Robotica Industriale

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1 Robotica Industriale Cenni sulla programmazione JAVA Raffaele Grandi < > DEIS - LAR Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 1 / 39

2 Teoria Cenni di Java Standard Edition : panoramica generale Java è un linguaggio di programmazione ad oggetti particolarmente potente e versatile sviluppato dalla Sun Microsystem nei primi anni 90 Java Platform Standard Edition Development Kit 6 tradotto in breve JDK-SE-6 contiene tutto il necessario per lo sviluppo del software java (JVM) scaricabile da Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 2 / 39

3 Teoria Caratteristiche principali 1/3 1 programmazione classica (cicli, operatori logici, gestione delle variabili) proveniente dal C/C++ 2 gestione avanzata delle ADT (Abstract Data Type) Vector, List, ArrayList, Hashtable... 3 programmazione concorrente (Threads e Sincronizzazione) 4 gestioni dei flussi di dati locali e remoti (File e Socket) Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 3 / 39

4 Teoria Caratteristiche principali 2/3 1 forte integrazione coi Design Patterns (DP) 1 Definizione grossolana dei DP: Soluzioni testate per problemi ricorrenti 2 Porta alla definizione e costruzione di componenti software 2 interfacce grafiche (librerie Heavy Weight e Light Weight) 1 AWT: Abstract Window Toolkit (di tipo HW) 2 SWING (di tipo LW) 3 SWT: Standard Widget Toolkit (di tipo HW) 3 tecnologie web lato cliente e server (Applet, Servlet) 4 gestione dei flussi audio e video (JMF) Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 4 / 39

5 Caratteristiche principali 3/3 Teoria buon interfacciamento e integrazione con dispositivi HW e applicazioni SW: Porte seriali: seriali fisiche e virtuali (Bluetooth) Librerie: JCOMM, BLUECOVE, JNI Molto software commerciale ha un qualche tipo di integrazione con Java (es Matlab) Manipolazione dei documenti XML Integrazione con i database Integrazione con piattaforme CORBA sviluppo di sistemi Middleware distribuiti Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 5 / 39

6 Teoria Caratteristiche strutturali 1/2 In dettaglio: 1 sintassi simile al C++ 2 indipendenza dalla piattaforma ( JVM ) codice interpretato: ByteCode (Architecture Neutral) Write once, run everywhere 3 codice suddiviso in classi e packages 4 linguaggio orientato agli oggetti (in Java tutto è un oggetto) ogni oggetto ha proprietà e metodi astrazione tramite Interfacce e Classi Astratte ereditarietà e polimorfismo Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 6 / 39

7 Caratteristiche strutturali 2/2 Teoria La grande versatilità di Java purtroppo si paga in termini computazionali: codice interpretato e multipiattaforma Write once, run everywhere diventa Write once, DEBUG anywhere lentezza nell esecuzione dovuta al bytecode struttura multilivello della JVM (es: Garbage Collector level) soluzione parziale: le recenti JVM incorporano un compilatore just-in-time (JIT compiler) che provvede alla traduzione dinamica del codice: il bytecode viene precompilato dalla JVM e in seguito viene tradotta solo la parte in esecuzione mentre prima la fase di compilazione e traduzione avveniva in un unica fase Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 7 / 39

8 Libri Programmazione Java 1 Bruce Eckel 1 Think in Java - vol.1 - Fondamenti 2 Think in Java - vol.2 - Tecniche avanzate 2 Deitel&Deitel 1 Java: Fondamenti di programmazione 2 Java: Tecniche avanzate Schede di riferimento su Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 8 / 39

9 Internet Programmazione Java 1 Google 2 Sito Internet SUN: java.sun.com 3 Application Programming Interface (API) ufficiali: buona norma: mantenere aperte le API approfondimenti: Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 9 / 39

10 Eclipse Paradigma di programmazione Gli oggetti software Integrated Development Environment IDE: per lo sviluppo del software NetBeans Eclipse ambiente di sviluppo multi-linguaggio scritto interamente in Java (Swing) nato nel giugno scelto dalla Sun Microsystems come IDE ufficiale plug-in oriented ambiente di sviluppo multi-linguaggio scritto in Java (SWT) progetto opensource sviluppato da una vasta comunità sotto la tutela della Eclipse Foundation plug-in oriented Noi utilizzeremo Eclipse, in quanto si integra meglio con LeJOS (plug-in specifico) è possibile usare altri IDE o nessuno, lavorando tramite linea di comando Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 10 / 39

11 Eclipse Risorse per la programmazione Eclipse Paradigma di programmazione Gli oggetti software Eclipse è un ambiente di sviluppo multipiattaforma (Linux - Windows e Mac) Lo si scarica gratuitamente da La versione a cui siamo interessati è Eclipse Classic (162 MB) viene così installato tutto l ambiente di sviluppo compresa la JVM per chi avesse Ubuntu è disponibile anche nel repository ufficiale Figura: Eclipse Downloads site Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 11 / 39

12 Eclipse Paradigma di programmazione Gli oggetti software Eclipse L ambiente di lavoro Una volta installato Eclipse e caricato, l interfaccia appare come nella figura a fianco: Area di lavoro Gerarchia dello spazio di lavoro contenente i packages e le classi Console di output Menù per la gestione delle opzioni Figura: Eclipse Interface Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 12 / 39

13 Eclipse Paradigma di programmazione Gli oggetti software Risorse su Eclipse Da dove imparare 1 Google ;-) 2 Eclipse Community : 3 Libro: 1 Eclipse for Dummies Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 13 / 39

14 Paradigma di programmazione 1/2 Definizione Eclipse Paradigma di programmazione Gli oggetti software Da Wikipedia:... Un insieme di strumenti concettuali forniti da un linguaggio di programmazione per la stesura di programmi, e definisce/determina il modo in cui il programmatore concepisce e percepisce il programma. Diversi paradigmi si differenziano per i concetti e le astrazioni usate per rappresentare gli elementi di un programma (come ad esempio le funzioni, gli oggetti, le variabili, vincoli, ecc) e per i procedimenti usati per l esecuzione delle procedure di elaborazione dei dati (assegnazione, calcolo, iterazione, data flow, ecc). Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 14 / 39

15 Eclipse Paradigma di programmazione Gli oggetti software Paradigma di programmazione 2/2 Java introduce un paradigma fortemente orientato agli oggetti. Il concetto produce conseguentemente una programmazione orientata alla costruzione e alla progettazione di componenti software Introduzione di test automatici per la validazione e la manipolazione del codice Astrazione di altissimo livello (Pattern di programmazione e ingegneria del software) Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 15 / 39

16 Eclipse Paradigma di programmazione Gli oggetti software Gli oggetti software Da un punto di vista concettuale gli oggetti software modellano il comportamento e/o le proprietà che hanno o possono avere gli oggetti reali: 1 dati strutturali 2 metodi di comportamento 3 ereditarietà di metodi, strutture e comportamenti provenienti da oggetti preesistenti Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 16 / 39

17 Gli oggetti software Esempio pratico: una porta Eclipse Paradigma di programmazione Gli oggetti software Caratteristiche strutturali (variabili di un oggetto): altezza, larghezza, spessore, materiale, colore, possiede una maniglia... Caratteristiche funzionali (metodi di un oggetto): apri/chiudi porta Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 17 / 39

18 Un oggetto nell oggetto Esempio pratico: la maniglia (della porta) Eclipse Paradigma di programmazione Gli oggetti software Caratteristiche strutturali (variabili di un oggetto): lunghezza, grandezza, forma, materiale, senso di rotazione, gradi di apertura... Caratteristiche funzionali (metodi di un oggetto): ruota in senso orario/antiorario Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 18 / 39

19 Eclipse Paradigma di programmazione Gli oggetti software Interazione tra oggetti Porta - Maniglia 1 Nell interazione tra la porta la maniglia, ad esempio, avremo che all interno del metodo apri/chiudi verrà utilizzato il metodo ruota in senso orario/antiorario di maniglia che a sua volta cambierà il valore della variabile gradi in accordo al senso di rotazione specificato, ammesso che il senso di rotazione proprio della maniglia lo consenta. 2 Spesso nella definizione di un oggetto non vengono solamente definite le operazioni che l oggetto può fare ma anche quelle che non deve fare, in modo da poter caratterizzare in toto il suo comportamento e individuare più facilmente i problemi durante la programmazione 3 Spesso non è possibile prevedere tutti i comportamenti ammessi e non di un oggetto. Sono quindi previste da Java l implementazione e la gestione delle eccezioni (Exceptions) Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 19 / 39

20 Eclipse Paradigma di programmazione Gli oggetti software Ereditarietà Una delle caratteristiche più potenti di Java è la capacità di ereditare le proprietà di una classe di oggetti (variabili e metodi) da una classe padre preesistente La nuova classe ha la possibilità non solo si avere accesso alle strutture della classe padre ma anche di crearne nuove l ereditarietà è one-way (padre -> figlio) e unica: una classe eredita solamente da un unica classe in Java si dice che una classe ne estende un altra e viene utilizzata la parola riservata extends Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 20 / 39

21 Ereditarietà Un nuovo tipo di porta Programmazione Java Eclipse Paradigma di programmazione Gli oggetti software Recuperando l esempio precedente si potrebbe progettare una nuova classe di porte che eredita da quella precedente tutte le caratteristiche ma in più implementa caratteristiche nuove: caratteristiche strutturali: old: altezza, larghezza, spessore, materiale, colore, possiede una maniglia... new: forma, possiede spioncino, spostabile caratteristiche comportamentali: old: apri/chiudi porta new: apri/chiudi spioncino, solleva porta, tira porta, dipingi Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 21 / 39

22 Eclipse Paradigma di programmazione Gli oggetti software Classe vs Oggetto La fase di istanziazione In realtà ciò che fino ad ora abbiamo chiamato oggetto, in Java viene definito come una Classe. Questo perché, riferendoci all esempio di porta, possono essere costruite più porte tutte uguali, ognuna con le stesse caratteristiche strutturali e comportamentali dell altra. Quindi in Java, si definisce una una classe di oggetti con proprietà e metodi propri e in seguito è possibile creare, all interno del sistema, un oggetto con le caratteristiche della classe, attraverso la fase di istanziazione. Viene creata l istanza di un oggetto attraverso l utilizzo dell operatore new Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 22 / 39

23 Breve introduzione alla programmazione pratica Esempio 1 Esempio 2 Breve introduzione alla compilazione Esempio 3 Esempio 4 Breve introduzione alla programmazione pratica Parte 1/2 In Java si programma principalmente utilizzano due tipi di file: 1 File con estensione.java contenente il codice sorgente delle classi che scriviamo. Un file di testo puro e semplice 2 File con estensione.class contenente il bytecode generato dalla compilazione del precedente file usando il comando javac Il file.class ottenuto dalla compilazione può essere eseguito utilizzando da una console il comando java nomefile (privo dell estensione.class) Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 23 / 39

24 Breve introduzione alla programmazione pratica Esempio 1 Esempio 2 Breve introduzione alla compilazione Esempio 3 Esempio 4 Breve introduzione alla programmazione pratica Parte 2/2 Solo in casi particolari è possibile dover lavorare con file.jar : i file jar sono archivi compressi di programmi java. Vengono utilizzati generalmente per distribuire librerie e pacchetti software. All interno è presente generalmente tutta l applicazione, perfettamente corredata della sua gerarchia di packages. Aprendo un file jar (come se fosse un file.zip) è possibile vedere l albero dei packeges contenente le classi dell applicazione. A volte vengono inseriti anche i file.java dei sorgenti Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 24 / 39

25 Programmazione strutturata Esempio 1/4 : ProgramES01 - Hello world Breve introduzione alla programmazione pratica Esempio 1 Esempio 2 Breve introduzione alla compilazione Esempio 3 Esempio 4 package esercitazioni.ex01; public class ProgES01 { /** args */ public static void main(string[] args) { System.out.println( Benvenuti al corso di robotica ); } }//end class Hello world Il più classico degli esempi ma già introduce il concetto di package, di oggetto e di punto di ingresso Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 25 / 39

26 Programmazione strutturata Esempio 1/4 : ProgramES01 - descrizione Breve introduzione alla programmazione pratica Esempio 1 Esempio 2 Breve introduzione alla compilazione Esempio 3 Esempio 4 Fasi iniziali di scrittura di un programma Java 1 Creazione di un package 1 da un punto di vista concettuale è un contenitore di classi di oggetti che hanno una stessa finalità operativa 2 in pratica è una cartella sul sistema 3 una cartella diventa effettivamente un package nel momento in cui all interno dei sorgenti viene rispettata la gerarchia dei direttori 4 la gerarchina dei package è sia logica che fisica 2 Creazione di un punto di accesso al flusso esecutivo: il metodo main 3 Il concetto di oggetto è rappresentato dalla parola class 1 Quindi ogni programma è un oggetto stand-alone in grado di essere eseguito contemporaneamente anche in più istanze ognuno con le stesse caratteristiche e lo stesso punto di ingresso Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 26 / 39

27 Programmazione strutturata Note sintattiche del linguaggio Breve introduzione alla programmazione pratica Esempio 1 Esempio 2 Breve introduzione alla compilazione Esempio 3 Esempio 4 1 La sintassi del linguaggio ci limita a usare, come nome del file sorgente che contiene il codice, un nome identico a quello della classe, quindi nel caso precedente il codice sarà contenuto in un file dal nome ProgES01.java all interno della cartella ex01, sottocartella di esercitazioni (esercitazioni/ex01) 2 Nel linguaggio Java i nomi delle classi iniziano con la lettera maiuscola mentre quelli dei metodi con la lettera minuscola 3 I commenti al codice possono essere effettuati tramite l utilizzo della doppia barra // per commenti che rimangono su una riga e dal una scrittura del tipo barra asterisco /* per aprire un commento multilinea e asterisco-barra per chiudere il commento */ Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 27 / 39

28 Programmazione strutturata Esempio 2/4 : ProgramES01b Breve introduzione alla programmazione pratica Esempio 1 Esempio 2 Breve introduzione alla compilazione Esempio 3 Esempio 4 package esercitazioni.ex01; public class ProgES01b { static String stringa01 = Scrivi qualcosa sullo schermo ; static String stringa02 = new String( Ho già scritto qualcosa ); int x = 30; //minuti che eravate disposti ad ascoltare prima di iniziare double y = ; //secondi che effettivamente siete stati attenti boolean max interest = false; //situazione attuale public static void main(string[] args) { System.out.println(stringa01); System.out.println(stringa02); System.out.println( InterestData x: +x+ ;y: +y+ ;MI: +max interest ); } //end main }//end class Variabili Java ha molti tipi di variabili. La Stringa può essere trattata come una variabile comune. In realtà è un oggetto. Le stringhe possono essere concatenate e manipolate in modo molto complesso Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 28 / 39

29 Breve introduzione alla compilazione Comandi da console 1/3 Breve introduzione alla programmazione pratica Esempio 1 Esempio 2 Breve introduzione alla compilazione Esempio 3 Esempio 4 Prima di procedere oltre vediamo come eventualmente compilare il programma java appena visto, via terminale Dal codice sorgente notiamo che il programma risiede all interno di un file che si chiama ProgES01b.java (dal nome della classe) che sul disco di sistema risiede in una cartella (package) dal percorso esercitazioni/ex01: Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 29 / 39

30 Breve introduzione alla compilazione Comandi da console 2/3 Breve introduzione alla programmazione pratica Esempio 1 Esempio 2 Breve introduzione alla compilazione Esempio 3 Esempio 4 Procedura: 1 Configurare i percorsi di ricerca all interno delle variabili di sistema in modo che includano la cartella della JVM 2 Aprire una console di comando e spostarsi all interno della cartella contenente il package esercitazioni (ad esempio cd nomecartella) 3 Digitare il comando javac esercitazioni/ex01/proges01s.java per la compilazione del sorgente. 1 Se non ci sono errori di compilazione viene creato all interno della cartella esercitazioni/ex01/ un file dal nome ProgES01s.class 2 Altrimenti viene segnalato attraverso una serie di errori in cascata quali sono le difficoltà incontrate nella compilazione e dove viene rilevato l errore 4 In caso che la compilazione sia andata a buon fine è possibile procedere all esecuzione del programma digitando il comando java esercitazioni/ex01/proges01s Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 30 / 39

31 Breve introduzione alla compilazione Comandi da console 3/3 Breve introduzione alla programmazione pratica Esempio 1 Esempio 2 Breve introduzione alla compilazione Esempio 3 Esempio 4 Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 31 / 39

32 Programmazione strutturata Esempio 3/4 : ProgramES01e Breve introduzione alla programmazione pratica Esempio 1 Esempio 2 Breve introduzione alla compilazione Esempio 3 Esempio 4 package esercitazioni.ex01; public class ProgES01e { static int var01 = 35; public static void main(string[] args) { for (int i = 0; i < var01; i++){ stampastringa( Prova di stampa n +i); } } public static void stampastringa(string str){ System.out.println(str); }//end stampastringa }//end class Complicazioni... Introducendo cicli, variabili e metodi la versatilità del codice aumenta. Il prossimo lucido ne è un esempio. Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 32 / 39

33 Programmazione strutturata Esempio 4/4 : ProgramES01s - Bubble Sort p1 Breve introduzione alla programmazione pratica Esempio 1 Esempio 2 Breve introduzione alla compilazione Esempio 3 Esempio 4 package esercitazioni.ex01; public class ProgES01s { static int numelements01 = 50, numelements02 = 20; rangevals = 100; public static void main(string[] args) { int[] unsortedarray01 = new int[numelements01]; int[] unsortedarray02 = new int[numelements02]; initarray(unsortedarray01); initarray(unsortedarray02); System.out.println( \nstampo vettori non ordinati ); printarray(unsortedarray01); printarray(unsortedarray02); System.out.println( \neseguo fase di ordinamento ); bubblesort(unsortedarray01); bubblesort(unsortedarray02); System.out.println( \nstampo vettori ordinati ); printarray(unsortedarray01); printarray(unsortedarray02); }//main BubbleSort versione artigianale. Nel main vediamo la chiamata a 3 metodi (initarray, bubblesort, printarray), una chiamata di sistema e la creazione di 2 oggetti Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 33 / 39

34 Programmazione strutturata Esempio 4/4 : ProgramES01s - Bubble Sort p2 Breve introduzione alla programmazione pratica Esempio 1 Esempio 2 Breve introduzione alla compilazione Esempio 3 Esempio 4 static private void initarray(int[] toinitarr){ for (int i=0; i < toinitarr.length; i++ ){ toinitarr[i] = (int) (Math.random() * rangevals); } }//initarray static private void printarray(int[] temparray){ System.out.println( \nprinting array with +temparray.length+ elements ); for (int i=0; i < temparray.length; i++ ){ System.out.println( Array element +i+ : +temparray[i]); } }//printarray Metodi di utilità Spesso all interno dei programmi si impiegano metodi di utilità. In questo caso initarray e printarray di struttura e compito concettualmente identici >> pattern Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 34 / 39

35 Programmazione strutturata Esempio 4/4 : ProgramES01s - Bubble Sort p3 Breve introduzione alla programmazione pratica Esempio 1 Esempio 2 Breve introduzione alla compilazione Esempio 3 Esempio 4 static private void bubblesort(int[] temparray){ if (temparray.length >= 2){ // controllo boolean ordinato; do{ ordinato = true; int k = 0; while(k < temparray.length-1){ if (temparray[k] > temparray[k+1]){ ordinato = false; int box = temparray[k]; temparray[k] = temparray[k+1]; temparray[k+1] = box; }//endif k++; }//endwhile }while(!ordinato); }//endif }//bubblesort }// end class Metodo bsort Il cuore del programma. Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 35 / 39

36 Esempio 1 Fase di progettazione Cerchiamo di capire come modificare l esempio del Bubble Sort per avvicinarci in vari steps alla programmazione ad oggetti: 1 Recuperiamo i metodi presenti nel main e creiamo un oggetto che fornisca le stesse funzionlità. Al momento un semplice contenitore 2 Da un punto di vista strutturale non abbiamo cambiato molto ma da quello concettuale iniziamo a vedere come è possibile delegare funzionalità operative a strutture diverse correlate tra loro Inizialmente viene creato un package exampleclass con all interno la classe BSortClass da cui istanziare il nostro oggetto Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 36 / 39

37 Esempio 1/N : ProgramES02 - p1 Esempio 1 package esercitazioni.ex02; import esercitazioni.exampleclass.*; public class ProgES02s { static int numelem01 = 50, numelem02 = 20; rangevals = 100; static BSortClass bsortobj; public static void main(string[] args) { int[] unsortedarr01 = new int[numelem01]; int[] unsortedarr02 = new int[numelem02]; bsortobj.initarray(unsortedarr01); bsortobj.initarray(unsortedarr02); System.out.println( \nstampo vettori non ordinati ); bsortobj.printarray(unsortedarr01); bsortobj.printarray(unsortedarr02); System.out.println( \neseguo fase di ordinamento ); bsortobj.bubblesort(unsortedarr01); bsortobj.bubblesort(unsortedarr02); System.out.println( \nstampo vettori ordinati ); bsortobj.printarray(unsortedarr01); bsortobj.printarray(unsortedarr02); }//main }//end class BubbleSort versione 2. Rispetto a prima vediamo che il main del programma non ha subito grosse modifiche. Compare solamente l istanza del nuovo oggetto e le chiamate ai suoi metodi. Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 37 / 39

38 Esempio 1/N : ProgramES02 - p2 Esempio 1 package esercitazioni.exampleclass; public class BSortClass { int rangevals; public BSortClass(int rval){ rangevals = rval; }//end constructor public void initarray(int[] toinitarr){ for (int i=0; i < toinitarr.length; i++ ){ toinitarr[i] = (int) (Math.random() * rangevals); } }//initarray public void printarray(int[] temparray){ System.out.println( \nprinting array with +temparray.length+ elements ); for (int i=0; i < temparray.length; i++ ){ System.out.println( Array element +i+ : +temparray[i]); } }//printarray BSortClass I metodi funzionali sono stati ripresi direttamente dal main e implementati all interno dell oggetto. Viene effettuata un operazione di incapsulamento. Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 38 / 39

39 Esempio 1/N : ProgramES02 - p3 Esempio 1 public void bubblesort(int[] temparray){ if (temparray.length >= 2){ // controllo boolean ordinato; do{ ordinato = true; int k = 0; while(k < temparray.length-1){ if (temparray[k] > temparray[k+1]){ ordinato = false; int box = temparray[k]; temparray[k] = temparray[k+1]; temparray[k+1] = box; }//endif k++; }//endwhile }while(!ordinato); }//endif }// bubblesort }// end class BSortClass BSortClass Il metodo della classe BSortClass che fornisce la funzionalità dell ordinamento di un vettore Raffaele Grandi < > Robotica Industriale 39 / 39

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