pascal Pascal Compiler für PC mit Linux Pascal Compiler für PC mit Windows C PC mit Linux Pascal Compiler für Mac mit MacOS Basic PC mit Windows LISP Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 1 Mac mit MacOS Seite 9

10 Virtuelle Maschine Eine Virtuelle Maschine ist ein gedachter Computer VM. VM wird auf jedem realen Computer simuliert (emuliert). Man kann eine VM auch als Zwischensprache auffassen. Anweisungen in dieser Sprache heißen Bytecode. Für jede Sprache L benötigt man nur einen Compiler von L nach VM. Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 1 Seite 10

11 Virtuelle Maschine ein Traum? Pascal C PC mit Linux Basic Virtuelle Maschine PC mit Windows LISP M Sprachen, N Plattformen = M Compiler + N Implementierungen der VM Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 1 Mac mit MacOS Seite 11

12 Nachteil einer virtuellen Maschine Effizienzverlust Spezielle Stärken bestimmter Hardware werden vielleicht nicht genutzt z.b. spezielle Graphikbefehle, Textbefehle, Spezielle Features bestimmter Sprachen kommen auf bestimmten (virtuellen) Maschinen mehr auf anderen weniger zur Geltung Garbage Collection, Rekursion, Fazit: Eine ideale virtuelle Maschine gab es bisher nur im Traum. Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 1 Seite 12

13 Java Virtuelle Maschine nur für Java Die Java-Runtime-Engine ist eine virtuelle Maschine speziell für die Sprache Java. Sie ist auf fast allen Plattformen implementiert. Unter Windows heißt sie java.exe. PC mit Linux PC mit Windows JVM (Java Virtual Machine) Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 1 Mac mit MacOS Seite 13

14 Alles gab es schon mal Virtuelle Maschinen für eine Sprache und multiple Plattformen gab es schon früher, sie haben sich aber nie durchgesetzt. Früher existierende virtuelle Maschinen für verschiedene Sprachen: Pascal : p-maschine (Mitte der 80-er Jahre) Smalltalk : Smalltalk Bytecode Interpreter Prolog : WAM = Smalltalk 80 kann man als Vorläufer von Java ansehen. Smalltalk ist Java in vieler Beziehung weit überlegen. Es war seiner Zeit ca. 30 Jahre voraus Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 1 Seite 14

15 Erfolg steckt an Seit sich Java durchgesetzt hat, wird die JVM auch als Zielmaschine für andere Sprachen benutzt: PC mit Linux JPython JBasic NetProlog JVM PC mit Windows Smalltalk/JVM Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 1 Mac mit MacOS Seite 15

16 Compilation von Java-Programmen Aus einer Textdatei mit der Endung.java erzeugt der Compiler javac eine Datei mit gleichem Namen, aber Endung.class Diese enthält den Bytecode für die JVM Hallo.java public public class class Hallo{ Hallo{ public static void public static void main(string[] main(string[] args) args) { System.out.println { System.out.println ( Hallo ( Hallo Leute ); Leute ); } } } } Quellprogramm als Textdatei Hallo.java Compiler javac.exe Hallo.class if_cmpeq dup_x1 if_cmpeq dup_x1 got_w got_w istore istore ddiv isub ddiv isub ladd ladd ifge ifge bipush ldiv bipush ldiv dadd return dadd return Bytecode als Datei Hallo.class Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 1 Seite 16

17 Ausführung Die Datei mit dem Bytecode wird der JVM übergeben. Der Bytecode könnte auch von einem anderen System, etwa von JPython, JBasic oder Smalltalk/JVM erzeugt stammen. Hallo.class if_cmpeq if_cmpeq got_w got_w ddiv ddiv ladd ladd bipush bipush dadd dadd dup_x1 dup_x1 istore istore isub isub ifge ifge ldiv ldiv return return Hallo Leute Bytecode als Datei Hallo.class Java Virtual Machine java.exe Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 1 Seite 17

18 Die Werkzeuge des SDK Java Virtual Machine java.exe Dokumentationstool javadoc.exe Java-Compiler javac.exe Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 1 Seite 18

19 Wie geht s praktisch unter Windows? 1. Ein Textdatei mit Namen Hallo.java erstellen Hallo.java public publicclass classhallo{ public publicstatic staticvoid voidmain(string[] args) args) { System.out.println( Hallo Leute ); Leute ); } } 2. Compilieren mit dem Befehl: javac.exe Hallo.java Es entsteht eine Datei Hallo.class 3. Ausführen: java.exehallo In der Konsole (DOS-Box/Shell) : C:> javac Hallo.java C:> java Hallo Hallo Leute Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 1 Seite 19

20 In Windows XP: 1. Mit beliebigem Texteditor die Datei Hallo.java erstellen 2. Kommmandointerpreter cmd.exe aufrufen 3. Compilieren mit javac 4. Ausführen mit java 5. Ergebnis bestaunen Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 1 Seite 20

21 Solche Programme sind heute untypisch Niemand schreibt mehr auf die Konsole Rückmeldungen kommen in MessageBoxen Statuszeilen Klängen Kein Mensch liest mehr von der Konsole. Eingabe kommt aus Bestätigungen Menüs TextFeldern RadioButtons CheckBoxes ListBoxes Slider Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 1 Seite 21

22 Die Programmerstellung ist vorsintflutlich Man muss Kommandos auf der Kommandozeile eintippen Wo ist die? Sind die Pfade richtig gesetzt? Man wechselt dauernd zwischen Programmaufrufen Editor Compiler Virtuelle Maschine Compilermeldungen erscheinen auf der Kommandozeile Error in Line 737 ; expected (wo?) Testen der Programme (durch Fehlermeldungen) ist umständlich System.out.println( Das dürfte jetzt nicht sein ); Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 1 Seite 22

23 Kapitel 2: Arbeiten mit BlueJ Felix Freiling Lehrstuhl für Praktische Informatik 1 Universität Mannheim Vorlesung Praktische Informatik 1 im Herbstsemester 2007 Folien nach einer Vorlage von H.-Peter Gumm, Philipps-Universität Marburg

24 Übersicht Compilieren Editieren Objekte erzeugen Methoden aufrufen Objekte inspizieren vorhandene Klassen benutzen eigene Klassen und Methoden erstellen Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 2 Seite 2

25 In BlueJ geht es einfach BlueJ durch Doppelklick starten Bluej.exe Neues Projekt öffnen Da passen dann viele Klassen hinein Name ausdenken: Demos Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 2 Seite 3

26 BlueJ, Erste Klasse... Neue Klasse Name: Hallo Klasse Hallo.java ist entstanden Die rechte Maustaste öffnet ein Kontextmenü. Damit können wir die Klasse z.b. editieren. Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 2 Seite 4

27 Editieren, Compilieren Der Editor enthält schon Beispielcode. Meistens werden wir diesen verändern editieren. Wir können ihn aber auch schon gleich übersetzen kompilieren cursor Shortcut: Strg-k Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 2 Seite 5

28 Editieren, Compilieren Text hinzufügen, kompilieren (Ctrl-k) alternativ: Kompilieren aus dem Kontextmenü (rechte Maustaste) aufrufen Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 2 Seite 6

29 Aufruf und Ergebnis Aufruf unserer Funktion main aus dem Kontextmenü Angebot, einige Strings als Parameter an main zu übergeben Das Ergebnis des Programms: Ein Konsolenfenster mit dem gewünschten Output Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 2 Seite 7

30 Objekte erzeugen Das KontextMenü bietet uns eine weitere Auswahl: new Hallo(). Damit erzeugen wir Objekte : Der Klasse im BlueJ- Fenster sieht man an, dass sie erfolgreich compiliert ist sie ist jetzt nicht mehr gestreift. Hier sind schon drei Objekte erzeugt worden Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 2 Seite 8

31 Objekte unser Ziel Objekte sind die Helden des Objektorientierten Programmierens. In BlueJ können alle Fähigkeiten der Objekte durch Kontextmenüs direkt aufgerufen werden. Zusätzlich kann man die Innereien der Objekte inspizieren (Inspect), oder das Objekt entfernen (Remove). Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 2 Seite 9

32 Figuren, als Objekte modelliert Wir öffnen das vorhandene Projekt shapes und erzeugen uns Objekte der Klassen Circle Square Triangle. Wir können den Objekten Namen geben, z.b.: kreis quadrat oder die Vorgabe-Namen circle_1 circle_2 triangle_1... akzeptieren. Wir halten uns an den allgemein akzeptierten Standard: Namen für Objekte beginnen immer mit Kleinbuchstaben!!! Namen für Klassen beginnen mit einem Großbuchstaben!!! Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 2 Seite 10

33 Warum sehen wir keinen Kreis? Wir inspizieren das Objekt kreis, indem wir aus dem Kontextmenü Inspect wählen. Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 2 Seite 11

34 isvisible = false Es öffnet sich ein Inspektor: Der kreis hat also diameter 30 xposition 20 color blue und die Eigenschaft isvisible false Wir müssen also diese Eigenschaft verändern. Aber wie? Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 2 Seite 12

35 Die Methode makevisible() Im KontextMenü von kreis finden wir die Methode makevisible(). Wir klicken diese an und der Kreis wird in einem Fenster sichtbar Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 2 Seite 13

36 Methodenerkundung Auf die gleiche Weise machen wir auch quadrat und triangle_2 sichtbar. Anschliessend probieren wir weitere Methoden, z.b. von square die Methode moveright( ) von kreis die Methode movedown( ) von square die Methode moveup( ) von square die Methode moveright( ) Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 2 Seite 14

37 Methoden mit Argumenten Jetzt wollen wir die Größe des Quadrats ändern und wählen die Methode changesize(int) Es öffnet sich ein InputFenster, das uns auffordert, einen neuen Durchmesser einzugeben. int bedeutet, dass eine ganze Zahl verlangt ist. In dem Kästchen steht aber noch ein Kommentar //Change size... Size must be >= 0. Wir geben 100 ein und. Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 2 Seite 15

38 Weitere Objekte Wir fügen zwei weitere Kreise hinzu bewegen einen 100 nach rechts den anderen um 50 nach unten machen beide sichtbar wir sehen nur zwei blaue Kreise. Wo ist der dritte? Genau, der große blaue verdeckt den kleinen blauen oder umgekehrt Zum Glück finden wir im KontextMenü von circle_2 die Methode changecolor(string) Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 2 Seite 16

39 String-Argumente Wir sollen einen String, also einen Text in Anführungszeichen eingeben. Der Programmierer hat bemerkt, dass red, yellow, blue, etc. erlaubt sind : Jetzt sehen wir auch circle_2 : Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 2 Seite 17

40 Nach-Inspektion Wir schauen noch einmal im Inspektor für kreis nach und erkennen, dass die Felder diameter xposition yposition isvisible neue Werte haben. Offensichtlich kommen drei Typen von Werten vor int steht für ganzzahlige Werte, z.b. 1, 20, -300, 0, 42 String steht für Text, z.b. blue, OttoKar, ich habe fertig! boolean steht für einen der Werte true oder false (ohne ). Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 2 Seite 18

41 Ein Haus für BlueJ Versuchen Sie, diese idyllische Szene nachzuzeichnen Entwerfen Sie Ihr eigenes Haus Malen Sie Ihr eigenes Bild z.b. Fische im Aquarium Smileys eine Lokomotive... Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 2 Seite 19

42 Ein Maler als Java-Programm Bisher haben wir alle Manipulationen interaktiv erledigt. Kann man das auch programmgesteuert machen? Welche Aktionen waren notwendig: Kreise erzeugen und Namen geben z.b. kreis, circle_1, circle_2 Quadrate erzeugen und Namen geben z.b. quadrat Dreiecke erzeugen und Namen geben z.b. triangle_1, triangle_2. Wie kann man das durch eine Java-Klasse erledigen? Wir benötigen eine Klasse um Bilder zu produzieren, z.b. eine Klasse Maler Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 2 Seite 20

43 Neue Klasse: Maler Öffnen Sie in BlueJ das Projekt shapes und erzeugen Sie eine neue Klasse mit Namen Maler Editieren Sie diese Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 2 Seite 21

44 Die Klasse Maler Ausnahmsweise löschen wir alles, bis auf die Zeile class Maler Und die geschweiften Klammern { } Die Klammern sind die Wände unserer Malerklasse. Dazwischen kommen die Instruktionen, wie ein Maler konstruiert wird. Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 2 Seite 22

45 Was braucht ein Maler Jeder Maler d.h. jedes Objekt der Klasse Maler muss... Kreise, Quadrate und Dreiecke erzeugen und jedem einen Namen geben... eine Methode z.b. zeichnehaus( ) haben, die die Objekte an die richtige Stelle verschiebt sie vergrößert/verkleinert sichtbar macht ihre Farbe wechselt Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 2 Seite 23

46 Konstruktion der Objekte Die Erzeugung von Objekten besteht aus zwei Schritten Ein Name für das Objekt wird registriert Ein neues Objekt wird erzeugt und unter diesem Namen gespeichert Circle sonne; Registriere den Namen sonne für ein noch zu schaffendes Objekt der Klasse Circle. sonne = new Circle( ); Konstruiere ein neues Objekt der Klasse Circle und nenne es sonne Vorsicht: Java unterscheidet zwischen Groß- und Kleinschreibung.... CIRCLE Circle circle, sonne Sonne SOnne Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 2 Seite 24

47 Registrierung mit Erzeugung Jedes Objekt wird erzeugt und getauft. Wir können das auch in einem Schritt erledigen, z.b. ein neues Objekt der Klasse Circle erzeugen und diesem den Namen sonne geben: Circle sonne = new Circle( ); Registriere sonne als Name für ein Objekt der Klasse Circle Ein neues konstruiertes Objekt der Klasse Circle. = ; Unter dem soeben registrierten Namen sonne wird das neu konstruierte Objekt der Klasse Circle abgespeichert. Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 2 Seite 25

48 Die Klasse Maler mit allen Objekten Die Klasse lässt sich schon compilieren, und man kann bereits Objekte erzeugen... Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 2 Seite 26

49 Maler klecksel Im Kontextmenü der Klasse Maler finden wir die Methode new und erzeugen klecksel Dann inspizieren wir das Objekt klecksel Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 2 Seite 27

50 Inspektion von klecksel Der Inspektor findet bei klecksel die Felder sonne wand fenster dach Dies sind keine Zahlen, sondern Objekte der Klassen Circle Square Square Triangle. Ein Doppelklick folgt dem Link/Pfeil zu dem betreffenden Objekt, einem Circle: Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 2 Seite 28

51 Jetzt soll der Maler malen Wir müssen dem Maler eine Methode zur Verfügung stellen, ein Haus zu malen. Eine Java-Methode hat stets einen Kopf bestehend aus einen Ergebnistyp hier void einen Namen z.b. malehaus eine Parameterliste - hier leer, also ( )... und einen Rumpf, in dem steht, was sie tun soll, z.b. sonne.makevisible(); sonne.changecolor( yellow ) ; sonne.movehorizontal(100); dach.changesize(200); dach.makevisible();... etc.... Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 2 Seite 29

52 Java-Methoden der Kopf Der Kopf einer Java-Methode: void malehaus( ) Typ des Berechnungsergebnisses. Wir wollen keinen Wert berechnen, daher void Selbstgewählter Name. Konvention: kleingeschrieben Liste der Parameter Darf nicht fehlen, auch wenn kein Parameter benötigt. Köpfe anderer Methoden void maleaquarium( ) void makevisible( ) void changecolor(string farbe) void movehorizontal(int distance) Eine mögliche Methode für Maler Eine Methode von von Circle, Square,.. Eine Methode mit String Parameter Eine Methode mit int Parameter Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 2 Seite 30

53 Java Methoden der Rumpf Der Rumpf einer Java-Methode heißt auch Block. Er besteht aus 1. einer öffnenden Klammer : { 2. einer Folge von Anweisungen, z.b.: Variablendeklarationen Zuweisungen Schleifen Aufrufen von void-methoden, z.b.: sonne.makevisible(); dach.changesize(100,150); sonne.movehorizontal(100); einer schließenden Klammer: } Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 2 Seite 31

54 Erste Malversuche von klecksel Wir erzeugen ein Objekt der Klasse Maler und nennen es klecksel. Im Kontextmenü von klecksel finden wir die Methode void malehaus( ) Und siehe da... Sonnenaufgang auf dem Campingplatz? Na ja, für den Anfang geht s doch, oder...? Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 2 Seite 32