Računalništvo 1 (PRA)

 informacije  lekcije  vaje  naloge  oprema   kazalo 
lekcije / Prvi koraki v Javi

Prvi koraki v Javi

Programiranje je za ene znanost, za druge umetnost, za večino programerjev pa je obrt, s katero se preživljajo. V teh lekcijah bo poudarek predvsem na obrti programiranja, torej na praktičnih osnovah. Velik del snovi je podan v obliki primerov, s katerimi se sreča vsak programer.
Nobene obrti se ne da naučiti brez prakse in tako je tudi s programiranjem. Zato lekcije vsebujejo veliko vaj, ki jih rešujte sproti. Vse vaje so opremljene z namigi in rešitvami. Pomembna načela in pravila programiranja so izpostavljena kot slogani, takole:
Vaja dela mojstra.
Skratka, programirati se boste naučili le v potu svojega obraza.

Računski postopki

Preden začnemo programirati računalnik, se naučimo zapisati računske postopke z diagrami poteka. Snov bo razložil predavatelj na predavanjih, nato pa bomo naredili nekaj vaj.
Naloga 1
Sestavi diagrame poteka za naslednje računske postopke:

Kako deluje računalnik in kako se izvajajo programi

Povejmo na kratko nekaj o tem, kako deluje računalnik, da si bomo lahko predstavljali, kaj se zgodi, ko poženemo program napisan v Javi.
Računalnik, kakršnega boste uporabljali, je sestavljen iz nekaj komponent. Tukaj je zelo poenostavljena slika:
Računalnik
Srce računalnika je procesor. Ta je povezan s pomnilinikom, diskom, monitorjem in tipkovnico, ter z vsemi ostalimi deli računalnika. Puščice ponazarjajo smer komuniciranja: procesor lahko bere in piše na disk in pomnilnik, iz tipkovnice samo bere tipke, ki so pritisnjene, na ekran pa samo zapisuje.
Procesor izvaja zelo preproste ukaze, kot so na primer:
Taki ukazi se imenujejo zbirna koda (angl. assembly code). V zbirni kodi je zelo težko pisati večje programe, saj mora program sam paziti, da pravilno uporabi pomnilniške lokacije, zapomniti si mora kaj je shranjeno na posameznih lokacijah, ipd. Kar je pomembno pri vsem tem je tole:
Vse računanje, ki se dogaja v računalniku, opravi procesor tako, da bere in piše po pomnilniku ter izvaja preproste aritmetične operacije.
Kar želim poudariti je, da so tipkovnica, ekran in disk samo dodatki, ki naredijo računalnik uporaben. Brez teh dodatkov bi lahko še vedno izvajali programe, le da ne bi nikoli videli, kaj se je zračunalno, saj bi bili vsi rezultati shranjeni v pomnilniku, do katerega pa nimamo dostopa! Zato je računalnik opremljen z ekranom, na katerega lahko procesor izpiše sporočila in riše slike. S tipkovnico in miško je uporabniku omogočeno, da vpliva na potek programa (seveda, samo v primeru, da bere podatke s tipkovnice in miške ter ustrezno reagira).
Ker programov ne želimo pisati v zbirni kodi, bomo uporabili programski jezik. Programski jezik sestoji iz ukazov in raznih konstruktov, ki naredijo programiranje bolj prijetno. Osnovni postopek programiranja te takšen:
  1. V programskem jeziku napišemo program.
  2. Prevajalnik prevede program v zbirno kodo. Če je program napisan nepravilno, prevajalnik javi napako, ki jo moramo odstraniti, da se bo program uspešno prevedel.
  3. Prevedeni program lahko nato poženemo diretkno na procesorju.
Ukazi, ki jih pišemo v programskem jeziku so bolj "abstraktni". Na primer (zdaj se ti še ni treba zapomniti vseh ukazov, ki so našteti tukaj):
Na vajah boste napisali nekaj zelo preprostih programov in se pomenili, kako bi jih prevajalnik prevedel v zborno kodo.

Java

Uporabljali bomo programski jezik Java, ki so ga razvili pri Sun Microsystems. To je moderen programski jezik, ki se je v zadnjem desetletju zelo razširil v svetu računalništva. Java je opremljena z bogato standardno knjižnico programskih struktur in funkcij (za delo z datotekami, za dostop do podatkovnih baz, za mrežne povezave, hkratno izvajanje več programov, grafične aplikacije, aplikacije vgrajene v brskalnike, itn.) V začetnem tečaju programiranja ni časa, da bi predelali vse, kar Java ponuja. A pravzaprav sploh ne bi bilo smiselno učiti se na pamet, kaj vse ponuja Javina standardna knjižnica, saj tega dobri programerji ne počnejo. Standardna knjižnica je dobro dokumentirana. Kadar potrebujemo orodje, za katerega se zdi, da bi lahko že bilo v knjižnici, se splača brskati po dokumentaciji.
Programer uporablja dokumentacijo in vsa orodja, ki so mu na voljo.
Zato se domenimo takole: če v standardni knjižnici najdete rešitev kake vaje, to ni le veljavna rešitev, ampak celo najboljša. To pravilo velja tudi za domače naloge, kolokvije in izpite. Če vajo rešite "na roko", se boste seveda tudi kaj naučili, a za začetek je bolj pomembno, da se naučite reševati probleme tako, kot jih rešujejo programerji v praksi.
Pa gremo kar na delo. Najprej moramo poskrbeti, da imate na računalniku inštalirano Javo in urejevalnik teksta. Ne bomo se spuščali v podrobna navodila, kako se inštalira Java. Javo in navodila za inštalacijo dobite tukaj. Če se vam zatakne, prosite za pomoč koga, ki že zna uporabljati Javo. Predpostavili bomo tudi, da znate uporavljati urejevalnik teksta kot je TextPad ali Emacs in da znate poganjati programe z ukazne vrstice.
Med programerji velja tradicija, da je prvi program, ki ga napišejo, ko se učijo nov programski jezik, programček, ki izpiše "Hello, world!". V urejevalniku besedila napišite datoteko HelloWorld.java z naslednjo vsebino:
HelloWorld.java
1
2
3
4
5

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
	System.out.println("Hello, world!");
    }
}
Pomembno je, da upoštevate velike in male črke. Številk na levi ne vpisujte, te le označujejo posamezne vrstice. Programov in ostalih datotek, ki so prikazane tu, vam ni treba prepisovati na roko. Dobite jih tako, da kliknete na naslov datoteke.
Vsak program napisan v Javi je treba prevesti z Javinim prevajalnikom javac (angl. "javacompiler"), ki preveri, ali je program napisan po pravilih programskega jezika Java, in ga prevede v t.i. "byte kodo" (angl. "bytecode"). V ukazni vrstici izvedemo: 
C:\> javac HelloWorld.java
C:\>
Če gre vse po sreči, prevajalnik uspešno prevede program in ga v prevedeni obliki shrani v datoteko HelloWorld.class. Program lahko sedaj poženemo z Javinim interpretejem java: 
C:\> java HelloWorld
Hello world!
C:\>
Bravo! Vaš prvi program. (Če vam ne uspe pognati prvega programa, je verjetno prišlo do kake napake pri inštalaciji Jave. V tem primeru poiščite pomoč koga, ki zna uporabljati Javo.) Zapomnimo si osnovni postopek prevajanja programov v Javi:
  1. Java program shranimo v datoteko s končnico .java.
  2. Program prevedemo s prevajalnikom javac.
  3. Prevedeni program se shrani v datoteko s končnico .class.
  4. Program poženemo z interpreterjem java
Program torej napišemo, prevedemo in poženemo. In to je vse? Vsak programer vam bo povedal, da gre v resnici drugače: program napišemo, poženemo prevajalnik, ta javi napako, ki jo odpravimo, še enkrat poženemo prevajalnik, ki javi naslednjo napako, itn. Ko navsezadnje uspešno prevedemo program in ga poženemo, ta ne deluje tako, kot smo to načrtovali. Sedaj se prične iskanje logičnih napak. To so take napake, ki jih prevajalnik ne more odkriti (na primer, v programu za izračunavanje plač po pomoti delimo s koeficienti namesto, da bi množili). Z več ali manj potrpljenja odpravimo vse napake (oziroma tiste, ki smo jih našli!) in končno imamo delujoč program.
Kako odpravljamo napake? S potrpežljivostjo, izkušnjami in tako, da skrbno preberemo sporočila, ki jih izpiše prevajalnik.
Odpravljanje napak je sestavni del programiranja, zato programer skrbno prebere sporočila o napakah.
Oglejmo si to na primeru. Denimo, da ste pretipkali program HelloWorld.java in da dobite takole sporočilo, ko ga prevedete: 
C:\> javac HelloWorld.java
HelloWorld.java:1: Public class HelloWolrd must be defined
in a file called "HelloWolrd.java".

public class HelloWolrd {
^
1 error
C:\>
Prevajalnik je javil napako v prvi vrstici datoteke HelloWorld.java, ko je izpisal "HelloWorld.java:1:". To ne pomeni, da je napaka res v prvi vrstici, ampak da jo se je prevajalnik prvič zavedel, da je nekaj narobe, ko je prevajal prvo vrstico! Ponavadi je napaka res v vrstici, ki jo javlja prevajalnik, ali pa v kaki bližnji vrstici.
Kaj pa pravi sporočilo o napaki? Prevedeno v slovenščino se glasi: Javni razred HelloWolrd mora biti definiran v datoteki "HelloWolrd.java".
Označeno je tudi mesto, na katerem se je prevajalnik ustavil, to je na besedici "HelloWolrd". Nekaj je torej narobe s to besedico. Prevajalnik trdi, da je ime datoteke napačno. Kaj se dogaja? Če pozorno pogledamo, vidimo, da piše "HelloWolrd" namesto "HelloWorld". Zatipkali smo se--to je vse. Prevajalnik pa je javil, da je napačno ime datoteke, ker pač ne ve, ali smo se zatipkali pri imenu datoteke ali v programu.
Naloga 2
Denimo, da smo dobili tole sporočilo o napaki pri prevajanju HelloWorld.java: 
C:\> javac HelloWorld.java
HelloWorld.java:3: String not terminated at end of line.
System.out.println("Hello, world!\n);
^
HelloWorld.java:4: ')' expected.
}
^
2 errors
C:\>
Kaj je narobe?
Prvo lekcijo zaključimo z razlago programa HelloWorld.java. Vsak Java program sestoji iz enega ali več razredov (angl "class"). Razred je zaključena celota, ki vsebuje podatke in metode, ki sestavljajo zaključeno celoto. Na primer, če bi pisali program za risanje likov, bi ga verjetno razdelili na razrede kot so Trikotnik, Krog in Kvadrat. Vsak razred bi vseboval podatke, ki določajo dani lik. Za krog bi to bile koordinate središča in polmer, za kvadrat pa središce, dolžina stranice in nagib.
Java pozna objekte, ki so posamezni primerki razredov. Vsak objekt pripada nekemu razredu. Na primer, Krog(0.2, 1.7, 2.3) bi bil primer objekta, ki pripada razredu Krog (središce je v točki (0.2, 1.7), polmer je 2.3). Pravimo, da je Java objektni programski jezik (angl. "object oriented"). Zaenkrat je to vse, kar bomo povedali o objektih.
V našem primeru imamo samo en razred, ki se imenuje HelloWorld. Razred mora biti shranjen v datoteki z istim imenom in s končnico .java, torej HelloWorld.java. Razred definiramo takole: 
public class HelloWorld {
  ...
}
Med zavitim oklepaji definiramo podatke in metode, ki spadajo v ta razred. Za zdaj bomo preskočili pomen besedice public.
Razred HelloWorld vsebuje definicijo metode main, ki je definirana takole: 
public static void main(String[] args) {
  System.out.println("Hello, world!");
}
Ko zaženemo program, Java interpreter vedno pokliče metodo z imenom main. Za zdaj se ne ozirajmo na pomen besedic public in static, povejmo le, da so v tem primeru obvezne. Besedica void (angl. "prazen") pomeni, da metoda main ne vrača nobenega rezultata (izpis sporočila "Hello, world!" na ekran ni rezultat, ampak učinek), main je ime metode, "String[] args" pa določa, da metoda main sprejme en argument, ki se imenuje args in je tabela nizov. Njegov pomen bomo razložili bolj podrobno kasneje.
Metoda main vsebuje en sam ukaz, System.out.println("Hello, world");. To preberemo takole: izvedi metodo println na objektu out iz razreda System z argumentom "Hello, world". Razred System je del standardne knjižnice. V njem je definiran objekt out, ki se uporablja za izpis sporočil na ekran. Ta objekt ima metodo println, ki izpiše dano sporočilo in postavi izpis v novo vrstico.
Kako izvemo vse to? Tako, da pogledamo v dokumentacijo o razredu System in objektu out.
Naloga 3
Poišči dokumentacijo o razredu System, objektu System.out in metodi println.
Katera metoda v objektu System.out se uporablja za izpis na ekran brez pomika v novo vrstico?
Naloga 4
Napiši program HelloGoodbye.java, ki izpiše: 
Hello, world!
Goodbye.
Ponovimo:
  1. Java program sestoji iz enega ali več razredov.
  2. Razred je zaključen del programa, ki vsebuje podatke in metode.
  3. Razred mora biti v datoteki z istim imenom in s končnico .java.
  4. Ko poženemo program, se izvede metoda main.
Naloga 5
Spremeni naslednja navodila v ukaze v Javi in napiši program Brezveze.java, ki te ukaze izvede:
  1. Deklariraj celoštevilčno spremenljivko x z začetno vrednostjo 12.
  2. Deklariraj celoštevilčno spremenljivko y z začetno vrednostjo -715.
  3. Deklariraj celoštevilčno spremenljivko z z začetno vrednostjo 0.
  4. Nastavi z na vsoto spremenljivk x in y.
  5. Odštej 7 od x.
  6. Nastavi y na produkt x in z.
Kolikšne so vrednosti posameznih spremenljivk po izvedi teh ukazov? Program prevedi in poženi.
Naloga 6
V Javi poznamo pogojni stavek: 
if (p) {
  A;
}
else {
  B
}
Pomen tega ukaza je: "če velja pogoj p potem izvedi ukaz A, sicer izvedi ukaz B". Ukaza A in B lahko sestojita iz večih ukazov (zato sta zapisana vsak znotraj svojih zavitih oklepajev).
Denimo, da imamo celoštevilčne spremenljivke x, y in z. Vrednost z bi radi nastavili na vrednost manjše od spremenljivk x in y. Na primer, če je x enako 17 in y enako 8, potem naj se z nastavi na 8, ker je 8 < 17.
Zapiši pogojni stavek, ki to naredi. Napiši program Manjsi.java, v katerem so najprej deklarirane spremenljivke x, y in z nato pa se izvede tvoj pogojni stavek. Preizkusi program za različne začetne vrednosti spremenljivk x in y. (Ker program ničesar ne izpiše na zaslon, seveda ne boš vedel, kaj se je dejansko izračunalo--vseeno pa se bo izračunalo.)
Povej, kako se tvoj program izvede, če imata x in y enako vrednost.
Naloga 7: Menjava dveh spremenljivk
Pogost opravek v programiranju je menjava vrednosti dveh spremenljivk.
Denimo, da imamo deklarirani dve celoštevilski spremenljivki x in y. Programerji začetniki pogosto mislijo, da se njuni vrednosti zamenja takole: 
x = y;
y = x;
Kaj se zares zgodi, ko se izvedeta ta ukaza?
Kako se zamenja vrednost dveh spremenljivk? Namig: uporabi tretjo, pomožno spremenljivko.