Laboratorio di Informatica Applicata

Laboratorio di Programmazione ad Oggetti

Roberto Sassi
Università degli studi di Milano - Dipartimento di tecnologie dell'informazione

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Introduzione e strumenti di lavoro

Giovedì, 25 Settembre 2008

Cosa è un programma?

Un programma è un insieme di istruzioni che spiegano ad un computer come effettuare una certa operazione. Pressapoco come una ricetta per preparare una torta.

A differenza della ricetta per la torta, che ciascuno può suggerire all'amico nel modo che vuole, i programmi per computer devono essere scritti in un "linguaggio di programmazione", caratterizzato da un vocabolario di parole molto limitato e da una sintassi estremamente precisa che non lascia spazio ad ambiguità. Ci sono moltissimi linguaggi di programmazione: Fortran, Basic, Pascal, Modula 2 e 3, C, C++, Algol, Cobol, ..., Java.

Perché è necessario un programma?

Dal punto di vista del programmatore, il programma ideale sarebbe una cosa del genere:

      Hei computer, per cortesia, scrivi "Hello World!" sul monitor. Grazie.

Il computer, dal canto suo, preferirebbe una cosa del genere:

      0101 1101 0010 0100 1101 1001 1110 1011 
      0001 0100 1110 0100 1101 1001 1101 1011
      0100 1101 1001 1110 1011 0001 0100 1110 
      0110 0101 0101 1000 1101 0110 ... 

Ogni linguaggio di programmazione è un compromesso, più vicino all'uomo (C, Java) o alla macchina (Assembler). Vediamo, ad esempio, alcuni programmi COMPLETI e pronti per essere "compilati".

• Seguiamo un ordine cronologico e partiamo dal Fortran, ancora piuttosto diffuso per simulazioni numeriche:

        PROGRAM HELLOWORLD
  C     Le prime sei colonne sono vuote
        WRITE(UNIT=*,FMT=*) 'Hello World!'
        END

• il C, il linguaggio Standard più diffuso:

  #include <stdio.h>
  
  int main() {
      printf("Hello World!\n");
  }

• e il Java:

  class Helloworld {
    public static void main(String args[]) {
      System.out.println("Hello World!");
    }
  }

Brevissima storia della programmazione

• In principio, il programmatore 1) schematizzava il problema, 2) lo riduceva in operazioni elementari e 3) scriveva il programma direttamente nel codice binario del computer in uso (una serie di codici, ciascuno per ogni operazione elementare).
• Un miglioramento fu l'introduzione del linguaggio Assembler, in corrispondenza pressoché biunivoca con quello binario, ma più maneggiabile per un umano.
• Cominciarono quindi a diffondersi le prime librerie assembler "virtuali". Con esse nacquero i primi interpreti che run-time attingevano dalle librerie trasformavano il codice "virtuale" in uno realmente comprensibile dalla macchina in questione. In generale gli "interpreti" sono programmi in grado di interpretare dei linguaggi virtuali e far eseguire dalla macchina ospite alcune istruzioni macchina opportune. Sono le prime "virtual machine".
• Attorno al 1953, fu introdotto il compilatore. Il programmatore poteva scrivere in un linguaggio "virtuale" (leggermente più astratto) che veniva quindi automaticamente convertito ("compilato") da un programma (il "compilatore" appunto) nel linguaggio binario della macchina in uso. Sostanzialmente, all'epoca, si trattava di far interpretare il codice una volta per tutte.
• Ma la compilazione aprì la porta a tutta una serie di sviluppi importanti. Dalla seconda metà degli anni '50 si svilupparono i primi linguaggi di "alto livello", Fortran, Cobol, Algol, ... Un compilatore traduce il programma in una serie di istruzioni Assembler che vengono quindi codificate nel linguaggio oggetto.
• Dalla seconda metà degli anni '60 si cominciarono a formalizzare idee su come strutturare più efficacemente i programmi. Si cominciò ad organizzarli in unità funzionali ...

A ritroso ...

Per scrivere un programma sequenziale che risolva un problema ripercorriamo ogni volta a ritroso questa breve storia:

• per prima cosa, analizziamo il problema e individuiamo i vari blocchi che lo compongono. Quindi pensiamo ad un "diagramma di flusso" che lo risolva.
• scriviamo un programma in un linguaggio di alto livello, che altro non è che un file di testo. Siamo ancora ben distanti dal codice oggetto. Ad esempio in C:

  #include <stdio.h>
  int main()
  {
      int x = 1;
      int i;
  
      i=x+3;
  
      printf("Il risultato di i=x+3 e' %d" , i);
  }

• con il compilatore dei linguaggio prescelto (ogni linguaggio ha bisogno del suo compilatore) compiliamo il file sorgente (quello di testo del programma) in un file binario eseguibile dal computer in uso. L'istruzione

  i=x+3;

  diventa qualcosa del tipo (Microsoft Assembler):

  mov eax, [x]
  add eax, 3
  mov [i], eax

  eax è un registro del processore; [x] è il contenuto della cella di memoria di indirizzo x .
• dalla linea di comando, eseguiamo il programma:

  C:\somma
  Il risultato di i=x+3 e' 4
  C:\
  

Java^TM?

Sun (la ditta che lo ha sviluppato e ne detiene la proprietà del marchio) definisce Java:

A simple, object-oriented, network-savvy, interpreted, robust, secure, architecture neutral, portable, high-performance, multithreaded, dynamic language. [http://java.sun.com/docs/overviews/java/java-overview-1.html]

Chiaro, no?

Java non è solo un linguaggio di programmazione, ma una piattaforma basata su tre componenti fondamentali (li vedremo meglio dopo):

• La Java Virtual Machine;
• Il linguaggio di programmazione Java;
• La libreria di classi Java.

Un po' di storia ufficiale

All'inizio degli anni '90, l'introduzione dei microprocessori in tutti i prodotti di largo consumo apri un mercato nuovo per le aziende informatiche. In particolare, Sun avvio un progetto chiamato "Green" che doveva intuire i nuovi trend e sviluppare prototipi per anticipare il mercato.
Nasce così "Oak", un linguaggio di programmazione multipiattaforma che Sun cerca di lanciare nel mercato dei set-top box televisivi per permettere l'interazione dell'utente con la televisione via cavo. La scelta si rivelò un fallimento.
Nel frattempo, nel 1993 venne rilasciata la prima versione di NCSA Mosaic e il modo di intendere internet, fino ad allora accessibile solo attraverso protocolli quali telnet e gopher, cominciò rapidamente a cambiare. Sun aveva trovato il mercato in cui inserire il suo nuovo prodotto, ribattezzato per l'occasione Java. In onore della macchina del caffè davanti alla quale gli sviluppatori si incontravano assai spesso visto i tempi assai stretti dello sviluppo.
L'accoppiata Netscape+Java si rivela da subito vincente: la rete può finalmente servire anche per transazioni complesse alla portata dell'utente finale. Java grazie alla indipendenza da una singola piattaforma è di fatto adatto ad applicazioni distribuite su diverse piattaforme hardware.
Java è abbastanza recente. Basti pensare che fu presentato al pubblico la prima volta il 23 Maggio 1995 ... [http://java.sun.com/features/1998/05/birthday.html]

La piattaforma Java

• La Java Virtual Machine (JVM): è un vero e proprio "computer" virtuale che eseguirà i nostri programmi. I programma eseguibili Java sono quindi composti da istruzioni per questo sistema virtuale: i bytecodes. La JVM è propriamente un interprete di un linguaggio non troppo distante da quello binario della macchina su cui viene eseguito. Durante l'esecuzione interpreta ciascuna istruzione bytecode e fa eseguire dal sistema in uso le istruzioni corrispondenti. La JVM è oramai disponibile su quasi tutte le piattaforme, perfino alcuni cellulari. Per noi programmatori, sarà come avere un sistema operativo (abbastanza) standard virtuale.
• Il linguaggio di programmazione Java: è un rappresentante della famiglia dei "mobile code". E' un linguaggio orientato agli oggetti e fortemente tipizzato, simile a C++ ma anche SmallTalk e Objective-C. La versione attuale è la 1.6, ma dalla versione 1.1 è pressoché consolidato (almeno per quello che riguarda il nostro corso).
• La libreria di classi Java: In Java 1.4 era composta da 2991 diverse classi (capiremo meglio in futuro cosa sia una classe). La versione 1.5 ne conteneva più di 3000 e la 1.6 un numero ancora maggiore. Dalla versione 1.2 è stata ribattezzata per motivi di marketing "Java 2 Platform". Le versioni 1.5 e 1.6 di Java, sempre per motivi di marketing, vengono anche rispettivamente chiamate "Java 5, Tiger" e "Java SE 6, Mustang".

Il nostro primo programma Java

Consideriamo il nostro primo programma:

class Pax {
  public static void main(String[] args) {
    System.out.println("Pax in terra hominibus bonae voluntatis.");
  }
}

Un po' di anatomia ...

• Commenti: aiutano i programmatori a comprendere il codice. Non sono istruzioni e non vengono compilati.
• Parole riservate (keywords): class, public, static, void. Hanno un particolare significato per il compilatore e non possono essere utilizzate per altri scopi.
• Modificatori: public, static. Specificano le proprietà dei dati, dei metodi e delle classi e indicano come questi possano essere utilizzati.
• Operazioni: Indicano un azione o una sequenza di azioni. Ogni istruzione termina con un punto e virgola
• Blocchi: { ... }. Racchiudono altri componenti del programma. Ogni classe e ogni metodo hanno il loro blocco. I blocchi possono essere inseriti l'uno all'interno dell'altro ("annidati")
• Classi: Pax. Componente fondamentale del programma Java. Un programma viene definito dall'utilizzo di una o più classi. Un programma conterrà almeno una classe.
• Oggetti: System.out. È l'oggetto di standard output.
• Metodi: println(), main(). È una collezione di istruzioni che produce un qualche risultato quando viene applicato ad un oggetto. Riconosciamo un metodo dal fatto che dopo il nome compare una coppia di parentesi tonde tra le quali sta la lista degli argomenti.

In pratica ...

Il file che lo contiene DEVE chiamarsi con il nome della classe contenuta nel file e avere estensione ".java". In pratica il file deve avere lo stesso nome che compare dopo la parola class nel file. Le classi hanno per convenzione un nome che inizia con una maiuscola; attenzione alle maiuscole quando salvate il file! Non serve un editor particolare, basta che sia un editor di testo: NO MSWord!

Il nostro obiettivo è eseguirlo. Per prima cosa dobbiamo compilarlo ed ottenere il bytecode eseguibile dalla JVM. Per compilarlo ci serve un compilatore Java. Sun lo fornisce gratuitamente con il "Java Software Developement Kit" o JDK: per farlo a casa scaricate ed istallate il file: JDK 6 Update 7.

Dalla riga di comando, digitiamo:

C:\javac Pax.java

C:\

Il compilatore Javac ha prodotto il file Pax.class che contiene il bytecode per la JVM. Per eseguirlo dobbiamo invocare la JVM e chiederle di interpretare il file Pax.class:

C:\java Pax
Pax in terra hominibus bonae voluntatis.

C:\

Il programma è stato eseguito correttamente e ha stampato come richiesto una frase. Notate che non è stata specificata l'estensione .class del file. La JVM si aspetta che i files abbiano questa estensione. Rivediamo in uno schema i passi tipici del ciclo di sviluppo di un programma Java (cioè quello che abbiamo appena fatto).

Un secondo programma

Per oggi ci accontentiamo di familiarizzare con il linguaggio che dalla prossima lezione affronteremo in dettaglio. Vediamo un secondo esempio:

class Fibonacci {
  public static void main(String[] args) {
    int questo=1, precedente=1, prossimo;

    System.out.println(precedente);
    System.out.println(questo);

    while((prossimo=questo+precedente) < 100) {
      System.out.println(prossimo);
      precedente=questo;
      questo=prossimo;
    }
  }
}

Strumenti

SciTE (facoltativo ma consigliato)

Un buon editor di testo gratuito è SciTE. E' installato nei laboratori e ve ne consiglio caldamente l'uso. Lo useremo anche per scrivere file HTML e PHP. Esiste anche per piattaforma Linux; in seguito vengono date istruzioni per la piattaforma Microsoft.

Procedura passo-passo

• Scaricate ed installate l'installer scite-1.75-setup-1.exe nella versione approntata da Bruce Dodson. Supponiamo che venga installato nella cartella "C:\Programmi\Scintilla Text Editor".
• Scaricate il file AggiunteSciTE6.zip ed estraetene il contenuto nella cartella C:\Programmi\Scintilla Text Editor. Il file SciTEGlobal.properties dovrebbe sovrascrivere quello esistente. Lo stesso dovrebbe accadere per altri files.
• Cercate e modificate la riga 763 (circa) del file SciTEGlobal.properties

  JAVA_SDK_DIRECTORY="C:\Programmi\Java\jdk1.6.0_07"

  in modo che contenga il percorso base della Java SDK sulla vostra macchina (cioè dove avete installato la JDK Java).
• modificate il PATH di sistema in modo che contenga C:\Programmi\Java\jdk1.6.0_07\bin dove C:\Programmi\Java\jdk1.6.0_07 va modificato in modo che indichi la cartella dove è stata installata la Java SDK. Per farlo, aprire "Sistema" dal Pannello di controllo, scegliere il tab "Avanzate", quindi "Variabili d'ambiente".

Se avete seguito le indicazioni dovreste avere abilitato l'help contestuale e premendo F1 vicino ad una parola chiave Java, PHP o HTML dovrebbe aprirsi una pagina di help.

Eclipse (consigliato)

Un buon ambiente di sviluppo integrato (IDE, Integrated Developer Environment) freeware (che utilizzeremo in alcuni esercizi) è Eclipse che potete scaricare al sito http://download.eclipse.org/eclipse/downloads/ [vedi esercizio 4 del laboratorio per dettagli di installazione]. Per avere informazioni sulle caratteristiche dei metodi da utilizzare potete fare riferimento al seguente help in linea, http://java.sun.com/javase/6/docs/api/. Vedremo durante un esercizio come utilizzare l'help contestuale.

NetBeans (consigliato)

NetBeans è buon IDE open-source gratuito scritto in Java. Lo sviluppo di NetBeans è sostenuto direttamente da Sun Microsystems, e seppur non diffuso come Eclipse, è un IDE molto utilizzato. Lo potete scaricare direttamente dal sito http://www.netbeans.org/. Nell'esercizio 5 vedremo alcune note sull'installazione e l'utilizzo.

Lab

Raccomandazioni e prassi

• Il laboratorio è riservato per gli studenti nelle ore di laboratorio. Se non trovate posto, chiedete a chi è seduto davanti ad una macchina di rispettare la prenotazione dell'aula informatizzata muovendosi verso terminali liberi. per ogni problema, rivolgetevi al tutor di laboratorio.
• Appena seduto/a in laboratorio, NON ASPETTATE IL DOCENTE!! Su questo sito trovate già tutti gli esercizi ed il materiale che ti serve! INIZIATE PURE!.
• RACCOMANDAZIONE SUI FILE: molti degli esercizi sviluppati ad esercitazione verranno chiesti all'esame (la lista precisa verrà comunicata alla fine del corso). Il codice è quindi da considerarsi personale e per questo è MOLTO MEGLIO LAVORARE DA SOLI.
• Conservate i programmi in una struttura del tipo

  titano\miaDir\
                  \lez1e2\Fibonacci.java   ...
                  \lez3e4\(tutti i file della lezione 2)
                  ....
  

  ma anche su un supporto personale (dischetto, chiavetta USB, posta elettronica..).
• Indentare il codice è molto utile a prevenire errori e perdite di tempo. Gli esercizi dovranno essere opportunamente indentati (vedremo in seguito altri suggerimenti più specifici a questo riguardo).

import java.io.*;

class Lune {
  public static void main(String[] args) throws IOException {
    InputStreamReader flussoTesto = new InputStreamReader(System.in);
    BufferedReader bufferTastiera = new BufferedReader(flussoTesto);
    String lineaLetta;

    System.out.print("Quanti anni hai? ");
    lineaLetta = bufferTastiera.readLine();
    int anni = Integer.parseInt(lineaLetta);

    System.out.print("In che mese sei nato (numero)? ");
    lineaLetta = bufferTastiera.readLine();
    short mesi = Short.parseShort(lineaLetta);

    short numeroLune = (short)(12*anni + mesi);
    System.out.println("Durante la tua vita, hai visto " + numeroLune + " lune.");
  }
}