Arvaa mikä olisi oikea järjestys, jotta alla oleva olisi toimiva ohjelma (vinkki: koita päätellä sulkujen parillisuudesta ja sisennyksistä):

Tämä oppimateriaali on niin kutsuttu luentomoniste kurssille Ohjelmointi 1. Luentomoniste tarkoittaa sellaista kirjallista materiaalia, jossa esitetään asiat suurin piirtein samassa järjestyksessä ja samassa valossa kuin ne esitetään luennolla. Jotta moniste ei paisuisi kohtuuttomasti, ei asioita käsitellä missään nimessä kaikenkattavasti. Siksi opiskelun tueksi tarvitaan jokin hyvä aihetta käsittelevä kirja, sekä rutkasti ennakkoluulotonta asennetta ottaa asioista itse selvää. Tuorein tieto löytyy tietenkin internetistä - kunhan muistaa lähdekritiikin. On myös huomattava, että useimmat saatavilla olevat kirjat lähestyvät ohjelmointia tietyn ohjelmointikielen näkökulmasta — erityisesti aloittelijoille tarkoitetut. Osin tämä on luonnollista, koska ihmisetkin tarvitsevat jonkin yhteisen kielen kommunikoidakseen toisen kanssa. Siksi ohjelmoinnin aloittaminen ilman, että ensin opetellaan jonkun kielen perusteet, on aika haastavaa.

Jäsentämisen selkeyden takia kirjoissa käsitellään yleensä yksi aihe järjestelmällisesti alusta loppuun. Aloittaessaan puhumaan lapsi ei kuitenkaan ole kykeneväinen omaksumaan kaikkea tietyn lauserakenteen kieliopista yhdellä kertaa. Vastaavasti ohjelmoinnin alkeita kahlattaessa vastaanottokyky ei vielä riitä kaikkien rakenteiden ja mahdollisuuksien käsittämiseen. Tässä luentomonisteessa ja samoin luennolla asioiden käsittelyjärjestys on sellainen, että asioista annetaan ensin esimerkkejä tai johdatellaan näiden esimerkkien tarpeellisuuteen, ja sitten kerrotaan niin teoreettisesti kuin käytännöllisesti mistä oli kyse. Näin ollen tästä monisteesta saa yhden näkemyksen mukaisen pintaraapaisun ohjelmoinnin alkutaipaleelle. Kirjoista ja nettilähteistä asiaa on kuitenkin syvennettävä.

Tässä monisteessa käytetään esimerkkikielenä C#-kieltä. Kuitenkin nimenomaan esimerkkinä, koska monisteen rakenne ja esimerkit voisivat olla aivan samanlaisia mille tahansa muullekin ohjelmointikielelle. Tärkeintä ohjelmoinnin johdantokurssilla on ohjelmoinnin ajattelutavan oppiminen. Kielen vaihtaminen toiseen samansukuiseen kieleen on ennemmin verrattavissa Savon murteen vaihtamiseen Turun murteeseen, kuin suomen kielen vaihtamiseen ruotsin kieleen. Toisin sanoen, jos yhdellä kielellä on oppinut ohjelmoimaan, kykenee jo lukemaan toisella kielellä kirjoitettuja ohjelmia pienen harjoittelun jälkeen. Toisella kielellä kirjoittaminen on hieman haastavampaa, mutta samat rakenteet sielläkin toistuvat. Ohjelmointikielet tulevat ja menevät, eikä kannata tyytyä yhteen kieleen, vaan kannattaa opetella useita. Tätäkin vastaavaa kurssia on pidetty Jyväskylän yliopistossa seuraavilla kielillä: Fortran, Pascal, C, C++, Java ja nyt C#. Joissakin yliopistoissa aloituskielenä on Python, toisissa Scala. Nämä kaikki ovat tietyssä mielessä samansukuisia kieliä ja noudattavat monilta osin samanlaisia periaatteita, vaikka yksityiskohdat vaihtelevat joskus paljonkin.

Ohjelmointia on täysin mahdotonta oppia pelkästään kirjoja lukemalla. Siksi kurssi sisältää luentojen ohella myös viikoittaisten harjoitustehtävien (demojen) tekemistä, ohjattua pääteharjoittelua tietokoneluokassa sekä harjoitustyön tekemisen. Näistä lisätietoa, samoin kuin kurssilla käytettävien työkalujen hankkimisesta ja asentamisesta löytyy kurssin kotisivuilta:

https://tim.jyu.fi/view/kurssit/tie/ohj1/koti

Tämä moniste perustuu Martti Hyvösen ja Vesa Lappalaisen syksyllä 2009 kirjoittamaan Ohjelmointi 1 -monisteeseen, joka osaltaan sai muotonsa monen eri kirjoittajan työn tuloksena aina 80-luvulta alkaen. Suurimman panoksen monisteeseen ovat antaneet Timo Männikkö ja Vesa Lappalainen.

Jyväskylässä 2.1.2013

Martti Hyvönen, Vesa Lappalainen, Antti-Jussi Lakanen

Monisteen uusin versio on kirjoitettu TIM-järjestelmään (The Interactive Material). TIM-järjestelmän ideana on, että asioita, esimerkiksi ohjelmointia, pääsee kokeilemaan ilman mitään ohjelmien asentamista. Tämä toivottavasti helpottaa hieman ohjelmoinnin aloituskynnystä. Valitettavasti käyttämämme tekniikka (kurssille valittu kieli ja aliohjelmakirjastot) eivät anna mahdollisuutta interaktiivisten pelien tekemiseen, joten vakavampaa ohjelmointia varten joudumme kuitenkin asentamaan ohjelmointityökaluja, tässä tapauksessa Visual Studion ja Jypelin. Näistä myöhemmin tässä monisteessa ja muussa kurssin materiaalissa.

Materiaalissa olevista algoritmivisualisaatioista kiitos Aalto-yliopiston ACOS Content Server -projektille.

Jyväskylässä 29.8.2014 Vesa Lappalainen, Antti-Jussi Lakanen

Monisteen 2023 versiossa muutetaan Visual Studio viittauksia yleisemmäksi, koska JY:n kursseilla on työkalua vaihdettu Rider-työkaluksi.

0. Johdanto

Vaikka kurssi onkin tehty "peliohjelmointi"-kurssiksi, on 90% sen sisällöstä täysin samaa asiaa minkä ohjelmointikurssin kanssa tahansa. Jos joku ei halua tehdä kurssin harjoitustyönä peliä, voi toki tehdä myös minkä tahansa muun pienen ohjelman.

0.1 Kurssin sisällöstä ja tavoitteista

Pikaisen idean (englanniksi) tämän kurssin sisältöön saat katsomalla videon siitä, miten tehdään alle 5 minuutissa Galaksit räjähtää - peli. Jos katsot alla olevia videoita, älä pelkää ettet osaa (vielä), vaan katso mitä sinun pitää kurssin aikana oppia ja opitkin.

Jos haluat samasta aiheesta pidemmän version (suomeksi), niin katso video:

Seuraavista videoista näet millaisia pelejä kursseilla on tehty:

0.2 Kurssin osaamistavoitteet

Kurssin aluksi sinun oletetaan osaavan tietokoneen käyttöä. Tuttuja asioita pitäisi olla muun muassa erilaisten editorien käyttö, näppäinoikotiet sekä mielellään komentorivi. Toki nykypäivänä komentorivi ei valitettavasti ole kovin hyvin tunnettu asia ja voitkin tutustua komentoriviin esimerkiksi kurssin lisätietosivuilta tai Paavon selviytymisoppaasta.

Aikaisempaa ohjelmointikokemusta sinulla ei tarvitse olla.

Muista katsoa tarvittaessa myös kurssin videohakemisto.

0.3 TIM-käyttöohjeita

Tämä TIM-pohjainen moniste koostuu erilaisista interaktiivista osista. Videoihin jo varmaan edellä tutustuitkin. Laitteesi kapasiteetin säästämiseksi videot kannattaa sulkea katsomisen jälkeen.

Monisteessa voi olla linkkejä muuhun materiaaliin. Nämä linkit on tarkoitettu lisälukemiseksi ja niitä ei kannata seurata kun monistetta käy ensimmäisen kerran lävitse. Linkkiviidakkoon vaan eksyy turhan helposti.

TIM-monisteessa kannattaa aina olla kirjautuneena (Login), niin voit seurata omaa edistymistäsi. Kirjautuneille monisteen oikeassa reunassa näkyy punaisia palkkeja niissä kohti, mitä et ole vielä lukenut. Kun olet lukenut (ja ymmärtänyt :-) ) jonkin tekstinpätkän, klikkaa punaista palkkia palkin poistamiseksi. Näin näet helposti mitä kohtia sinulla on vielä käymättä. Erityisesti tästä on hyötyä, jos hyppelet monistetta eri järjestyksessä kuin missä se on kirjoitettu. Palkki voi olla myös keltainen silloin, kun olet lukenut kappaleen, mutta sen sisältö on muuttunut viimeisen lukemisesi jälkeen. Klikkaa tämäkin pois jos sisäistät muutetun tekstin. Jos et tykkää toiminnosta, voit rattaan kuvan takaa klikata kaikki punaiset kerralla pois.

Vasemmassa yläkulmassa on kirjan kuva tai näytön koosta riippuen menun kuva jonka takaa löytyy kirjan kuva. Kirjan kuvasta aukeaa sisällysluettelo. Samasta paikasta voi sisällysluettelon sulkea.

Muokkausmenun saa joko klikkaamalla lohkoa, jolloin tulee kynä oikealle tai kun vie hiiren kappaleen vasempaan reunaan tulee sinertävä palkki. Tuo riippuu kummanko tavan on itselleen valinnut. Kynää tai palkkia painamalla aukeaa menu. Menusta saa mm. Comment/Note -painikkeen, mistä voit lisätä itsellesi muistiinpanoja kuhunkin kappaleeseen liittyen. Käytä tätä ominaisuutta ahkerasti. Voit laittaa huomioita itsellesi tai huomauttaa, jos jonkin kappaleen sisältö on epäselvä tai virheellinen. Anna mielellään tällaisessa tapauksessa myös korjausehdotus. Muuten käytä harkiten "Everyone" valintaa ja laita omat kommentit "Just me".

Jos haluat etsiä jotakin, käytä selaimen etsi toimintoa (Ctrl-F useimmissa selaimissa).

Jos haluat helposti löytää jonkin sivun uudelleen, niin tee siitä TIMin kirjanmerkki. Kirjanmerkin voit tehdä vasemmassa yläkulmassa "klemmarin" kohdalta. Toki voit tehdä kirjanmerkin selaimeesikin normaalisti, mutta TIMin kirjanmerkin hyvä puoli on siinä, että se toimii missä selaimessa tahansa. Aloita tekemällä tästä sivusta kirjanmerkki itsellesi. Eli paina "klemmarin" kuvaa ja lisää sivu vaikkapa otsikon Ohj1 alle nimellä Moniste.

Edellisissä videoissa ohjelmia kirjoitettiin Visual Studio -nimisessä ohjelmointi-ympäristössä (IDE = Integrated Development Environment). TIMissä on itsessään pieni sisäänrakennettu ympäristö, jolla voi tehdä yksinkertaisia tehtäviä, esimerkiksi:

Tehtävälaatikon alla on Näytä koko koodi-linkki, jota painamalla näet kaiken sen koodin, mitä ohjelman takia tarvitaan. Voit edelleen muutella ohjelmaa, mutta et voi kirjoittaa "väärään" paikkaan. Samasta linkistä voit piilottaa "ylimääräisen koodin".

Highlight-linkistä voit vaihtaa editorin tyypin sellaiseksi, että se värittää koodia käytettävän kielen syntaksin mukaan sekä osaa täydentää editorille tuttuja sanoja.

Alusta-linkistä voit "nollata" oman vastauksesi ja aloittaa uudelleen mallista. Kokeile kumpaakin linkkiä.

Tehtävä voisi jatkua vielä niin, että: Lisää ennen Add(pallo)-riviä rivi

Kokeile tätäkin, eli copy/paste yllä oleva koodi siihen isompaan koodiin Add(pallo) rivin yläpuolelle. Kokeile myös mitä tapahtuu, jos kirjoitat värissä Red pienillä kirjaimilla. Korjaa takaisin Red ja kokeile mitä vaikuttaa, kun vaihtaa Vectorissa olevia arvoja.

Voit kokeilla myös toisella kielellä (VPython) tehtyä esimerkkiä. Tätä voit myös pyöritellä hiiren oikealla painikkeella.

1. Mitä ohjelmointi on?

1.1 Algoritmit eli ohjeet

Ohjelmointi on yksinkertaisimmillaan toimintaohjeiden antamista ennalta määrätyn toimenpiteen suorittamista varten. Ohjelmoinnin kaltaista toimintaa esiintyy jokaisen ihmisen arkielämässä lähes päivittäin. Algoritmista esimerkkinä voisi olla se, että annamme jollekulle puhelimessa ajo-ohjeet, joiden avulla hänen tulee päästä perille ennestään vieraaseen paikkaan. Tällöin luomme sarjan ohjeita ja komentoja, jotka ohjaavat toimenpiteen suoritusta. Nykyisin navigaattori lukee ohjeista aina seuraavan kun sitä tarvitaan. Vastaavalla tavalla ohjelmassakin tulee olemaan kohta missä suoritus on menossa. Alkeellista ohjelmointia on tavallaan myös mikroaaltouunin käyttäminen, sillä tällöin uunille annetaan ohjeet siitä, kuinka kauan ja kuinka suurella teholla sen tulee toimia.

Ohjelmointi jakautuu hyvin monelle tasolle. Nykyisin on esimerkiksi traktoreita, joissa maanviljelijä ohjelmoi, miten peltoja kuljetaan. Varotoimenpiteenä ja tiukkoja käännöksiä varten tosin viljelijän pitää vielä itse olla mukana traktorissa varmistamassa, että kaikki sujuu hyvin. Eli tietyssä mielessä viljelijänkin pitää osata ohjelmoida. Mutta ennen kuin traktori on saatu tähän vaiheeseen, on tarvittu valtavasti insinöörityötä ja ohjelmointia. GPS-satelliitit, virheenkorjaus, traktorin varsinaisen tietokoneen ohjelmointi sille tasolle, että se tekee viljelijän ohjelmoinnin helpoksi jne.

Suonenjoella mansikoita keräävällä poimijalla on kaulassaan lähilukukortti (NFC-siru) ja aina kun hän saa tuokkosen täyteen ja vie sen keruupaikalle, rekisteröityy tieto siitä, kuka on kerännyt, mistä on kerännyt ja paljonko on tullut kiloja. Viljelijä on ohjelmoinut taustalle tiedot peltojen sijainneista ja toimenpiteistä ja voi seurata aikaisempaa tarkemmin, milloin joltakin saralta tuotto pienenee ja se kannattaa "alustaa" kokonaan.

Eli itse asiassa tietokoneet ja ohjelmointi tulevat joka paikkaan arkipäivän elämään. Tosin useinkaan käyttäjä ei välttämättä ymmärrä (ja toivottavasti ei tarvitsekaan ymmärtää), että hän käyttää tietokonetta ja ehkä jopa ohjelmoi sitä.

Näissä tapauksissa puhutaan sulautetuista järjestelmistä ja/tai IoT (Internet of Things) -laitteista, jos laite on yhteydessä verkkoon, kuten esimerkiksi traktorin ja maanviljelijän tapauksessa.

Edellisissä esimerkeissä oli siis kyse yksikäsitteisten ohjeiden antamisesta. Kuitenkin esimerkit käsittelivät hyvinkin erilaisia viestintätilanteita. Ihmisten välinen kommunikaatio, mikroaaltouunin kytkimien kiertäminen tai nappien painaminen, samoin kuin digiboxin ajastaminen kaukosäätimellä, ovat ohjelmoinnin kannalta toisiinsa rinnastettavissa, mutta ne tapahtuvat eri työvälineitä käyttäen. Ohjelmoinnissa työvälineiden valinta riippuu asetetun tehtävän ratkaisuun käytettävissä olevista välineistä. Ihmisten välinen kommunikaatio voi tapahtua puhumalla, kirjoittamalla tai näiden yhdistelmänä. Samoin ohjelmoinnissa voidaan usein valita erilaisia toteutustapoja tehtävän luonteesta riippuen.

Vaikka ohjelmointia käytännössä tehdään suurelta osin tietokoneella, on silti kynä ja paperia syytä aina olla esillä. Ohjelmoinnin suurin vaikeus aloittelijalle onkin siinä, että ei malteta istua kynän ja paperin kanssa ja miettiä mitä ollaan tekemässä. Jos esimerkiksi pitää tehdä laivanupotuspeli, pitää ensin pelata useita kertoja peliä, jotta hahmottuu, mitä kaikkia asioita tulee aikanaan vastaan.

Ohjelmoinnissa on olemassa eri tasoja riippuen siitä, minkälaista työvälinettä tehtävän ratkaisuun käytetään. Pitkälle kehitetyt korkean tason työvälineet mahdollistavat työskentelyn käsitteillä ja ilmaisuilla, jotka parhaimmillaan muistuttavat luonnollisen kielen käyttämiä käsitteitä ja ilmaisuja, kun taas matalan tason työvälineillä työskennellään hyvin yksinkertaisilla ja alkeellisilla käsitteillä ja ilmaisuilla.

Eräänä esimerkkinä ohjelmoinnista voidaan pitää sokerikakun valmistukseen kirjoitettua ohjetta:

Sokerikakku

6       munaa
1,5 dl  sokeria
1,5 dl  jauhoja
1,5 tl  leivinjauhetta

1.  Vatkaa sokeri ja munat vaahdoksi.
2.  Sekoita jauhot ja leivinjauhe.
3.  Sekoita muna-sokerivaahto ja jauhoseos.
4.  Paista 45 min 175°C lämpötilassa.

Valmistusohje on ilmiselvästi kirjoitettu ihmistä varten, vieläpä sellaista ihmistä, joka tietää leipomisesta melko paljon. Jos sama ohje kirjoitettaisiin ihmiselle, joka ei eläessään ole leiponut mitään, ei edellä esitetty ohje olisi alkuunkaan riittävä, vaan siinä täytyisi huomioida useita leipomiseen liittyviä niksejä: uunin ennakkoon lämmittäminen, vaahdon vatkauksen salat, yms.

Oleellista tässä ohjeessa on se, että sitä suoritetaan "käsky" (esimerkissä rivi) kerrallaan. Seuraavaa käskyä ei voida suorittaa ennen kuin edellinen on valmis. Tällöin puhutaan peräkkäisestä ohjelmoinnista. Jotta pysytään selvillä mitä käskyä ollaan tekemässä, pitää jossakin pitää mielessä käsky numero. Tästä paikasta puhutaan jatkossa nimellä käskyosoitin, IP (instraction pointer) tai ohjelmalaskurista, PC (program counter).

Rinnakkaisessa ohjelmoinnissa voisi olla kaksi kokkia, joista toinen tekisi käskyn 1 sillä aikaa kun toinen tekee käskyn 2. Käskyjä 3 ja 4 ei voi kuitenkaan rinnakkaistaa. Eli välttämättä kaksi kokkia ei saa kakkua valmiiksi puolta nopeammassa ajassa.

Koneelle kirjoitettavat ohjeet poikkeavat merkittävästi ihmisille kirjoitetuista ohjeista. Kone ei osaa automaattisesti kysyä neuvoa törmätessään uuteen ja ennalta arvaamattomaan tilanteeseen. Se toimii täsmälleen niiden ohjeiden mukaan, jotka sille on annettu, olivatpa ne vallitsevassa tilanteessa mielekkäitä tai eivät. Kone toistaa saamiaan toimintaohjeita uskollisesti sortumatta ihmisille tyypilliseen luovuuteen. Näin ollen tämän päivän ohjelmointikielillä koneelle tarkoitetut ohjeet on esitettävä hyvin tarkoin määritellyssä muodossa ja niissä on pyrittävä ottamaan huomioon kaikki mahdollisesti esille tulevat tilanteet. [MÄN]

1.2 Ohjelmointikielistä

Tässä aliluvussa kerrotaan mutkia oikoen hieman tietokoneen ideasta ja ohjelmointikielistä. Asiasta tulee tarkemmin ja lisää Tietokoneen rakenne ja arkkitehtuurikurssilla sekä Käyttöjärjestelmät. Asiaa sivutaan myös luvussa Lukujen esitys tietokoneessa.

1.2.1 Prosessori ja konekieli

Tietokoneen tärkeimmät osat ovat prosessori ja muisti. Prosessorin oleellinen ominaisuus on se, että sillä on tiedossa suoritettava käsky. Yleensä tämä tieto on IP-rekisterissä (Instruction Pointer, myös PC = Program Counter on yleisesti käytetty termi tälle). IP-rekisteri osoittaa koneessa muistipaikkaan, josta löytyy suoritettava käsky. Prosessorin toiminta on periaatteessa hyvin yksinkertaista:

1. hae käsky IP-rekisterin osoittamasta paikasta
2. kasvata IP-rekisterin sisältöä niin, että se osoittaa seuraavan käskyyn
3. suorita haettu käsky (voi muuttaa IP:tä JUMP-käskyillä)
4. jatka kohdasta 1.

Rekisterit ovat prosessorin sisäisiä nopeita muistipaikkoja. Käskyt ovat usein hyvin alkeellisia tyyliin:

• hae luku muistipaikasta 7F34 rekisteriin AX
• lisää rekisteriin AX rekisterin BX arvo

Jokaisella käskyllä on oma numeerinen arvo, joka tietokoneessa tietysti esitetään bitteinä. Esimerkiksi käsky

• laita luku 62 (heksaluku) rekisteriin BL

olisi Intel x86 -sarjan prosessorissa

B3 62

ja muistissa siis binäärisenä

10110011 01100010

Eli periaatteessa ohjelmointi olisi saada koneen muistiin noita oikeita binäärilukuja. Koska binäärilukuja on aika vaikea ihmisen hahmottaa, käytetään niille usein edellä olevaa heksalukuesitystä. Tuokaan ei ole ihan helppoa muistaa, että B3 tarkoittaisi, että "laita BL rekisteriin". Siksi käytetään yleensä assembly-kieltä, jossa on suurin piirtein 1:1 vastaavuus konekielisen binääriluvun ja ihmisen luettavan mnemonicin (muistikas) välillä. Eli eräällä (niitä on monia variantteja) assembly-kielellä edellinen komento olisi

mov bl,$62

Aluksi tietokoneita ohjelmoitiinkin syöttämällä suoraan käskyjen numeroarvoja. Sitten assembly-kielten myötä ihminen kirjoitti assembly-kieltä ja se käännettiin noiksi numeroarvoiksi ja näin saatiin syntymään koneen muistiin tarvittava ohjelma.

Koska prosessorin käskyt ovat varsin "alkeellisia", tarvitaan niitä paljon yksinkertaisenkin ohjelman tekemiseksi. Erityisesti tiedon lukemiseksi ihmissyötteestä tai tiedostosta. Siksi tarvitaan käyttöjärjestelmä, joka tarjoaa usein tarvittavat ominaisuudet valmiina. Mutta siltikin assembly-kielillä joutuisi kirjoittamaan pieneenkin ohjelmaan paljon koodia.

1950-luvulta lähtien alettiin kehittämään ohjelmointikieliä, joilla ohjelmien kirjoittaminen olisi helpompaa ja selkeämpää kuin assemblerilla. Näin syntyi monia vieläkin käytössä olevia ohjelmointikieliä, kuten Fortran (1957), Lisp (1958), Cobol (1959) ja Pascal (1970). 70-luvulle tultaessa kieliä oli jo kymmeniä ellei jopa satoja, kun pienet kielet lasketaan mukaan.

1.2.2 C-kieli ja robotti

Kielen kääntäjä on ohjelma, joka lukee syötteenään ihmisen kirjoittaman selkokielisen (esim C tai C++ -kieli) ohjelmatiedoston (tekstitiedosto) ja tuottaa siitä binäärimuotoisen suoritettavan (executable) konekielisen tiedoston, joka voidaan sitten ajaa. Tämän takia esimerkiksi Windows-järjestelmässä ajettavan tiedoston nimen tarkentimena on usein .exe. Kun ohjelma käynnistetään, on käyttöjärjestelmän tehtävä laittaa ohjelmakoodi koneen muistiin ja siirtää ohjelmalaskuri ohjelman ensimmäiseen käskyyn.

Jälkeenpäin tunnetuin 70-lukulainen käännettävä korkeamman tason kieli on C-kieli (1972). Ideana (kuten sen edeltäjissäkin) on nostaa abstraktiota ylemmäksi, eli voidaan suoraan sanoa esimerkiksi:

int a = 15;
int b = 23;
int c = a + b;

Jos vastaava kirjoitettaisiin konekielellä, joutuisi ohjelmoija itse miettimään mitä kohtaa muistista käyttää muuttujille a, b ja c. C-ohjelmassa (ja kurssin käyttämässä C#) kääntäjä pitää kirjaa tarvittavista muistipaikoista ja aina kun puhutaan muuttujasta a, kääntäjä kääntää konekieliseen koodiin viittauksen a:lle varattuun muistipaikkaan.

Kurssin demotehtävissä on esimerkkinä pieni robotti, joka osaa vain muutamia käskyjä. Tämä robotti toimii hyvin vastaavalla tavalla kuin prosessori. Esimerkiksi edellinen C-ohjelman osa (joka itse asiassa tuolta osin on täsmälleen samanlainen C#-kielellä) olisi robotilla:

Voit kokeilla robotin toimintaa painamalla Step-painiketta. Harjoitustehtävänä voit muuttaa sen laskemaan yhteen kaikki Input-hihnalla olevat luvut (tosin tämä vaatii sopimuksen että esim hihnalla oleva 0 lopettaa laskemisen). Input hihnalle saat uusia lukuja laittamalla ne Preset input-kohtaan ja painamalla Reset. Run-painikkeesta robotti suorittaa kerralla koko ohjelman.

Robotissa Program-kohdassa oleva keltainen rivi vastaa prosessorin IP-rekisteriä, eli osoittaa suoritettavaa käskyä.

Käytetty kieli on nyt tavallaan robotin assembly-kieltä.

Jos käskyille annettaisiin numeeriset arvot (joita niillä sisäisesti onkin), esimerkiksi:

00 = INPUT
01 = OUTPUT
02 = ADD
03 = SUB
04 = COPYTO
...
09 = JUMPIFNEG

olisi tämä ohjelma robotin "konekielellä":

00 04 00 00 02 00 01

jossa siis osa käskyistä vaatii kaksi tavua (tavu on 8 bittiä, esitetään kahden numeron pareina), kuten esim COPYTO jossa on käskyn vastaava lukuarvo ja sitten käskyn kohteen osoite (nyt muistipaikka 00).

Sitten meillä voisi olla C-kääntäjä, joka kääntäisi aikaisemmin kuvatun ohjelman osan tuoksi lukujonoksi. Paitsi että muistipaikat a ja b tuossa tapauksessa kääntyisivät Input-hihnalla oleviksi paikoiksi. Toki sama ohjelma voitaisiin tehdä myös muistipaikkoja käyttäen:

Tämä vastaisi jo melko tarkoin kirjoitettua C-ohjelmaa. Kääntäjän yksi tehtävä on silloin päättää, että vaikkapa muuttujasta a puhuttaessa tarkoitetaan muistipaikkaa 00 ja b:stä muistipaikkaa 01.

1.2.3 Tavukielet

C-kieli oli valtakieli 70-luvun lopulta 80-luvun lopulle. 80-luvun alussa C-kielestä tehtiin alaspäin yhteensopiva oliolla laajennettu kieli C++ (1982). Myös tämä oli käännettävä kieli. 90-luvulla kehitettiin Java-kieli (1995) alun perin erilaisten sulautettujen järjestelmien kieleksi. Samalla Java paikkasi C++:n tunnettuja ongelmia. Javassa oli C++:aan nähden muutamia merkittäviä eroja:

1. Javaa ei käännetä suoraan konekieleksi, vaan välikieleksi. Välikielistä tiedostoa ajetaan erikseen kullekin prosessorille tehdyllä Java-nimisellä ohjelmalla. Java-ohjelma (Java-virtuaalikone) lukee välikielen tavukoodia (vrt em robotin kielen lukuarvoinen esitys) ja suorittaa sitä askel kerrallaan. Java ei suinkaan ollut ensimmäinen tavukoodiin perustuva kieli, mutta se on tunnetuin tämän hetken virtuaalikoneeseen pohjautuvista kielistä.
2. Javassa on automaattinen muistinhallinta, eli ohjelmoijan ei itse tarvitse muistaa vapauttaa varaamiaan muistialueita. Toki automaattinen muistinhallinta oli jo "tuttua" tekniikkaa vanhemmista kielistä.
3. Javassa ei voi vahingossa osoittaa muistiin, jota ei ole varannut käyttötarkoitukseen (sanotaan ettei Javassa ole osoittimia)

Tavukoodin ideana on, että kääntäjää ei tarvitse tehdä erikseen joka prosessoriarkkitehtuurille ja käyttöjärjestelmälle. Riittää olla yksi kääntäjä, joka tuottaa välikooditiedoston (Javassa yleensä .class). Toisaalta ohjelman suorittaminen vaatii sitten välikielen tulkitsemista todellisen prosessorin konekielelle ja aluksi Java-ohjelmat olivatkin hitaampia kuin C-ohjelmat. Nykyisin Java-kääntäjien kehitykseen on panostettu paljon ja lisäksi tavukoodia suoritettaessa sitä käännetään samalla konekielelle (JIT = Just In Time compiling) ja näin jos samaan koodin kohtaan tullaan uudelleen, se onkin valmiiksi käännetty ja suoritusnopeus ei eroa oleellisesti C-koodin suoritusnopeudesta.

Javan suosio ponnahti raketin lailla 90-luvun puolivälin jälkeen. VL:n mielipide syistä:

"Syynä oli automaattinen muistinhallinta ja sitä kautta helpommin vähemmän virheitä sisältävän ohjelmakoodin tuottaminen. Lisäksi Javassa oli toimivat merkkijonot, jotka puuttuivat esimerkiksi C++ standardista tuohon aikaan. Asiaa auttoi myös hyvin paljon C:tä muistuttava syntaksi, joka loivensi kielen vaihtoa."

Microsoft oli panostanut paljon C++ -kieleen, mutta huomasi Javan suosion nousun ja otti sen myös käyttöönsä, kuitenkin lisäten siihen omia ominaisuuksiaan. Tämä aiheutti lisenssiriitoja Javan kehittäneen Sun-yhtiön kanssa. Tästä syystä Microsoft lähti kehittämään omaa kieltä, jossa olisi kaikki Javan hyvät ominaisuudet. Tuloksena oli C#-kieli (C sharp, 2000). Monilta ominaisuuksiltaan kielet ovat hyvin samankaltaisia ja niiden välillä on aika helppoa ohjelmoijan siirtyä.

1.2.4 C# ja Jypeli

Jyväskylän yliopiston IT-tiedekunnassa ruvettiin miettimään nuorille sopivaa ohjelmointikurssia vuoden 2008-2009 tienoilla. Tällöin oli melko selkeää, että kurssilla pitäisi tehdä pelejä. Microsoftilla oli tällöin hyvät ympäristöt (Visual Studio) ja kirjastot (XNA) tehdä pelejä C#-kielellä ja saada ne toimimaan niin tietokoneissa kuin puhelimissakin (Windows Phone). Suoraan XNA:lla pelien ohjelmointi oli kuitenkin liian haastavaa ja siksi kehitettiin Jypeli-kirjasto, joka peittää alleen "turhia" yksityiskohtia, jotka jarruttaisivat aloittelevan ohjelmoijan ideointia. Tämä Nuorten pelikurssi osoittautui menestykseksi. Samaan aikaan takuttiin Java-pohjaisilla yliopiston ohjelmointikursseilla motivaation kanssa. Monia yliopistotason opiskelijoitakin pelit kiinnostavat ja siksi ensimmäiselle ohjelmointikurssille vaihdettiin teemaksi peliohjelmointi ja siinä samalla oli sujuvaa ottaa käyttöön Jypeli ja kieleksi C#. Tämä nostikin Ohjelmointi 1 -kurssin läpimenoa merkittävästi, kun voitiin tehdä "mielekkäämpiä" ohjelmia. Pelkkä Hello Worldin tulostaminen ei enää herättänyt intohimoa 2010-luvulla.

1.2.5 Muita kieliä

Edellä lueteltiin vain muutamia tunnettuja kieliä, C, C++, Java ja C#. Näillä on pitkälle samat sukujuuret. Puhuttiin myös välikielen tulkkaamisesta. Yksi hyvin tunnettu kokonaan alun perin tulkattavasi tehty kieli oli Basic (1964). Ideana on silloin että käännösvaihe puuttuu ja ihmisen kirjoittamaa ohjelmakoodia ruvetaan suorittamaan suoraan rivi riviltä. Nykyisin Python (1990) on noussut suosituksi tulkattavaksi kieleksi. Erilainen lähestymistapa ohjelmointiin on funktio-ohjelmointi, johon sopivia kieliä ovat esimerkiksi Haskell (1990), Scala (2004) ja F# (2005).

Vastaavasti Javascript on selainten käyttämä kieli, jonka avulla alunperin staattiset HTML-sivut saadaan "elämään". Esimerkiksi tämä luentomoniste pyörii TIM-nimisessä sovelluksessa, jossa Pythonilla ja Haskelilla kirjoitettu palvelinohjelma lähettää selaimella Javascriptiä (1995) ja HTML:ää (1993), joiden avulla selain muodostaa interaktiivisen tekstin. Lisäksi TIMIä kirjoitettaessa käytetään nykyisin Javascriptin tilalla TypeScript-nimistä kieltä (2012), joka käännetään selainta varten Javascriptiksi. 3D-grafiikassa käytetään varjostinkieliä kuten GLSL ja HLSL riippumatta siitä, millä kielillä muut osiot grafiikkaa käyttävästä sovelluksesta kirjoitetaan. Näiden lisäksi tulevat erilaisiin sovelluskohteisiin kehitetyt kielet (DSL, domain specific language), joiden lukumäärää kukaan ei voi tietää. Eli käytännön elämässä yhden ohjelman kirjoittamisessa voidaan vaatia useiden eri ohjelmointikielten osaamista.

• Kokeile eri ohjelmointikieliä TIMissä
• HelloWorld eri kielillä, esimerkissä 603 ohjelmointikieltä

Eri kielten suosiosta ja historiasta voi katsoa lisää alla olevista linkeistä. Tosin kielten suosiota voidaan mitata hyvin eri tavoin, joten erilaisiin indekseihin kannattaa suhtautua kriittisesti.

• Tiobe-index

Tällä kurssilla keskitytään kuitenkin käyttämään esimerkkinä C#-kieltä.

2. Ensimmäinen C#-ohjelma

2.1 Ohjelman kirjoittaminen

C#-ohjelmia (lausutaan c sharp) voi kirjoittaa millä tahansa tekstieditorilla. Tekstieditoreja on kymmeniä, ellei satoja, joten yhden nimeäminen on vaikeaa. Osa on kuitenkin suunniteltu varta vasten ohjelmointia ajatellen. Tällaiset tekstieditorit osaavat muotoilla ohjelmoijan kirjoittamaa lähdekoodia (tai lyhyesti koodia) automaattisesti siten, että lukeminen on helpompaa ja siten ymmärtäminen ja muokkaaminen nopeampaa. Ohjelmoijien suosimia ovat mm. Vim, Emacs, Visual Studio Code, Sublime Text ja NotePad++, mutta monet muutkin ovat varmasti hyviä. Monisteen alun esimerkkien kirjoittamiseen soveltuu hyvin mikä tahansa tekstieditori.

Kirjoitetaan tekstieditorilla alla olevan mukainen C#-ohjelma ja tallennetaan se vaikka nimellä HelloWorld.cs. Tiedoston tarkenteeksi (eli niin sanottu tiedostopääte) on sovittu juuri tuo .cs, joka tulee käytetyn ohjelmointikielen nimestä, joten tälläkin kurssilla käytämme tätä tarkenninta. Kannattaa olla tarkkana tiedostoa tallennettaessa, sillä jotkut tekstieditorit yrittävät oletuksena tallentaa kaikki tiedostot tarkenteella .txt, ja tällöin tiedoston nimi voi helposti tulla muotoon HelloWorld.cs.txt.

Tämän ohjelman pitäisi tulostaa näytölle teksti

Hello World!

Voidaksemme kokeilla ohjelmaa käytännössä, täytyy se ensiksi kääntää tietokoneen ymmärtämään muotoon.

Kun painat tässä TIM-monisteessa Aja-painiketta, niin aluksi ohjelma käännetään konekieliseen muotoon ja sitten jos kääntäminen onnistuu virheittä, ohjelma ajetaan ja näytetään mitä se tulosti. Näistä vaiheista lisää seuraavassa alaluvuissa. Sitä ennen kuitenkin muutamia tehtäviä joissa voit kokeilla "taitojasi".

Esimerkkejä muilla ohjelmointikielillä kirjoitetusta HelloWorld -ohjelmasta löydät vaikkapa:

http://www2.latech.edu/~acm/HelloWorld.html.

Kokeile mitä edellä tapahtuu (ja miksi?) jos jättää kirjaimet \n pois rivien lopuista.

2.2 Ohjelman kääntäminen ja ajaminen

Jotta ohjelman kääntäminen ja suorittaminen onnistuu, täytyy koneelle olla asennettuna joku C#-sovelluskehitin. Aluksi riittää asentaa Microsoftin .NET-kehitysympäristö, jonka mukana tulee dotnet-komento, jonka avulla voidaan kääntäminen ja ajaminen suorittaa.

Esimerkiksi tämä käyttämäsi TIM-ympäristö on toteutettu (Python, Haskell ja Javascript/TypeScript-kielillä) niin, että ruutuun kirjoittamasi teksti annetaan Linux-palvelimelle, joka tallettaa tiedoston tilapäistiedostoon ja kääntää sen edellä mainitulla dotnet-komennolla. Jos käännös menee virheittä, syntynyt konekielinen ohjelma ajetaan Linux-palvelimessa ja kaapataan ohjelman tuottama tulostus ja näytetään se selaimen ruudussa. Nämä vaiheet vievät yhteensä muutaman sekunnin.

Lisätietoa .NET-kehitystyökaluista ja asentamisesta löytyy kurssin kotisivuilta kohdasta Työkalut.

Seuraavaksi opettelemme tekemään nämä vaiheet käsin, jotta ymmärtäisimme paremmin mitä taustalla tapahtuu.

Kääntäjän versiot vaihtuvat helposti vuosittain, samoin miten niitä käytetään. Ajantasaisimman esimerkin kääntämisestä löydät harjoituksesta:

• Pääteohjaus 1, HelloWorld (syksy 2023)

Jos noudatit yllä olevan linkin ohjeita, ohjelman tulisi nyt tulostaa näyttöön teksti Hello World!.

2.3 Ohjelman rakenne

Vaikka ensimmäisen ohjelmamme "ainoa oleellinen rivi" onkin

tarvitaan C#-kielessä tämän ympärillä tietoa siitä, mihin ohjelman osaan lause kuuluu sekä mistä kohti ohjelma pitää käynnistää. Tämä hieman lisää sinänsä yksinkertaisen ohjelma koodirivien määrää. Joissakin kielissä tulostavaan ohjelmaan riittää pelkkä tulostuslause. Rivimäärien ero pienenee ohjelman koon kasvaessa. Yleisesti ottaen rivien vähyys ei ole itseisarvo, joten sen perusteella ei pelkästään voi kieliä laittaa paremmuusjärjestykseen.

Kirjoittamamme ohjelma HelloWorld.cs (tai oikeastaan kirjoittamamme tekstitiedosto) on melkein yksinkertaisin mahdollinen C#-ohjelma. Alla yksinkertaisimman ohjelman kaksi ensimmäistä riviä.

Ensimmäisellä rivillä määritellään luokka (class), jonka nimi on HelloWorld. Tässä vaiheessa riittää ajatella luokkaa "kotina" aliohjelmille. Aliohjelmista puhutaan lisää hieman myöhemmin. Toisaalta luokkaa voidaan verrata "piparkakkumuottiin" - se on rakennusohje olioiden (eli "piparkakkujen") luomista varten. Ohjelman ajamisen aikana olioita syntyy tarvittaessa luokkaan kirjoitetun koodin avulla. Olioita voidaan myös tuhota. Yhdellä luokalla voidaan siis tehdä monta samanlaista oliota, aivan kuten yhdellä piparkakkumuotilla voidaan tehdä monta samanlaista (melkein samannäköistä) piparia.

Jokaisessa C#-ohjelmassa on vähintään yksi luokka, mutta luokkia voi olla enemmänkin. Luokan, jonka sisään ohjelma kirjoitetaan, on hyvä olla samanniminen kuin tiedoston nimi. Jos tiedoston nimi on HelloWorld.cs, on suositeltavaa, että luokan nimi on myös HelloWorld, kuten meidän esimerkissämme. Tässä vaiheessa ei kuitenkaan vielä kannata liikaa vaivata päätänsä sillä, mikä luokka oikeastaan on, se selviää tarkemmin myöhemmin.

Luokan edessä oleva public-sana on eräs saantimääre (eng. access modifier). Saantimääreen avulla luokka voidaan asettaa rajoituksetta tai osittain muiden (luokkien) saataville, tai piilottaa kokonaan. Sana public tarkoittaa, että luokka on muiden luokkien näkökulmasta julkinen, kuten luokat useimmiten ovat. Muita saantimääreitä ovat protected, internal ja private.

Määreen voi myös jättää kirjoittamatta luokan eteen, jolloin luokan määreeksi tulee automaattisesti internal. Puhumme aliohjelmista myöhemmin, mutta mainittakoon, että vastaavasti, jos aliohjelmasta jättää määreen kirjoittamatta, tulee siitä private. Tällä kurssilla kuitenkin harjoitellaan kirjoittamaan julkisia luokkia (ja aliohjelmia), jolloin public-sana kirjoitetaan lähes aina luokan ja aliohjelman eteen. Huomaa kuitenkin, että kun jatkossa tulee puhetta olion muuttujista (eli attribuuteista), niin niiden eteen kirjoitetaan lähes poikkeuksetta private.

Toisella rivillä on oikealle auki oleva aaltosulku {. Useissa ohjelmointikielissä yhteen liittyvät asiat ryhmitellään tai kootaan aaltosulkeiden sisälle. Oikealle auki olevaa aaltosulkua sanotaan aloittavaksi aaltosuluksi ja tässä tapauksessa se kertoo kääntäjälle, että tästä alkaa HelloWorld-luokkaan liittyvät asiat. Jokaista aloittavaa aaltosulkua kohti täytyy olla vasemmalle auki oleva lopettava aaltosulku }. HelloWorld-luokan lopettava aaltosulku on rivillä viisi, joka on samalla ohjelman viimeinen rivi. Aaltosulkeiden rajoittamaa aluetta kutsutaan lohkoksi (block).

Rivillä kolme määritellään (tai oikeammin esitellään) uusi aliohjelma nimeltä Main. Nimensä ansiosta se on tämän luokan pääohjelma. Sanat static ja void kuuluvat aina Main-aliohjelman esittelyyn. static tarkoittaa, että aliohjelma on luokkakohtainen (vastakohtana oliokohtainen, jolloin static-sanaa ei kirjoiteta). Vastaavasti void merkitsee, ettei aliohjelma palauta mitään tietoa. Paneudumme näihin määreisiin tarkemmin myöhemmin. Main voisi myös palauttaa arvon ja silloin void tilalla olisi int, mutta tätä ominaisuutta emme käytä tällä kurssilla.

Samoin kuin luokan, niin myös pääohjelman sisältö kirjoitetaan aaltosulkeiden sisään. C#:ssa ohjelmoijan kirjoittaman koodin suorittaminen alkaa aina käynnistettävän luokan pääohjelmasta (Main). Toki sisäisesti ehtii tapahtua paljon asioita jo ennen tätä.

Rivillä neljä tulostetaan näytölle Hello World!. C#:ssa tämä tapahtuu pyytämällä .NET-ympäristön mukana tulevan System-luokkakirjaston Console-luokkaa tulostamaan WriteLine()-metodilla (method).

Kirjastoista, olioista ja metodeista puhutaan lisää kohdassa 4.1 ja luvussa 8. Tulostettava merkkijono kirjoitetaan sulkeiden sisälle lainausmerkkeihin (Shift + 2). Tämä rivi on myös tämän ohjelman ainoa lause (statement). Lauseiden voidaan ajatella olevan yksittäisiä toimenpiteitä, joista ohjelma koostuu. Lauseiden väliin kirjoitetuilla tyhjillä merkeillä (engl. white space), kuten välilyönneillä tai rivinvaihdoilla ei C#:ssa ole merkitystä ohjelman toiminnan kannalta. Ohjelmakoodin luettavuuden kannalta tyhjillä merkeillä on kuitenkin suuri merkitys. Siksi koodiin ei esimerkiksi kannata turhaan kirjoittaa ylimääräisiä rivinvaihtoja.

Huomaa myös, että puolipisteen unohtaminen on yksi yleisimmistä ohjelmointivirheistä ja tarkemmin sanottuna syntaksivirheistä.

Huomaa että alla olevassa esimerkissä muuttujan a arvo saadaan tulostettua muodostamalla uusi merkkijono, joka yhdistää plus-operaattorilla toisen jonon ja a:n arvon. Näin WriteLine-aliohjelmalle saadaan vietyä parametrina vain yksi merkkijono kuten kuuluukin. WriteLine-aliohjelmalle ei perusmuodossa viedä pilkulla eroteltua listaa kuten joissakin kielissä.

2.3.1 Virhetyypit

Ohjelmointivirheet voidaan jakaa karkeasti syntaksivirheisiin ja loogisiin virheisiin.

Edellä tutkittiin mihin välilyönnin tai rivinvaihdon voi laittaa. Silloin kun ohjelma ei kääntynyt, oli kyseessä syntaksivirhe. Silloin kun ohjelma toimi, mutta tekstinä näytti erilaiselta, on kyseessä oikeastaan kirjoitustyylin virhe (tai mielipide-ero).

Syntaksivirhe estää ohjelman kääntymisen vaikka merkitys eli semantiikka olisikin periaatteessa oikein. Siksi ne huomataankin aina viimeistään ohjelmaa käännettäessä. Syntaksivirhe voi olla esimerkiksi joku kirjoitusvirhe tai puolipisteen unohtaminen lauseen lopusta. Katso myös luku Syntaksin kuvaaminen. Nykyään voi olla myös muitakin virheitä, jotka estävät kääntymisen, kuten esimerkiksi tyyppivirheet (vaikkapa yritetään sijoittaa double-tyyppinen arvo kokonaislukuun).

Loogisissa virheissä semantiikka, eli merkitys, on väärin. Ne ovat vaikeampia huomata, sillä ohjelma kääntyy semanttisista virheistä huolimatta. Ohjelma voi jopa näyttää toimivan täysin oikein. Jos looginen virhe ei löydy testauksessakaan (testing), voivat seuraukset ohjelmistosta riippuen olla tuhoisia. Tässä yksi tunnettu esimerkki loogisesta virheestä, jonka ajoissa havaitseminen ja korjaaminen kuitenkin esti isot tuhot:

https://fi.wikipedia.org/wiki/Y2K.

2.3.2 Kääntäjän virheilmoitusten tulkinta

Alla on esimerkki syntaksivirheestä HelloWorld-ohjelmassa.

Ohjelmassa on pieni kirjoitusvirhe, joka on (ilman apuvälineitä) melko hankala huomata. Tutkitaan csc-kääntäjän antamaa virheilmoitusta.

HelloWorld.cs(5,17): error CS0117: 'System.Console' does not
contain a definition for 'Writeline'

Kääntäjä kertoo, että tiedostossa HelloWorld.cs rivillä 5 ja sarakkeessa 17 on seuraava virhe: System.Console-luokka ei tunne Writeline-komentoa. Tämä onkin aivan totta, sillä WriteLine kirjoitetaan isolla L:llä. Korjattuamme tuon ohjelma toimii jälleen.

Valitettavasti virheilmoituksen sisältö ei aina kuvaa ongelmaa kovinkaan hyvin. Alla olevassa esimerkissä on erehdytty laittamaan puolipiste väärään paikkaan. Koeta ensin itse löytää mihin, ennen kuin jatkat tai kokeilet.

Virheilmoitus, tai oikeastaan virheilmoitukset, näyttävät kääntäjästä riippuen esimerkiksi seuraavalta.

HelloWorld.cs(4,3): error CS1519: Invalid token '{' in class,
struct, or interface member declaration
HelloWorld.cs(5,26): error CS1519: Invalid token '(' in class,       
struct, or interface member declaration
HelloWorld.cs(7,1): error CS1022: Type or namespace definition,
or end-of-file expected

Ensimmäinen virheilmoitus osoittaa riville 4, vaikka todellisuudessa ongelma on rivillä 3. Toisin sanoen, näistä virheilmoituksista ei ole meille tässä tilanteessa lainkaan apua, päinvastoin, ne kehottavat tekemään jotain, mitä emme halua.

Mikäli virhe ei löydy ilmoitetulta riviltä, kannattaa sitä usein lähteä etsimään edellisiltä riveiltä.

Lisää virheilmoitusten tulkintaesimerkkejä on kurssin lisämateriaalissa.

2.3.3 Tyhjät merkit (White spaces)

Kuten aikaisemmassa tehtävässä kokeilimme, esimerkkinämme ollut HelloWorld-ohjelma voitaisiin, ilman että sen toiminta muuttuisi, vaihtoehtoisesti kirjoittaa myös seuraavassa muodossa.

Edelleen, koodi voitaisiin kirjoittaa myös seuraavasti.

Tai jopa niin, että koko koodi on yhdellä rivillä, kokeile.

Vaikka molemmat yllä olevista esimerkeistä ovat syntaksiltaan oikein, eli ne noudattavat C#:n kielioppisääntöjä, on niiden luettavuus huomattavasti heikompi kuin alkuperäisen ohjelmamme. C#:ssa on yhteisesti sovitut koodauskäytänteet (code conventions), jotka määrittelevät, miten ohjelmakoodia tulisi kirjoittaa. Kun kaikki kirjoittavat samalla tavalla, on muiden koodin lukeminen helpompaa. Tämän monisteen esimerkit on pyritty kirjoittamaan näiden käytänteiden mukaisesti. Linkkejä koodauskäytänteisiin löytyy kurssin lisätietosivulta osoitteesta

https://tim.jyu.fi/view/kurssit/tie/ohj1/materiaali/koodauskaytanteet

Merkkijono kirjoitetaan lainausmerkkien " väliin. Merkkijonoja käsiteltäessä välilyönneillä, tabulaattoreilla ja rivinvaihdoilla on kuitenkin merkitystä. Vertaa alla olevia tulostuksia.

Yllä oleva rivi tulostaa

Hello World!

kun taas alla oleva rivi tulostaa:

H e l l o    W o r l d !

Lukemisen helpottamiseksi tyhjiä merkkejä käytetään rivien alussa sisentämään lohkoja. Tapana on, että jokaisen aloittavan aaltosulun jälkeen sisennetään koodia 4 yksikköä ja vastaavasti saman verran tullaan takaisin lopettavan aaltosulun jälkeen. Parina olevat aaltosulut pyritään (C#-tyylissä) laittamaan samaan sarakkeeseen. Yleensä IDEt osaavat muotoilla koodin ja tätä ominaisuutta kannattaa käyttää, jos ei itse osaa muotoilla koodia kauniisti.

2.4 Kommentointi

“Good programmers use their brains, but good guidelines save us having to think out every case.” -Francis Glassborow

C# -kielessä on kolme erilaista kommenttityyppiä ja sitä kautta neljä erilaista merkintää näiden käyttämiseen:

Lähdekoodia on usein vaikea ymmärtää pelkkää ohjelmointikieltä lukemalla. Tämän takia koodin sekaan voi ja pitää lisätä selosteita eli kommentteja. Kommentit ovat sekä koodin kirjoittajaa itseään varten että tulevia ohjelman lukijoita ja ylläpitäjiä varten. Monet asiat voivat kirjoitettaessa tuntua ilmeisiltä, mutta jo viikon päästä saakin ähkäillä, että miksihän tuonkin tuohon kirjoitin.

Kääntäjä jättää kommentit huomioimatta, joten ne eivät vaikuta ohjelman toimintaan.

Yhden rivin kommentti alkaa kahdella vinoviivalla (//). Sen vaikutus kestää koko rivin loppuun.

Vinoviivalla ja asteriskilla alkava (/*) kommentti jatkuu kunnes vastaan tulee asteriski ja vinoviiva (*/). Huomaa, ettei asteriskin ja vinoviivan väliin tule välilyöntiä.

Esimerkiksi kommenttijonon /* kissa */ voit kirjoittaa kaikkiin samoihin paikkoihin, mihin aikaisemmassa harjoituksessa pystyit laittamaan välilyönnin. Vastaavasti et voi kirjoittaa jonoa paikkoihin, joihin ei saa laittaa välilyöntiä.

2.4.1 Dokumentointi

Kolmas kommenttityyppi on dokumentaatiokommentti. Dokumentaatiokommenteissa on tietty syntaksi, ja tätä noudattamalla voidaan dokumentaatiokommentit muuttaa sellaiseen muotoon, että kommentteihin perustuvaa yhteenvetoa on mahdollista tarkastella esimerkiksi nettiselaimen avulla tai tuottaa siitä siisti paperituloste.

Dokumentaatiokommentti olisi syytä kirjoittaa ennen jokaista luokkaa, pääohjelmaa, aliohjelmaa ja metodia (aliohjelmista ja metodeista puhutaan myöhemmin). Lisäksi jokainen C#-tiedosto pitäisi alkaa aina dokumentaatiokommentilla, josta selviää tiedoston tarkoitus, tekijä ja versio.

Dokumentaatiokommentit kirjoitetaan siten, että rivin alussa on aina aina kolme vinoviivaa (Shift + 7). Jokainen seuraava dokumentaatiokommenttirivi aloitetaan siis myöskin kolmella vinoviivalla.

Dokumentoiminen tapahtuu tagien avulla. Jos olet joskus kirjoittanut HTML-sivuja, on merkintätapa sinulle tuttu. Dokumentaatiokommentit alkavat aloitustagilla, muotoa <esimerkki>, jonka perään tulee kommentin asiasisältö. Kommentti loppuu lopetustagiin, muotoa </esimerkki>, siis muuten sama kuin aloitustagi, mutta ensimmäisen kulmasulun jälkeen on yksi vinoviiva.

C#-tageja ovat esimerkiksi <summary>, jolla ilmoitetaan pieni yhteenveto kommenttia seuraavasta koodilohkosta (esimerkiksi pääohjelma tai metodi). Yhteenveto päättyy </summary> -lopetustagiin.

Ohjelman kääntämisen yhteydessä dokumentaatiotagit voidaan kirjoittaa erilliseen XML-tiedostoon, josta ne voidaan edelleen muuntaa helposti selattaviksi HTML-sivuiksi. Tageja voi keksiä itsekin lisää, mutta tämän kurssin tarpeisiin riittää hyvin suositeltujen tagien luettelo. Tiedot suositelluista tageista löytyvät C#:n dokumentaatiosta:

http://msdn.microsoft.com/en-us/library/5ast78ax.aspx

Voisimme kirjoittaa nyt C#-kommentit HelloWorld-ohjelman alkuun seuraavasti:

Ohjelman alussa kerrotaan kohteen tekijän nimi. Tämän jälkeen tulee ensimmäinen dokumentaatiokommentti (huomaa kolme vinoviivaa), joka on lyhyt ja ytimekäs kuvaus tästä luokasta. Huomaa, että jossain dokumentaation tiivistelmissä näytetään vain tuo ensimmäinen virke. Paina edellä Document-linkkiä ja tutki syntyvää dokumentaatiota painamalla siinä olevia linkkejä. Kaikki "muuttuva" teksti tuossa dokumentaatiossa kerätään ohjelmassa olevista /// alkavista dokumentaatiokommenteista.

Dokumentaatiokommenttien ansiosta ohjelmasta saadaan aikanaan vastaava dokumentaatio kuin Jypelistä.

Dokumentointi on erittäin keskeinen osa ohjelmistotyötä. Luokkien ja koodirivien määrän kasvaessa dokumentointi helpottaa niin omaa työskentelyä kuin tulevien käyttäjien ja ylläpitäjien tehtävää. Dokumentoinnin tärkeys näkyy muun muassa siinä, että jopa 40-60% ylläpitäjien ajasta kuluu muokattavan ohjelman ymmärtämiseen. [KOSK][KOS]

3. Algoritmit

“First, solve the problem. Then, write the code.” - John Johnson

3.1 Mikä on algoritmi?

Pyrittäessä kirjoittamaan koneelle kelpaavia ohjeita joudutaan suoritettavana oleva toimenpide kirjaamaan sarjana yksinkertaisia toimenpiteitä. Toimenpidesarjan tulee olla yksikäsitteinen, eli sen tulee joka tilanteessa tarjota yksi ja vain yksi tapa toimia, eikä siinä saa esiintyä ristiriitaisuuksia. Yksikäsitteistä kuvausta tehtävän ratkaisuun tarvittavista toimenpiteistä kutsutaan algoritmiksi.

Ohjelman kirjoittaminen voidaan aloittaa hahmottelemalla tarvittavat algoritmit eli kirjaamalla lista niistä toimenpiteistä, joita tehtävän suoritukseen tarvitaan:

Kahvin keittäminen:

1.  Täytä pannu vedellä.
2.  Keitä vesi.
3.  Lisää kahvijauhot.
4.  Anna tasaantua.
5.  Tarjoile kahvi.

Algoritmi on yleisesti ottaen mahdollisimman pitkälle tarkennettu toimenpidesarja, jossa askel askeleelta esitetään yksikäsitteisessä muodossa ne toimenpiteet, joita asetetun ongelman ratkaisuun tarvitaan.

3.2 Tarkentaminen

Kun tarkastellaan lähes mitä tahansa tehtävänantoa, huomataan, että tehtävän suoritus koostuu selkeästi toisistaan eroavista osatehtävistä. Se, miten yksittäinen osatehtävä ratkaistaan, ei vaikuta muiden osatehtävien suorittamiseen. Vain sillä, että kukin osasuoritus tehdään, on merkitystä. Esimerkiksi pannukahvinkeitossa jokainen osatehtävä voidaan jakaa edelleen osasiin:

Kahvinkeitto:

1.  Täytä pannu vedellä:
  1.1.  Pistä pannu hanan alle.
  1.2.  Avaa hana.
  1.3.  Anna veden valua, kunnes vettä on riittävästi.
  1.4   Sulje hana.
2.  Keitä vesi:
  2.1.  Aseta pannu hellalle.
  2.2.  Kytke virta keittolevyyn.
  2.3.  Anna lämmetä, kunnes vesi kiehuu.
  2.4   Sammuta virta.
3.  Lisää kahvinporot:
  3.1.  Mittaa kahvinporot.
  3.2.  Sekoita kahvinporot kiehuvaan veteen.
4.  Anna tasaantua:
  4.1.  Odota, kunnes suurin osa valmiista kahvista on vajonnut
        pannun pohjalle.
5.  Tarjoile kahvi:
  5.1.  Tämä sitten onkin jo oma tarinansa...

Edellä esitetyn kahvinkeitto-ongelman ratkaisu esitettiin jakamalla ratkaisu viiteen osavaiheeseen. Ratkaisun algoritmi sisältää viisi toteutettavaa lausetta. Kun näitä viittä lausetta tarkastellaan lähemmin, osoittautuu, että niistä kukin on edelleen jaettavissa osavaiheisiin, eli ratkaisun pääalgoritmi voidaan jakaa edelleen alialgoritmeiksi, joissa askel askeleelta esitetään, kuinka kukin osatehtävä ratkaistaan.

Algoritmien kirjoittaminen osoittautuu hierarkkiseksi prosessiksi, jossa aluksi tehtävä jaetaan osatehtäviin, joita edelleen tarkennetaan, kunnes kukin osatehtävä on niin yksinkertainen, ettei sen suorittamisessa enää ole mitään moniselitteistä.

3.3 Yleistäminen

Eräs tärkeä algoritmien kirjoittamisen vaihe on yleistäminen. Tällöin valmiiksi tehdystä algoritmista pyritään paikantamaan kaikki alunperin annetusta tehtävästä riippuvat tekijät, ja pohditaan voitaisiinko ne kenties kokonaan poistaa tai korvata joillakin yleisemmillä tekijöillä.

3.4 Harjoitus

3.5 Peräkkäisyys

Kuten luvussa 1 olevassa reseptissä ja muissakin ihmisille kirjoitetuissa ohjeissa, niin myös tietokoneelle esitetyt ohjeet luetaan ylhäältä alaspäin, ellei muuta ilmoiteta. Esimerkiksi ohjeen lumiukon piirtämisestä voisi esittää yksinkertaistettuna alla olevalla tavalla.

Piirrä säteeltään 20cm kokoinen ympyrä koordinaatiston pisteeseen (20, 80)
Piirrä säteeltään 15cm kokoinen ympyrä edellisen ympyrän päälle
Piirrä säteeltään 10cm kokoinen ympyrä edellisen ympyrän päälle

Yllä oleva koodi ei ole vielä mitään ohjelmointikieltä, mutta se sisältää jo ajatuksen siitä, kuinka lumiukko voitaisiin tietokoneella piirtää. Piirrämme lumiukon C#-ohjelmointikielellä seuraavassa luvussa.

Otetaan seuraavaksi esimerkki eräästä algoritmista. Oletetaan, että sinulla on tilanne, jossa on taulukko lukuja ja kaikille taulukon luvuille pitäisi saada sama arvo kuin taulukon ensimmäiselle luvulle. Voit seuraavassa tehtävässä tehdä tälle "algoritmin" käyttämällä Tauno-ohjelmaa (=TAUlukot NOhevasti).

Taunossa raahaa taulukon alkioita niin, että sinulla on lopuksi haluamasi tulos. Katso samalla minkälaista koodia Tauno sinulle generoi. Tämä on C#-kielinen algoritmi tehtävän tekemiseksi. Jos haluat aloittaa Tauno-tehtävän alusta, piilota ja näytä Tauno uudelleen.

Mieti onko edellä tekemäsi Tauno-vastaus sellainen, missä suoritettavien lauseiden järjestyksen saisi vaihtaa? Jos on, koodi on tässä tapauksessa rinnakkaistuvaa, jos järjestyksen vaihtaminen taas rikkoisi "algortimin", niin koodi on puhtaasti peräkkäistä.

Rinnakkaisuus tarkoittaa sitä, että periaatteessa lauseita voisi suorittaa yhtaikaa. Rinnakkainen ohjelmointi on kuitenkin haastavaa ja sitä ei käsitellä tällä kurssilla enempää.

4. Yksinkertainen graafinen C#-ohjelma

Seuraavissa esimerkeissä käytetään Jyväskylän yliopistossa kehitettyä Jypeli-ohjelmointikirjastoa. Alunperin kirjasto suunniteltiin ja toteutettiin Nuorten Peliohjelmointi -kurssille, mutta sen todettiin hyvin sopivan myös Ohjelmointi 1 -tasoiselle kurssille. Kirjaston voit ladata koneelle osoitteesta

https://tim.jyu.fi/view/kurssit/tie/ohj1/tyokalut/tyokalut,

4.1 Mikä on kirjasto?

C#-ohjelmat koostuvat luokista. Luokat taas sisältävät metodeja (ja aliohjelmia/funktioita), jotka suorittavat tehtäviä ja mahdollisesti palauttavat arvoja suoritettuaan näitä tehtäviä. Metodi voisi esimerkiksi laskea kahden luvun summan ja palauttaa tuloksen tai piirtää ohjelmoijan haluaman kokoisen ympyrän. Samaan asiaan liittyviä metodeja kootaan luokkaan ja luokkia kootaan edelleen kirjastoiksi. Idea kirjastoissa on, ettei kannata tehdä uudelleen sitä minkä joku on jo tehnyt. Toisin sanoen, pyörää ei kannata keksiä uudelleen.

C#-ohjelmoijan kannalta oleellisin kirjasto on .NET Framework luokkakirjasto. Luokkakirjaston dokumentaatioon (documentation) kannattaa jossakin vaiheessa tutustua, sillä sieltä löytyy monia todella hyödyllisiä metodeja. Dokumentaatio löytyy Microsoftin sivuilta osoitteesta

https://learn.microsoft.com/fi-fi/dotnet/.

4.2 Jypeli-kirjasto

Jypeli-kirjaston kehittäminen aloitettiin Jyväskylän yliopistossa keväällä 2009. Tämän monisteen esimerkeissä käytetään versiota 4. Jypeli-kirjastoon on kirjoitettu valmiita luokkia ja metodeja siten, että esimerkiksi fysiikan ja matematiikan ilmiöiden, sekä pelihahmojen ja liikkeiden ohjelmointi lopulliseen ohjelmaan on helpompaa.

4.3 Esimerkki: Lumiukko

Myöhemmässä selostuksessa viitataan tämän ohjelman rivinumeroihin. Ne saat näkyviin kun painat Highlight-linkkiä.

Ajettaessa ohjelman tulisi piirtää yksinkertainen lumiukko keskelle ruutua, kuten alla olevassa kuvassa.

Jatkoa varten hieman lyhennämme ohjelmaa ja aina samanlaisena toistuvan pääohjelman kirjoitamme omaan erilliseen tiedostoonsa. Näin voimme paremmin keskittyä pelkästään itse ongelmaan. Kokeile lisätä lumiukkoon neljäs pallo.

4.3.1 Ohjelman suoritus

Ohjelman suoritus aloitetaan aina pääohjelman avaavasta aaltosulusta, ja sitten edetään rivi riviltä ylhäältä alaspäin aina pääohjelman sulkevaan aaltosulkuun saakka, ellei erikseen joillakin ohjauslauseilla (kuten if, while tms.) muuta sanota. Tässä ohjelmassa ei sanota. Pääohjelmassa (samoin kuin kaikissa muissakin aliohjelmissa) voi olla myös aliohjelmakutsuja, jolloin siirrytään pääohjelmasta suorittamaan aliohjelmaa ja palataan sitten takaisin pääohjelman (kutsuvan aliohjelman) suoritukseen. Aliohjelmista puhutaan enemmän luvussa 6. Itse asiassa edellisissä esimerkeissäkin kutsu Add(p1) oli aliohjelmakutsu.

Tarkastellaan ohjelman oleellisimpia kohtia.

Aluksi meidän täytyy kertoa kääntäjälle, että haluamme ottaa käyttöön koko Jypeli-kirjaston. Nyt Jypeli-kirjaston kaikki luokat (ja niiden metodit) ovat käytettävissämme. Itse asiassa meidän ei olisi pakko kirjoittaa tätä using-lausetta. Mutta jos jätämme sen pois, ei kääntäjä enää tunne mikä on esimerkiksi sana PhysicsGame. Ongelma voitaisiin kiertää sanomalla että se löytyy kirjastosta Jypeli:

Ja samalla tavalla Jypeli. pitäisi lisätä kaikkien muidenkin Jypelissä olevien sanojen eteen. Eli helpotamme omaa kirjoittamistamme sanomalla, että käytetään Jypeliä. Itse asiassa, jos olisimme HelloWorld.cs -tiedostossa sanoneet alussa:

olisi riittänyt kirjoittaa tulostamista varten:

Mutta jatketaan ohjelman tutkimista:

Rivit 8-10 ovat dokumentaatiokommentteja. Rivillä 11 luodaan Lumiukko-luokka, joka hieman poikkeaa HelloWorld-esimerkin tavasta luoda uusi luokka. Tässä kohtaa käytämme ensimmäisen kerran Jypeli-kirjastoa, ja koodissa kerrommekin, että Lumiukko-luokka, jota juuri olemme tekemässä, "perustuu" Jypeli-kirjastossa olevaan PhysicsGame-luokkaan. Täsmällisemmin sanottuna Lumiukko-luokka peritään PhysicsGame-luokasta. Näin Lumiukko-luokka saa käyttöönsä kaikki PhysicsGame-luokan ominaisuudet ja voi itse lisätä siihen uusia ominaisuuksia. Tässä lisäämme tuon Begin-metodin toiminnan, eli mitä "pelin" alussa piirretään. Begin onkin tavallaan Jypeli-ohjelman "pääohjelma".

Tuon PhysicsGame-luokan avulla objektien piirtäminen, myöhemmin liikuttelu ruudulla ja fysiikan lakien hyödyntäminen on vaivatonta.

Myös Main-metodi, eli pääohjelma, on Jypeli-peleissä käytännössä aina tällainen vakiomuotoinen, joten jatkossa siihen ei tarvitse juurikaan koskea. Ohitamme tässä vaiheessa pääohjelman sisällön mainitsemalla vain, että pääohjelmassa Lumiukko-luokasta luodaan uusi olio (eli uusi "peli"), joka sitten laitetaan käyntiin peli.Run()-kohdassa. Käytettäessä dotnet-alustaa, Jypelin mallit luovat erikseen Ohjelma.cs-tiedoston, jossa on pääohjelma. Varsinainen muu koodi on omassa esimerkiksi Lumiukko.cs -nimisessä tiedostossa. Jypeli-kirjaston rakenteesta johtuen kaikki varsinainen peliin liittyvä koodi kirjoitetaan omiin aliohjelmiinsa. Seuraavaksi käsiteltävään Begin-aliohjelmaan kirjoitetaan se, mitä tapahtuu "pelin" alkaessa.

Tarkasti ottaen Begin alkaa riviltä 29. Ensimmäinen lause on kirjoitettu riville 30.

Näistä kahdesta rivistä ensimmäisellä kutsutaan Camera-olion ZoomToLevel-aliohjelmaa, joka pitää huolen siitä, että "kamera" on kohdistettuna ja zoomattuna oikeaan kohtaan. Aliohjelma ei ota vastaan parametreja, joten sulkujen sisältö jää tyhjäksi. Toisella rivillä muutetaan taustan väri.

Huomattakoon että Camera ja Level -oliot ovat Lumiukko-luokasta luodun pelin (pääohjelmassa peli) omia olioita. Oikeastaan pitäisikin kirjoittaa:

mutta viitattaessa olion omiin ominaisuuksiin, voidaan this. -itseviittaus jättää kirjoittamatta. Jotkut ohjelmoijat kirjoittavat silti selvyyden vuoksi myös tuon itseviittauksen näkyviin, vaikka sitä ei välttämättä tarvittaisi. Tämä on tyypillinen makuasia ohjelmoinnissa.

Näiden kolmen rivin aikana luomme uuden fysiikkaolio-ympyrän, annamme sille säteen, y-koordinaatin, sekä lisäämme sen "pelikentälle", eli näkyvälle alueelle valmiissa ohjelmassa. Jos x-koordinaatin (tai y-koordinaatin) arvoa ei anneta, on se oletuksena 0.

Tarkemmin sanottuna luomme uuden PhysicsObject-olion eli PhysicsObject-luokan ilmentymän, johon viittaavan muuttujan nimeksi annamme p1. PhysicsObject-oliot ovat pelialueella liikkuvia olioita, jotka noudattavat fysiikan lakeja. Sulkujen sisään laitamme tiedon siitä, millaisen objektin haluamme luoda - tässä tapauksessa leveys ja korkeus (Jypeli-mitoissa, ei pikseleissä), sekä olion muoto. Teemme siis ympyrän (Circle), jonka säde on 100 (leveys = 2 * 100 ja korkeus = 2 * 100). Muita Shape-kokoelmasta löytyviä muotoja ovat muiden muassa kolmio (Triangle), ellipsi (Ellipse), suorakaide (Rectangle), sydän (Heart) jne. Olioista puhutaan lisää luvussa 8.

Seuraavalla rivillä asetetaan olion paikka Y-arvon avulla:

Huomaa että Y kirjoitetaan isolla kirjaimella. Tämä on p1-olion ominaisuus eli attribuutti. X-koordinaattia meidän ei tarvitse tässä erikseen asettaa, se on oletusarvoisesti 0 ja se kelpaa meille. Saadaksemme ympyrät piirrettyä oikeille paikoilleen, täytyy meidän laskea koordinaattien paikat. Oletuksena ikkunan keskipiste on koordinaatiston origo eli piste (0, 0). x-koordinaatin arvot kasvavat oikealle ja y:n arvot ylöspäin, samoin kuin "normaalissa" koulusta tutussa koordinaatistossa.

Koordinaatti voidaan antaa myös vektori-muodossa, jolloin annetaan koordinaatin molemmat komponentit samalla kertaa. Esimerkiksi edellisessä tehtävässä pallo voitaiisiin sijoittaa paikkaan x=20, y=50 myös koodilla:

Peliolio täytyy aina lisätä kentälle, ennen kuin se saadaan näkyviin. Tämä tapahtuu Add-metodin avulla, joka ottaa parametrina kentälle lisättävän olion nimen (tässä p1).

Tarkkaan ottaen tässäkin pitäisi kirjoittaa että lisäämme olion tähän peliin, eli:

mutta kuten edellä sanottiin, itseviittaukset voidaan jättää myös kirjoittamatta.

Metodeille annettavia tietoja sanotaan parametreiksi (parameter). ZoomToLevel-metodi ei ota vastaan yhtään parametria, mutta Add-metodi sen sijaan ottaa yhden parametrin: PhysicsObject-tyyppisen olion, joka halutaan kentälle lisätä. Add-metodille voidaan antaa toinenkin parametri: tasonnumero, jolle olio lisätään. Tasojen avulla voidaan hallita, missä järjestyksessä oliot piirretään ruudulle. Tasolla ei siis ole fysiikan ominaisuuksia (eli törmäyksien) kannalta merkitystä, ainoastaan kappaleiden ollessa päällekkäin, kumpi näkyy päälimmäisenä. Tasoparametri voidaan myös jättää antamatta, jolloin kappale lisätään oletuksena tasoon 0.

Parametrit kirjoitetaan metodin nimen perään sulkeisiin ja ne erotetaan toisistaan pilkuilla.

Seuraavien rivien aikana luomme vielä kaksi ympyrää vastaavalla tavalla, mutta vaihtaen sädettä ja ympyrän koordinaatteja.

Lumiukko-esimerkissä koordinaattien laskemiseen on käytetty C#:n aritmeettisia operaatioita. Voisimme tietenkin laskea koordinaattien pisteet myös itse, mutta miksi tehdä niin, jos tietokone voi laskea pisteet puolestamme? C#:n aritmeettiset perusoperaatiot ovat summa (+), vähennys (-), kerto (*), jako (/) ja jakojäännös (%). Aritmeettisista operaatioista puhutaan lisää muuttujien yhteydessä kohdassa 7.7.1.

Keskimmäinen ympyrä tulee alimman ympyrän yläpuolelle niin, että ympyrät sivuavat toisiaan. Keskimmäisen ympyrän keskipiste sijoittuu siis siten, että sen x-koordinaatti on 0 ja y-koordinaatti on alimman ympyrän paikka +alimman ympyrän säde + keskimmäisen ympyrän säde. Kun haluamme, että keskimmäisen ympyrän säde on 50, niin silloin keskimmäisen ympyrän keskipiste tulee kohtaan (0, p1.Y + 100 + 50) ja se piirretään lauseella:

Huomaa, että fysiikkaolion Y-ominaisuuden asettamisen (set) lisäksi voimme myös lukea tai pyytää (get) kyseisen ominaisuuden arvon. Yllä teemme sen kirjoittamalla yksinkertaisesti sijoitusoperaattorin oikealle puolelle p1.Y.

Seuraava kuva havainnollistaa ensimmäisen ja toisen pallon asettelua.

Ylin ympyrä sivuaa sitten taas keskimmäistä ympyrää. Harjoitustehtäväksi jätetään laskea ylimmän ympyrän koordinaatit, kun ympyrän säde on 30.

Kaikki tiedot luokista, luokkien metodeista sekä siitä mitä parametreja metodeille tulee antaa löydät käyttämäsi kirjaston dokumentaatiosta. Jypelin luokkadokumentaatio löytyy osoitteesta:

http://kurssit.it.jyu.fi/npo/material/latest/documentation/html/.

4.4 Harjoitus

Etsi Jypeli-kirjaston dokumentaatiosta RandomGen-luokka. Mitä tietoa löydät
NextInt(int min, int max)-metodista?
Mitä muita metodeja luokassa on?

Seuraavassa esimerkissä on kerrottu, miten käytetään suoraan C#-kirjaston satunnaislukugeneraattoria.

4.5 Kääntäminen ja luokkakirjastoihin viittaaminen

Jotta Lumiukko-esimerkkiohjelma voitaisiin nyt kääntää C#-kääntäjällä, tulee Jypeli-kirjasto olla tallennettuna tietokoneelle. Jypeli käyttää MonoGame-kirjaston lisäksi vapaan lähdekoodin fysiikka- ja matematiikkakirjastoja. Fysiikka- ja matematiikkakirjastot ovat sisäänrakennettuina Jypeli-kirjastoon.

Ennen komentoriviltä kääntämistä tarvitaan mm. eri Jypelin kirjastoja käyttöön. Nyt osa kirjastoista voi olla eri nimisiä, aikaisemmin tarvittiin mm:

• Jypeli.dll
• Jypeli.Physics2d.dll
• MonoGame.Framework.dll

Meidän täytyy vielä välittää kääntäjälle tieto siitä, että Jypeli-kirjastoa tarvitaan Lumiukko-koodin kääntämiseen. Tämä tehtiin aikaisemmlla csc-ohjelman versiolla /reference-parametrin avulla. Lisäksi tarvittiin referenssi Jypelin käyttämään MonoGame-kirjastoon. Silloin kääntämiskomento oli

csc Lumiukko.cs /reference:Jypeli.dll;Jypeli.Physics2d.dll;MonoGame.Framework.dll

Koska näin komennoista tulisi varsin pitkiä ja sitä varten Microsoft on tehnyt dotnet-nimisen ohjelman, jolla voidaan hallita näitä tarvittavien kirjastojen suhteita. Tämän ohjelman avulla kääntämisen vaiheet ovat seuraavat

1. Yhden kerran asennetaan Jypelin tarvitsemat kirjastot, eli annetaan komentoriviltä komento

   dotnet new install Jypeli.Templates 

   Tätä ei tarvitse enää antaa toista kertaa

2. Siirrytään luodaan tarvittaessa ja siirrytään hakemistoon, johon uusi projekti halutaan

   cd HAKEMISTOPOLKU    

3. Luodaan uusi projekti Lumiukkoa varten

   dotnet new Fysiikkapeli -n Lumiukko

4. Tässä syntyy Lumiukko-hakemistoon mm Lumiukko.cs niminen tiedosto, joka muokataan halutulla tavalla toimivaksi.

5. Käännetään ja ajetaan ohjelma

   dotnet run

6. Jos ei toimi halutulla tavalla, muokataan tiedostoa ja käännetään ja ajetaan uudelleen.

Lisätietoa dotnet- kommenon toiminnasta ja sen tuottamista tiedostoista löydät dokumentista dotnet tarkemmin.

5. Lähdekoodista prosessorille

5.1 Kääntäminen

Tarkastellaan nyt tarkemmin sitä kuinka C#-lähdekoodi muuttuu lopulta prosessorin ymmärtämään muotoon. Kun ohjelmoija luo ohjelman lähdekoodin, joka käyttää .NET-ympäristöä, tapahtuu kääntäminen sisäisesti kahdessa vaiheessa. Ohjelma käännetään ensin välikielelle, CIL:lle (Common Intermediate Language), joka ei ole vielä suoritettavissa millään käyttöjärjestelmällä. Tästä välivaiheen koodista käännetään ajon aikana valmis ohjelma halutulle käyttöjärjestelmälle ja prosessorille. Käyttöjärjestelmä voi olla esimerkiksi Windows, macOS, iOS, Android tai Linux. Prosessori voi olla esimerkiksi joku Intel x86-arkkitehtuurin mukainen prosessori tai mobiileissa vaikka ARM. Tämä ajonaikainen kääntäminen suoritetaan niin sanotulla JIT-kääntäjällä (Just-In-Time). JIT-kääntäjä muuntaa välivaiheen koodin juuri halutulle käyttöjärjestelmälle sopivaksi koodiksi nimenomaan ohjelmaa ajettaessa - tästä tulee nimi "just-in-time".

Ennen ensimmäistä kääntämistä kääntäjä tarkastaa, että koodi on syntaksiltaan oikein. [VES][KOS]

HelloWorld-tyylisen ohjelman kääntäminen tehtiin Windowsissa komentorivillä (esim Git Bash) käyttämällä komentoa

csc Tiedostonnimi.cs

tai hyödyntämällä edellisessä luvussa esiteltyä dotnet-komentoa tekemällä pelkkä käännös

dotnet build

5.2 Suorittaminen

C#-kääntäjä tuottaa siis lähdekoodista suoritettavan (tai "ajettavan") tiedoston. Tämä tiedosto sisältää käyttöjärjestelmästä riippumattomalle välikielelle käännetyn ohjelman. Ohjelman suorittamiseen tarvitaan käyttöjärjestelmäkohtainen .NET-ajoympäristö, joka kääntää ajon aikana välikielen käyttöjärjestelmän ja prosessorin ymmärtämään muotoon.

C#-kääntäjää voi myös ohjeistaa tuottamaan käyttöjärjestelmäriippuvaisen suoritettavan tiedoston. Tämä tiedosto on suoritettavissa vain sillä alustalla, johon käännös on tehty. Toisin sanoen, Windows-ympäristössä käännetyt C#-ohjelmat eivät ole välttämättä ajettavissa macOS:ssa, ja toisin päin. Tässä tilassa .NET-ajoympäristöä ei tarvitse erikseen asentaa, vaan se on pakattu mukaan suoritettavaan ohjelmaan.

Samoin kuin C#-kielestä, eräistä muistakin ohjelmointikielistä niiden kääntäjät voivat tuottaa käyttöjärjestelmäriippumatonta koodia. Esimerkiksi Java-kielessä kääntäjän tuottama tiedosto on niin sanottua tavukoodia, joka on käyttöjärjestelmäriippumatonta koodia. Tavukoodin suorittamiseen tarvitaan Java-virtuaalikone (Java Virtual Machine). Java-virtuaalikone on oikeaa tietokonetta matkiva ohjelma, joka tulkkaa tavukoodia ja suorittaa sitä sitten kohdekoneen prosessorilla. Tässä on merkittävä ero perinteisiin käännettäviin kieliin (esimerkiksi C ja C++), joissa käännös on tehtävä erikseen jokaiselle eri laitealustalle. [VES][KOS]

6. Aliohjelmat

“Copy and paste is a design error.” - David Parnas

Pääohjelman lisäksi ohjelma voi sisältää muitakin aliohjelmia. Aliohjelmaa kutsutaan pääohjelmasta, metodista tai toisesta aliohjelmasta suorittamaan tiettyä tehtävää. Aliohjelmat voivat saada parametreja ja palauttaa arvon, kuten metoditkin. Aliohjelma voi kutsua toista aliohjelmaa ja joskus jopa itseään (tällöin puhutaan rekursiosta). Oikea ohjelma koostuu useista aliohjelmista joista jokainen suorittaa oman pienen tehtävänsä. Näin iso tehtävä voidaan jakaa joukoksi pienempiä helpommin hallittavia alitehtäviä.

Aliohjelmia tehdään, koska

• niiden avulla voidaan jakaa ohjelma pienempiin osiin
• niiden avulla voidaan jäsentää ohjelmaa
• ne auttavat uudelleenkäytössä
• pienemmät osat helpottavat testaamista

Nykyisten oliokielten oliot ovat oikeastaan kokoelma olion sisäisiä muuttujia (attribuutteja) ja niitä käsitteleviä aliohjelmia (metodeja). Lisäksi nykyisten kielten API (Application Programming Interface) on usein huomattavasti itse kieltä suurempi. Kieleen kuuluvien aliohjelmakirjastojen lisäksi usein käytetään sovelluskohtaisia kirjastoja, jotka voivat olla hyvinkin laajoja. Tällä kurssilla esimerkkinä tällaisesta on Jypeli. Valmiin kirjaston käyttö helpottaa ohjelman kirjoittajaa ja hänen ei tarvitse kirjoittaa itse kaikkea.

Toisaalta myös itse kirjoitetaan aliohjelmia. Käytännössä usein käy niin, että ohjelmaan kirjoitetaan osa, joka kohta toistuu lähes samanlaisena. Tällöin ohjelmoija pyrkii löytämään koodin yhteisen osan ja siirtää sen aliohjelmaksi. Jos toiminnat eivät samankaltaisissa osissa olleet täysin samanlaiset, toimitetaan ero aliohjelmille parametreina. Näin sama aliohjelma voi eri kutsuilla tehdä hieman eri asioita. Otamme tästä kohta esimerkin.

Toisaalta monesti aliohjelmia tulee myös siitä, että ohjelmaa kirjoitettaessa ajatellaan tyyliin: "nyt pitäisi löytää taulukon suurin luku". Useimmiten ei ole järkevää tällöin lähteä itse etsimistä kirjoittamaan, vaan esitetään toive: "olisipa meillä aliohjelma joka tekee tuon". Ja kirjoitetaan:

Myöhemmin sitten toteutetaan tuo Suurin -aliohjelma (funktio tässä tapauksessa, koska se palauttaa arvon). Nyt jos sama tehtävä pitää tehdä uudelleen, ei tarvitse enää kirjoittaa muuta kuin kutsu tuohon aliohjelmaan (uudelleenkäyttö).

Usein samaa aliohjelmaa kutsutaan ohjelmasta useita kertoja, mutta koodin selkeyden vuoksi voi olla järkevää kirjoittaa aliohjelmaksi myös itsenäisiä kokonaisuuksia (jäsentäminen), vaikkei niitä kutsuttaisikaan kuin kerran koko ohjelmasta.

Seuraavana esimerkki jäsentämisestä, uudelleenkäytöstä ja selkeyttämisestä.

Jos tehtävänämme olisi piirtää useampi lumiukko, niin tämänhetkisellä tietämyksellämme tekisimme todennäköisesti jonkin alla olevan kaltaisen ratkaisun.

Huomataan, että ensimmäisen ja toisen lumiukon piirtäminen tapahtuu lähes samanlaisella koodilla. Itse asiassa ainoa ero on, että jälkimmäisen lumiukon pallot saavat ensimmäisestä lumiukosta eroavat koordinaatit. Ensimmäinen vaihe on yrittää saada molempien lumiukkojen piirtämisestä täysin samanlainen koodi.

Aluksi voisimme kirjoittaa koodin niin, että lumiukon alimman pallon keskipiste tallennetaan muuttujiin x ja y. Näiden pisteiden avulla voimme sitten laskea muiden pallojen paikat. Määritellään heti alussa myös p1, p2 ja p3 PhysicsObject-olioiksi. Rivinumerointi on tässä jätetty pois selvyyden vuoksi. Luvun lopussa korjattu ohjelma esitellään kokonaisuudessaan rivinumeroinnin kanssa. Muistetaan lisäksi, että voimme kirjoittaa olion omiin ominaisuuksiin viitattaessa this -viitteen.

Vastaavasti toiselle lumiukolle: asetetaan vain x:n ja y:n arvot oikeiksi.

Tarkastellaan nyt muutoksia hieman tarkemmin.

Yllä olevalla rivillä esitellään kaksi liukulukutyyppistä muuttujaa. Liukuluku on eräs tapa esittää reaalilukuja tietokoneissa. C#:ssa jokaisella muuttujalla on oltava tyyppi, ja eräs liukulukutyyppi C#:ssa on double. Muuttujista ja niiden tyypeistä puhutaan lisää luvussa 7.

Yllä olevalla rivillä on kaksi lausetta. Ensimmäisellä asetetaan muuttujaan x arvo 0 ja toisella muuttujaan y arvo 50 (jos Level.Bottom sattuu olemaan vaikka -150). Nyt voimme käyttää lumiukon pallojen laskentaan näitä muuttujia.

Vastaavasti yllä olevalla rivillä asetetaan nyt muuttujiin uudet arvot, joita käytetään seuraavan lumiukon pallojen paikkojen laskemiseen. Huomaa, että y-koordinaatti saa negatiivisen arvon, jolloin lumiukon alimman pallon keskipiste painuu kuvaruudun keskitason alapuolelle.

Nyt alimman pallon x-koordinaatiksi sijoitetaankin muuttuja x, ja vastaavasti y-koordinaatin arvoksi asetetaan muuttuja y, ja muiden pallojen sijainnit lasketaan ensimmäisen pallon koordinaattien perusteella.

Näiden muutosten jälkeen molempien lumiukkojen varsinainen piirtäminen tapahtuu nyt täysin samalla koodilla rivistä x= eteenpäin.

Uusien lumiukkojen piirtäminen olisi nyt jonkin verran helpompaa, sillä meidän ei tarvitse kuin ilmoittaa ennen piirtämistä uuden lumiukon paikka, ja varsinainen lumiukkojen piirtäminen onnistuisi kopioimilla ja liittämällä koodia (copy-paste). Kuitenkin, jos koodia kirjoittaessa joutuu tekemään suoraa kopiointia, pitäisi pysähtyä miettimään, onko tässä mitään järkeä.

Kahden lumiukon tapauksessa tämä vielä onnistuu ilman, että koodin määrä kasvaa kohtuuttomasti, mutta entä jos meidän pitäisi piirtää 10 tai 100 lumiukkoa? Kuinka monta riviä ohjelmaan tulisi silloin? Kun lähes samanlainen koodinpätkä tulee useampaan kuin yhteen paikkaan, on useimmiten syytä muodostaa siitä oma aliohjelma. Koodin monistaminen moneen paikkaan lisäisi vain koodirivien määrää, tekisi ohjelman ymmärtämisestä vaikeampaa ja vaikeuttaisi testaamista.

Lisäksi jos monistetussa koodissa olisi vikaa, jouduttaisiin korjaukset tekemään myös useampaan paikkaan. Hyvän ohjelman yksi mitta (kriteeri) onkin, että jos jotain pitää muuttaa, niin kohdistuvatko muutokset vain yhteen paikkaan (hyvä) vai joudutaanko muutoksia tekemään useaan paikkaan (huono).

6.1 Aliohjelman kutsuminen

Haluamme siis aliohjelman, joka piirtää meille lumiukon tiettyyn pisteeseen. Kuten metodeille, myös aliohjelmalle viedään parametrien avulla sen tarvitsemaa tietoa. Parametreina tulisi viedä vain minimaaliset tiedot, joilla aliohjelman tehtävä saadaan suoritettua.

Sovitaan, että aliohjelmamme piirtää aina samankokoisen lumiukon haluamaamme pisteeseen. Mitkä ovat ne välttämättömät tiedot, jotka aliohjelma tarvitsee piirtääkseen lumiukon?

Aliohjelma tarvitsee tiedon mihin pisteeseen lumiukko piirretään. Viedään siis parametrina lumiukon alimman pallon keskipiste. Muiden pallojen paikat voidaan laskea tämän pisteen avulla. Lisäksi tarvitaan yksi Game-tyyppinen parametri, jotta aliohjelmaamme voisi kutsua myös toisesta ohjelmasta. Nämä parametrit riittävät lumiukon piirtämiseen.

Kun aliohjelmaa käytetään ohjelmassa, sanotaan, että aliohjelmaa kutsutaan. Kutsu tapahtuu kirjoittamalla aliohjelman nimi ja antamalla sille parametrit. Aliohjelmakutsun erottaa metodikutsusta vain se, että metodi liittyy aina tiettyyn olioon. Esimerkiksi pallo-olio p1 voitaisiin poistaa pelikentältä kutsumalla metodia Destroy(), eli kirjoittaisimme:

Toisin sanoen metodeja kutsuttaessa täytyy ensin kirjoittaa sen olion nimi, jonka metodia kutsutaan, ja sen jälkeen pisteellä erotettuna kirjoittaa haluttu metodin nimi. Sulkujen sisään tulee luonnollisesti tarvittavat parametrit. Yllä olevan esimerkin Destroy-metodi ei ota vastaan yhtään parametria.

6.1.1 Aliohjelmakutsun kirjoittaminen

Päätetään, että aliohjelman nimi on PiirraLumiukko. Sovitaan myös, että aliohjelman ensimmäinen parametri on tämä peli, johon lumiukko ilmestyy (kirjoitetaan this). Toinen parametri on lumiukon alimman pallon keskipisteen x-koordinaatti ja kolmas parametri lumiukon alimman pallon keskipisteen y-koordinaatti. Tällöin kentälle voitaisiin piirtää lumiukko, jonka alimman pallon keskipiste on (0, Level.Bottom + 200), seuraavalla kutsulla:

Kutsussa voisi myös ensiksi mainita sen luokan nimen mistä aliohjelma löytyy. Tällä kutsulla aliohjelmaa voisi kutsua myös muista luokista, koska määrittelimme Lumiukot-luokan julkiseksi (public).

Vaikka tämä muoto muistuttaa jo melko paljon metodin kutsua, on ero kuitenkin selvä. Metodia kutsuttaessa toimenpide tehdään aina tietylle oliolle, kuten p1.Destroy() tuhoaa juuri sen pallon, johon p1-olio viittaa. Pallojahan voi tietenkin olla myös muita erinimisiä (kuten esimerkissämme onkin). Alla olevassa aliohjelmakutsussa kuitenkin käytetään vain luokasta Lumiukot löytyvää PiirraLumiukko-aliohjelmaa.

Jos olisimme toteuttaneet jo varsinaisen aliohjelman, piirtäisi Begin meille nyt kaksi lumiukkoa.

Koska PiirraLumiukko-aliohjelmaa ei luonnollisesti vielä ole olemassa, ei ohjelmamme vielä toimi. Seuraavaksi meidän täytyy toteuttaa itse aliohjelma, jotta kutsut alkavat toimimaan.

Usein ohjelman toteutuksessa on viisasta edetä juuri tässä järjestyksessä: suunnitellaan aliohjelmakutsu ensiksi, kirjoitetaan kutsu sille kuuluvalle paikalle, ja vasta sitten toteutetaan varsinainen aliohjelman kirjoittaminen.

Lisätietoja aliohjelmien kutsumisesta löydät dokumentista Aliohjelmien kutsuminen:

https://tim.jyu.fi/view/kurssit/tie/ohj1/materiaali/aliohjelmienKutsuminen.

6.2 Aliohjelman kirjoittaminen

Ennen varsinaista PiirraLumiukko-aliohjelman toiminnallisuuden kirjoittamista täytyy aliohjelmalle tehdä määrittely (kutsutaan myös esittelyksi, declaration). Kirjoitetaan määrittely aliohjelmalle, jonka kutsun jo teimme edellisessä alaluvussa.

Lisätään ohjelmaamme aliohjelman runko. Dokumentoidaan aliohjelma myös saman tien.

Alla oleva kuva selvittää aliohjelmakutsun ja aliohjelman määrittelyn sekä vastinparametrien yhteyttä.

Aliohjelman toteutuksen ensimmäistä riviä

sanotaan aliohjelman otsikoksi (header) tai esittelyriviksi. Otsikon alussa määritellään aliohjelman näkyvyys julkiseksi (public). Kun näkyvyys on julkinen, aliohjelmaa voidaan kutsua eli käyttää myös muissa luokissa.

Aliohjelma määritellään myös staattiseksi (static). Staattisen aliohjelman toteutuksessa ei voi käytää this-viitettä, sillä se ei ole minkään olion oma. Hyötynä on kuitenkin se, että silloin aliohjelmaa voidaan kutsua mistä tahansa ohjelman osasta ja se ei ole riippuvainen esimerkiksi tässä tapauksessa meidän pelistämme, vaan jonkin muunkin pelin tekijä voisi kutsua aliohjelmaa. Jos emme määrittelisi aliohjelmaa staattiseksi, olisi se metodi eli olion toiminto (ks. luku 8.5).

Tosin staattinen aliohjelma voi käyttää myös staattisia (globaaleja) muuttujia ja vakioita. Staattisten muuttujien käyttö ei ole suositeltavaa. Vakioita voi toki käyttää.

Aliohjelmalle on annettu palautusarvoksi void, mikä tarkoittaa sitä, että aliohjelma ei palauta mitään arvoa. Aliohjelma voisi nimittäin myös lopettaessaan palauttaa jonkun arvon, jota tarvitsisimme ohjelmassamme. Tällaisista aliohjelmista puhutaan luvussa 9. void-määrityksen jälkeen aliohjelmalle on annettu nimeksi PiirraLumiukko.

Aliohjelman nimen jälkeen ilmoitetaan sulkeiden sisässä aliohjelman parametrit. Jokaista parametria ennen on ilmoitettava myös parametrin tietotyyppi. Parametrinä annettiin lumiukon alimman pallon x- ja y-koordinaatit. Molempien tietotyyppi on double, joten myös vastinparametrien tyyppien tulee olla double. Annetaan myös nimet kuvaavasti x ja y.

Vielä kertauksena esittelyrivin sanat:

Koska päätimme kutsua aliohjelmaa 3:lla todellisella parametrilla tyyliin:

on esittelyrivillä oltava kolme muodollista parametria samassa järjestyksessä ja esiteltynä vastaavan tyyppisinä muuttujina. Toki 200 on kokonaisluku, mutta kokonaisluku voidaan sijoittaa reaalilukuun ja siksi yleiskäyttöisyyden vuoksi tässä tapauksessa x ja y on esitelty reaalilukuina. Tämä ansiosta aliohjelmaa voitaisiin kutsua myös:

Tietotyypeistä voit lukea lisää kohdasta 7.2 ja luvusta 8.

Itse asiassa edellä kutsussa oleva this on tyyppiä Lumiukot joka on peritty luokasta PhysicsGame, mutta koska PhysicsGame periytyy tavallisesta pelistä Game, voidaan sekä Lumiukot että PhysicsGame-tyyppinen muuttuja sijoittaa Game-tyyppiselle muuttujalle. Aliohjelman esittelyrivillä voitaisiin toki esitellä peli myös Lumiukot tai PhysicsGame-tyyppiseksi, mutta tällöin aliohjelmalla ei voitaisi piirtää lumiukkoa Game-tyyppiseen (Game-luokasta perittyyn) peliin. Eli tässä on kyseessä vähän samanlainen yleistys kuin se että 200 (kokonaisluku) voidaan sijoittaa reaaliluku- tyyppiseen muuttujaan (double).

Aliohjelmakutsulla ja aliohjelman määrittelyllä on siis hyvin vahva yhteys keskenään. Aliohjelmakutsussa annetut tiedot (todelliset parametrit) "sijoitetaan" kullakin kutsukerralla aliohjelman määrittelyrivillä esitellyille vastinparametreille (muodolliselle parametrille). Toisin sanoen aliohjelmakutsun yhteydessä tapahtuu väljästi sanottuna seuraavaa.

aliohjelman peli = this;
aliohjelman x = 200;
aliohjelman y = Level.Bottom + 300;

Voimme nyt kokeilla ajaa ohjelmaamme. Se toimii (lähtee käyntiin), mutta ei tietenkään vielä piirrä lumiukkoja, eikä pitäisikään, sillä luomamme aliohjelma on "tyhjä" (tynkä). Lisätään aaltosulkujen väliin varsinainen koodi, joka pallojen piirtämiseen tarvitaan.

Pieni muutos aikaisempaan versioon kuitenkin tarvitaan. Rivit, joilla pallot lisätään kentälle, muutetaan muotoon

missä pisteiden paikalle tulee pallo-olion muuttujan nimi. Tämä siksi, että oikeastaan alkuperäisessä lumiukon piirtämisessä meidän olisi pitänyt kirjoittaa aina:

Alkuperäisessä lumiukossa kirjoitimme Lumiukko luokan omaa metodia Begin ja siinä halusimme sanoa, että pallot lisätään nimenomaan tähän (this) peliin (peliolioon, joka on Lumiukko luokan ilmentymä). Useissa oliokielissä viitattaessa olion omiin metodeihin (tässä Add) tai attribuutteihin, voidaan this jättää kirjoittamatta, tai sen saa kirjoittaa. Tässä jokainen voi valita oman tyylinsä, mutta tässä monisteessa this jätetään usein kirjoittamatta. Nyt vastaavasti PiirraLumiukko aliohjelma ei ole minkään olion oma aliohjelma (static aiheuttaa tämän), ja siksi sille täytyy viedä parametrina tieto siitä, mihin peliin haluamme lumiukon piirtää. Meidän esimerkissämme veimme parametrina nimenomaan tuon this -arvon. Siksi meidän esimerkissämme aliohjelmaa suoritettaessa

on juurikin

Lopuksi Begin-metodi ja PiirraLumiukko -aliohjelma kokonaisena:

Varsinaista aliohjelman toiminnallisuutta kirjoittaessa käytämme nyt parametreille antamiamme nimiä. Alimman ympyrän keskipisteen koordinaatit saamme nyt suoraan parametreista x ja y, mutta muiden ympyröiden keskipisteet meidän täytyy laskea alimman ympyrän koordinaateista. Tämä tapahtuu täysin samalla tavalla kuin aikaisemmassa esimerkissä. Itse asiassa, jos vertaa aliohjelman sisältöä edellisen esimerkin koodiin, on se täysin sama.

C#:ssa on tapana aloittaa aliohjelmien ja metodien nimet isolla kirjaimella ja nimessä esiintyvä jokainen uusi sana alkamaan isolla kirjaimella. Kirjoitustavasta käytetään termiä PascalCasing. Muuttujat kirjoitetaan pienellä alkukirjaimella, ja jokainen seuraava sana isolla alkukirjaimella: esimerkiksi double autonNopeus. Tästä käytetään nimeä camelCasing. Lisää C#:n nimeämiskäytännöistä voit lukea sivulta

http://msdn.microsoft.com/en-us/library/ms229043.aspx.

Tarkastellaan seuraavaksi mitä aliohjelmakutsussa tapahtuu.

Yllä olevalla kutsulla aliohjelman peli-nimiseen muuttujaan sijoitetaan this, eli kyseessä oleva peli, x-nimiseen muuttujaan sijoitetaan arvo 0 (liukulukuun voi sijoittaa kokonaislukuarvon) ja aliohjelman muuttujaan y arvo Level.Bottom + 200. Voisimme sijoittaa tietenkin minkä tahansa muunkin liukuluvun.

Aliohjelmakutsun suorituksessa lasketaan siis ensiksi jokaisen kutsussa olevan lausekkeen arvo, ja sitten lasketut arvot sijoitetaan kutsussa olevassa järjestyksessä aliohjelman vastinparametreille. Siksi vastinparametrien pitää olla sijoitusyhteensopivia kutsun lausekkeiden kanssa. Esimerkin kutsussa lausekkeet ovat yksinkertaisia: muuttujan nimi (this), kokonaislukuarvo (0) ja reaalilukuarvo ( Level.Bottom + 200. Jos näyttö olisi vaikkapa 800 pikseliä korkea, olisi origo, eli piste (0,0) näytön keskellä ja silloinLevel.Bottom olisi -400 ja lausekkeen arvo olisi siis -400 + 200, eli -200). Ne voisivat kuitenkin olla kuinka monimutkaisia lausekkeita tahansa, esimerkiksi näin:

Koska määrittelimme koordinaattien parametrien tyypiksi double, voisimme yhtä hyvin antaa parametreiksi mitä tahansa muitakin desimaalilukuja. Täytyy muistaa, että C#:ssa desimaaliluvuissa käytetään pistettä erottamaan kokonaisosa desimaaliosasta.

6.2.1 Valmis kokonaisuus

Kokonaisuudessaan ohjelma näyttää nyt seuraavalta:

Kutsuttaessa aliohjelmaa siirtyy ohjelman suoritus välittömästi parametrien sijoitusten jälkeen kutsuttavan aliohjelman ensimmäiselle riville ja alkaa suorittamaan aliohjelmaa kutsussa määritellyillä parametreilla. Kun päästään aliohjelman koodin loppuun, palataan jatkamaan kutsun jälkeisestä seuraavasta lauseesta. Esimerkissämme kun ensimmäinen lumiukko on piirretty, palataan tavallaan ensimmäisen kutsun puolipisteeseen, ja sitten pääohjelma jatkuu kutsumalla toista lumiukon piirtämistä.

Jos nyt haluaisimme piirtää lisää lumiukkoja, lisäisi jokainen uusi lumiukko koodia vain yhden rivin.

C#:ssa aliohjelmia ja funktioita voidaan kuormittaa (eng. overload) parametrien suhteen. Tämä tarkoittaa, että ohjelmassa voi olla monta samannimistä aliohjelmaa, joilla on eri määrä (tai eri tyyppisiä) parametreja. Lisää luvussa 6.5.

Lisätietoa aliohjelminen kirjoittamisesta löydät kurssin lisätietosivulta.

6.3 Aliohjelmien dokumentointi

Hyvän ohjelmointitavan mukaan jokaisen aliohjelman tulisi sisältää dokumentaatiokommentti. Aliohjelman dokumentaatiokommentin tulee sisältää ainakin seuraavat asiat: Lyhyt kuvaus aliohjelman toiminnasta, selitys kaikista parametreista sekä selitys mahdollisesta paluuarvosta. Nämä asiat kuvataan tagien avulla seuraavasti:

• Dokumentaatiokommentin alkuun laitetaan summary-tagien väliin lyhyt ja selkeä kuvaus aliohjelman toiminnasta.
• Jokainen parametri selitetään omien param-tagien väliin ja
• paluuarvo returns-tagien väliin.

PiirraLumiukko-aliohjelman dokumentaatiokommentit ovat edellisessä esimerkissämme riveillä 36-42.

Voit kokeilla dokumentaatiota edellisessä täydellisessä Lumiukko-esimerkissä painamalla Document-linkkiä. Sitten kokeile syntyvässä dokumentaatiossa eri linkkejä, niin näet mitä niiden takaa löytyy. Alla sama vielä kuvana.

Doxygen-työkalun (ks. http://en.wikipedia.org/wiki/Doxygen) tuottama HTML-sivu tästä luokasta näyttäisi nyt seuraavalta:

Dokumentaatiossa näkyvät kaikki luokan aliohjelmat ja metodit. Huomaa, että Doxygen nimittää sekä aliohjelmia että metodeja jäsenfunktioiksi (member functions). Kuten sanottu, nimitykset vaihtelevat kirjallisuudessa, ja tässä kohtaa käytössä on hieman C++:n nimeämistapaa muistuttava tapa. Kysymys on kuitenkin samasta asiasta, josta me tällä kurssilla käytämme nimeä aliohjelmat ja metodit.

Jokaisesta aliohjelmasta ja metodista löytyy lisäksi tarkemmat tiedot Detailed Description -kohdasta. Aliohjelman PiirraLumiukko dokumentaatio parametreineen näkyy kuvan alaosassa.

6.3.1 Huomautus

Kaikki PiirraLumiukko-aliohjelmassa tarvittava tieto välitettiin parametrien avulla, eikä aliohjelman suorituksen aikana tarvittu aliohjelman ulkopuolisia tietoja. Tämä on tyypillistä aliohjelmille ja usein lisäksi toivottava ominaisuus. Tällöin aliohjelma esitellään static -tyyppiseksi.

6.4 Aliohjelmat, metodit ja funktiot

Kuten ehkä huomasit, aliohjelmilla ja metodeilla on paljon yhteistä. Monissa kirjoissa nimitetään myös aliohjelmia metodeiksi. Tällöin aliohjelmat erotetaan olioiden metodeista nimittämällä niitä staattisiksi metodeiksi. Tässä monisteessa metodeista puhutaan kuitenkin vain silloin, kun tarkoitetaan olioiden toimintoja. Jypelin dokumentaatiosta tutkit RandomGen-luokan staattisia metodeja, joilla voidaan luoda esimerkiksi satunnaisia lukuja. Yksittäinen pallo poistettiin metodilla Destroy, joka on olion toiminto.

Aliohjelmista puhutaan tällä kurssilla, koska sitä termiä käytetään monissa muissa ohjelmointikielissä. Tämä kurssi onkin ensisijaisesti ohjelmoinnin kurssi, jossa käytetään esimerkkinä C#-kieltä. Päätavoitteena on siis oppia ohjelmoimaan ja työkaluna meillä sen opettelussa on C#-kieli, mutta C#-kielen erityisominaisuuksiin ei kurssilla juurikaan puututa.

Aliohjelmamme PiirraLumiukko ei palauttanut mitään arvoa (void). Aliohjelmaa (tai metodia), joka palauttaa jonkun arvon, voidaan kutsua myös tarkemmin funktioksi (function).

Aliohjelmia ja metodeja nimitetään eri tavoin eri kielissä. Esimerkiksi C++-kielessä sekä aliohjelmia että metodeja sanotaan funktioiksi. Metodeita nimitetään C++-kielessä tarkemmin vielä jäsenfunktioiksi, kuten Doxygen teki myös C#:n tapauksessa.

Kerrataan vielä lyhyesti aliohjelman, funktion ja metodin erot.

Aliohjelma: Yleisnimenä mikä tahansa aliohjelma, funktio tai metodi. Aliohjelma ei ota nimenä kantaa parametrien määrään tai paluuarvon tyyppiin. void-aliohjelmassa, eli aliohjelmassa joka ei palauta arvoa, voi olla return-lause, mutta sen perässä ei silloin ole lauseketta (vrt. return-lause funktiossa). Tällöin return-lauseen rooliksi jää vain hypätä aliohjelmasta pois.

Joissakin kielissä, esimerkiksi C++:ssa, kaikista aliohjelmista käytetään yleisnimeä funktio. Java-kirjallisuudessa kaikista aliohjelmista käytetään usein yleisnimeä metodi.

Tällä kurssilla käytetään yleisnimeä aliohjelma silloin kun ei erikseen haluta korostaa että kyseessä on erityisesti funktio tai metodi. Tarkennetaan funktion ja metodin käsitteitä seuraavaksi.

Erisnimenä aliohjelma tarkoittaa tällä kurssilla staattista void-tyyppistä aliohjelmaa.

Funktio: Aliohjelma, joka palauttaa arvon, esimerkiksi kahden luvun keskiarvon. Tämän määritelmän mukaan funktiossa on aina vähintään yksi return-lause, jonka perässä on lauseke, esimerkiksi return (a+b)/2.0;

Tässä määritelmässä ei oteta kantaa parametrien määrään.

Funktion on useimmiten syytä olla static. Ihannetilanteessa puhtaalla funktiolla ei ole sivuvaikutuksia, eli se ei esimerkiksi muuta parametrina vietyä taulukkoa.

Metodi: Aliohjelma, joka tarvitsee tehtävän suorittamiseksi kohteena olevan olion omia tietoja. Metodeja käytetään tällä kurssilla (esimerkiksi merkkijono.IndexOf), mutta ei tehdä itse muuten kuin peliluokan metodeja (esimerkiksi Begin). Joku voi myös mahdollisesti tehdä loppukurssilla uuden luokan, jolle sitten kirjoitetaan omia metodeja. Käytännössä metodissa tarvitaan this-viitettä ja se ei saa silloin olla static.

Metodi voi myös funktion tapaan palauttaa arvon tai void-aliohjelman tapaan olla palauttamatta.

6.4.1 Aliohjelminen kirjoittaminen

Aliohjelman kirjoittamiseksi kannattaa aina edetä seuraavasti (kunhan ensin opitaan testaaminen, TDD, Test Driven Development, huomaa että tämä on eri asia kuin debuggaaminen):

1. Jaa ongelma osiin.
2. Mieti millaisella aliohjelmakutsulla pistät tietyn osaongelman ratkaisun käyntiin.
3. Kirjoita aliohjelman kutsurivi ja mieti sen tarvitsemat parametrit.
4. Kirjoita (aluksi manuaalisesti, myöhemmin generoi automaattisesti) aliohjelman esittelyrivi (otsikkorivi, eng. header).
   • mieti tarve public, static - sanoille
   • aliohjelman paluutyyppi void vai jotakin muuta?
   • aliohjelman nimi
   • parametrin lukumäärä sama kuin kutsussa
   • parametrien tyyppi sijoitusyhteensopivaksi kutsun kanssa.
5. Tee aliohjelmasta syntaktisesti oikea tynkä joka kääntyy, esimerkiksi funktioaliohjelmassa pitää olla return-lause joka palauttaa lausekkeen (vaikka yksi luku) joka on samaa tyyppiä (tai muuntuu automaattisesti samaksi) kuin funktion tyyppi.
6. Dokumentoi aliohjelma (nyt unohda mistä sitä kutsuttiin, sitä et enää saa ajatella).
7. Kirjoita testit (TDD).
8. Aja testit (pitää "feilata" = NÄE PUNAISTA).
9. Muuta aliohjelma toimivaksi
10. Aja testit (toista kohdat 8-10 kunnes toimii, = NÄE VIHREÄÄ)
11. Siirry seuraavaan aliohjelmaan.

Lue lisää dokumentista Aliohjelmien kirjoittaminen.

Edellä on kirjoitettu yleinen "resepti" aliohjelminen kirjoittamiseksi. Siinä puhutaan testeistä, mutta tämän kurssin tiedoilla voidaan testejä tehdä vain funktioille, joista puhutaan tässä dokumentissa myöhemmin luvussa Aliohjelman paluuarvo. Pelkästään tulostavia ohjelmia ei osata testata tämän kurssin tiedoilla. Eli em. "reseptiä" voidaan kunnolla tällä kurssilla soveltaa vasta funktioiden opiskelun jälkeen.

Toki edellisen tehtävän kaltaiset aliohjelmat eivät ole järkeviä, vaan järkevämpää olisi viedä aliohjelmille parametrina että mitä pitää tulostaa.

6.4.2 Tehtävä: Termistöä

6.5 Aliohjelman kuormittaminen

C#:ssa aliohjelmia ja funktioita voidaan kuormittaa (eli antaa lisää "kuormaa" samalle nimelle, engl. overload) parametrien suhteen. Tämä tarkoittaa sitä, että ohjelmassa voi olla monta samannimistä aliohjelmaa, joilla on eri määrä parametreja tai parametrit ovat eri tyyppisiä. Tätä voidaan hyödyntää siten, että se funktio joka ottaa enemmän parametreja, osaa tehdä enemmän tai tarkemmin asioita kuin vähemmän parametreja ottava funktio.

6.5.1 Yksinkertaisin esimerkki

Otetaan aluksi mahdollisimman yksinkertainen esimerkki kuormittamisesta. Käytetään tapauksena funktioita, jotka osaavat lisätä lukuja toisiinsa.

Tehdään aluksi funktio, joka palauttaa kahden luvun summan.

    public static double Summa(double a, double b)
    {
        return a + b;
    }

Tätä voitaisiin kutsua esimerkiksi Main-pääohjelmasta kirjoittamalla

        double summa = Summa(5, 10.5);

Sitten keksimme, että hei, tarvitsemme myös funktion, joka osaa summata kolme lukua, ja haluaisimme kutsua sitä kirjoittamalla

Kirjoitetaan samanniminen funktio, mutta annetaan sille funktion määrittelyrivillä (esittelyrivillä, otsikkorivillä, eng. header row tai function signature) kolme parametria kahden sijaan. Toteutetaan funktio myös saman tien.

Mutta nyt huomaamme, että meillä on melkein sama koodi näissä kahdessa funktiossa. Muutetaan ensimmäistä funktiota siten, että kutsutaan ensimmäisestä funktiosta (joka osaa vähemmän) toista funktiota (joka osaa enemmän). Annetaan kolmanneksi summattavaksi luvuksi (siis kolmanneksi parametriksi) 0.

Tämän esimerkin avulla näimme yksinkertaisella tavalla sen, mitä kuormittaminen tarkoittaa. Seuraava esimerkki valottaa kuormittamisen hyötyjä paremmin.

6.5.2 Vakiokokoinen lumiukko vs ukon koko parametrina

Voimme luoda vakiokokoisen lumiukon seuraavalla aliohjelmalla.

Voimme kutsua tätä aliohjelmaa Begin:stä vaikkapa seuraavasti.

Mutta entäs jos haluaisimmekin piirtää tämän lisäksi joskus eri kokoisiakin ukkoja? Toisin sanoen voisi olla tarve, että PiirraLumiukko tekisi meille "vakiokokoisen" ukkojen lisäksi myös halutessamme jonkun muun kokoisen ukkelin. Kutsut Begin:ssä voisivat näyttää tältä.

Mutta nyt kääntäjä antaa esimerkiksi virheilmoituksen

No overload for method 'PiirraLumiukko' takes 4 arguments.

Joten kirjoitetaan uusi aliohjelma, jonka nimeksi tulee PiirraLumiukko (kyllä, samanniminen), mutta peli-parametrin ja paikan lisäksi parametrina annetaan myös alapallon säde.

Siirretään nyt koodi alkuperäisestä aliohjelmasta tähän uuteen, ja laitetaan pallojen säde riippumaan parametrina annetusta säteestä. Lisäksi laitetaan keski- ja yläpallon paikat riippumaan pallojen koosta! Uusi (neljäparametrinen) aliohjelma näyttäisi nyt seuraavalta.

Nyt voimme kutsua kolmeparametrisesta PiirraLumiukko-aliohjelmasta tuota "versiota", joka osaa tehdä asioita enemmän ilman, että copy-pastetamme koodia.

.

7. Muuttujat

Muuttujat (variable) toimivat ohjelmassa tietovarastoina erilaisille asioille. Muuttuja on kuin pieni laatikko, johon voidaan varastoida asioita, esimerkiksi lukuja, sanoja, tietoa ohjelman käyttäjästä ja paljon muuta. Proseduaalisissa kielissä ilman muuttujia järkevä tiedon käsittely olisi oikeastaan mahdotonta. Funktio-ohjelmoinnissa tosin asiat ovat hieman toisin. Olemme jo ohimennen käyttäneetkin muuttujia, esimerkiksi Lumiukko-esimerkissä teimme PhysicsObject-tyyppisiä muuttujia p1, p2 ja p3. Vastaavasti PiirraLumiukko-aliohjelman parametrit (Game peli, double x, double y) ovat myös muuttujia: Game-tyyppinen oliomuuttuja peli, sekä double-alkeistietotyyppiset muuttujat x ja y.

Termi muuttuja on lainattu ohjelmointiin matematiikasta, mutta niitä ei tule kuitenkaan sekoittaa keskenään - muuttuja matematiikassa ja muuttuja ohjelmoinnissa tarkoittaa hieman eri asioita. Tulet huomaamaan tämän seuraavien kappaleiden aikana.

Muuttujien arvot tallennetaan keskusmuistiin tai rekistereihin, mutta ohjelmointikielissä voimme antaa kullekin muuttujalle nimen (identifier), jotta muuttujan arvon käsittely olisi helpompaa. Muuttujan nimi onkin ohjelmointikielten helpotus, sillä näin ohjelmoijan ei tarvitse tietää tarvitsemansa tiedon keskusmuisti- tai rekisteriosoitetta, vaan riittää muistaa itse nimeämänsä muuttujan nimi. [VES]

Koska kääntäjän pitää osata varata muuttujalle oikean kokoinen muistialue, pitää muuttujalle esitellä myös tyyppi. Muuttujan tyyppiä tarvitaan myös siksi, että tiedetään miten muistipaikkaan tallennettua tietoa pitää käsitellä. Jotta ymmärtäisimme erilaisien tietotyyppien erilaisia tallennustapoja, tutustumme myöhemmin muun muassa binäärilukuihin. Esimerkiksi kahdeksan bitin yhdistelmä, eli tavu 01000001 voidaan tulkita esimerkiksi kirjaimeksi A tai etumerkittömäksi kokonaisluvuksi 65.

Esimerkiksi lauseessa Console.WriteLine(a) ei voitaisi tietää mitä pitää tulostaa, mikäli ei tiedetä muuttujan a tyyppiä. Aivan vastaavasti kuin lauseesta kuusi palaa, ei voida tietää mitä sillä tarkoitetaan jos asiayhteys ei ole selvillä.

7.1 Muuttujan määrittely

Kun matemaatikko sanoo, että "n on yhtä suuri kuin 1", tarkoittaa se, että tuo termi (eli muuttuja) n on jollain käsittämättömällä tavalla sama kuin luku 1. Matematiikassa muuttujia voidaan esitellä tällä tavalla "häthätää".

Ohjelmoijan on kuitenkin tehtävä vastaava asia hieman tarkemmin. C#-kielessä tämä tapahtuisi kirjoittamalla seuraavasti:

Ensimmäinen rivi tarkoittaa väljästi sanottuna, että "lohkaise pieni pala - johon mahtuu int-kokoinen arvo - säilytystilaa tietokoneen muistista, ja käytä siitä jatkossa nimeä n". Toisella rivillä julistetaan, että "talleta arvo 1 muuttujaan, jonka nimi on n, siten korvaten sen, mitä kyseisessä säilytystilassa mahdollisesti jo on".

Merkki = on sijoitusoperaattori ja siitä puhutaan enemmän myöhemmässä luvussa.

Mikä sitten on tuo edellisen esimerkin int?

C#:ssa jokaisella muuttujalla täytyy olla tietotyyppi (usein myös lyhyesti tyyppi). Tietotyyppi on määriteltävä, jotta ohjelma tietäisi, millaista tietoa muuttujaan tullaan tallentamaan. Toisaalta tietotyyppi on määriteltävä siksi, että ohjelma osaa varata muistista sopivan kokoisen lohkareen muuttujan sisältämää tietoa varten. Esimerkiksi int-tyypin tapauksessa tilantarve olisi 32 bittiä (4 tavua), byte-tyypin tapauksessa 8 bittiä (1 tavu) ja double-tyypin 64 bittiä (8 tavua). Muuttuja määritellään (declare) kirjoittamalla ensiksi tietotyyppi ja sen perään muuttujan nimi. Muuttujan nimet aloitetaan C#:ssa pienellä kirjaimella, jonka jälkeen jokainen uusi sana alkaa aina isolla kirjaimella. Kuten aiemmin mainittiin, tämä nimeämistapa on nimeltään camelCasing.

Tuo mainitsemamme int on siis tietotyyppi, ja int-tyyppiseen muuttujaan voi tallentaa kokonaislukuja. Muuttujaan n voimme laittaa lukuja 1, 2, 3, samoin 0, -1, -2, ja niin edelleen, mutta emme lukua 0.1 tai sanaa "Moi". Mutta mitä ikinä laitammekin, niin muuttujassa voi olla vain yksi arvo kerrallaan. Kun muuttujaan sijoitetaan uusi arvo, ei edelliseen arvoon pääse enää mitenkään käsiksi.

Henkilön iän voisimme tallentaa seuraavaan muuttujaan:

Huomaa, että tässä emme aseta muuttujalle mitään arvoa, vain määrittelemme muuttujan int-tyyppiseksi ja annamme sille nimen.

Samantyyppisiä muuttujia voidaan määritellä kerralla useampia erottamalla muuttujien nimet pilkulla. Tietotyyppiä double käytetään, kun halutaan tallentaa desimaalilukuja.

Määrittely onnistuu toki myös erikseen (joka on jopa suositeltavampi tapa):

Muuttujaan voi asettaa arvon myös jo määrittelyn yhteydessä. Tällöin puhutaan arvon alustamisesta. Huomattakoon että arvo voi tulla myös lausekkeen tuloksena.

muuttujanTietotyyppi muuttujanNimi = VAKIO;
muuttujanTietotyyppi muuttujanNimi = lausekeJokaTuottaaArvon;

Muuttujalle sijoitettavan arvon (tai lausekkeen arvon) tulee olla tyypiltään sellainen, että se voidaan sijoittaa muuttujaan. Yksinkertaisiin lainausmerkkeihin kirjoitettu kirjain on arvo, joka voidaan sijoittaa char-tyyppiseen muuttujaan. Esimerkiksi int-tyyppiseen muuttujaan ei voi sijoittaa reaalilukua:

mutta reaalilukuun voi sijoittaa kokonaisluvun

Huomattakoon, että reaalilukujen (mm. double) desimaalierottimen ohjelmakoodissa on aina piste (.) eikä tuhaterottimia käytetä.

7.2 Alkeistietotyypit

C#:n tietotyypit voidaan jakaa alkeistietotyyppeihin (primitive types, perustyyppi, perustietotyyppi) ja oliotietotyyppeihin (reference types). Oliotietotyyppeihin kuuluu muun muassa käyttämämme PhysicsObject-tyyppi, jota pallot p1 jne. olivat, sekä merkkijonojen tallennukseen tarkoitettu string-olio. Oliotyyppejä käsitellään myöhemmin luvussa 8.

Eri tietotyypit vaativat eri määrän kapasiteettia tietokoneen muistista. Vaikka nykyajan koneissa on paljon muistia, on hyvin tärkeää valita oikean tyyppinen muuttuja kuhunkin tilanteeseen. Suurissa ohjelmissa ongelma korostuu hyvin nopeasti käytettäessä muuttujia, jotka kuluttavat tilanteeseen nähden kohtuuttoman paljon muistikapasiteettia. C#:n alkeistietotyypit on lueteltu alla.

Taulukko 1: C#:n alkeistietotyypit koon mukaan järjestettynä.

Tällä kurssilla tärkeimmät alkeistietotyypit ovat: bool, char, int ja double. Huomaa että vaikka bool on informaatiosisältönä 1 bittiä, vie se muistia kuitenkin yhden tavun, eli 8 bittiä.

Tässä monisteessa suositellaan, että desimaalilukujen talletukseen käytetään aina double-tietotyyppiä (jossain tapauksissa jopa decimal-tyyppiä), vaikka monessa muussa lähteessä float-tietotyyppiä käytetäänkin. Tämä johtuu siitä, että liukuluvut, joina desimaaliluvut tietokoneessa käsitellään, ovat harvoin tarkkoja arvoja tietokoneessa. Itse asiassa ne ovat tarkkoja vain kun ne esittävät jotakin kahden potenssin yhdistelmiä, kuten esimerkiksi 2.0, 7.0, 0.5 tai 0.375.

Useimmiten liukuluvut ovat pelkkiä approksimaatioita oikeasta reaaliluvusta. Esimerkiksi lukua 0.1 ei pystytä tietokoneessa esittämään biteillä tarkasti perustietotyypeillä. Tällöin laskujen määrän kasvaessa lukujen epätarkkuus vain lisääntyy. Tämän takia onkin turvallisempaa käyttää aina double-tietotyyppiä, koska se suuremman bittimääränsä takia pystyy tallettamaan enemmän merkitseviä desimaaleja.

Tietyissä sovelluksissa, joissa mahdollisimman suuri tarkkuus on välttämätön (kuten pankki- tai nanotason fysiikkasovellukset), on suositeltavaa käyttää korkeimpaa mahdollista tarkkuutta tarjoavaa decimal-tyyppiä. Reaalilukujen esityksestä tietokoneessa puhutaan lisää kohdassa 26.6. [VES][KOS]

Seuraavassa esimerkki mitä tapahtuu, kun lasketaan yhteen kaksi liian isoa kokonaislukua tai muuten lisätään muuttujaa liikaa.

7.3 Arvon asettaminen muuttujaan

Muuttujaan asetetaan arvo sijoitusoperaattorilla (assignment operator) =. Lauseita, joilla asetetaan muuttujille arvoja, sanotaan sijoituslauseiksi (assignment statement). On tärkeää huomata, että sijoitus tapahtuu aina oikealta vasemmalle: sijoitettava on yhtäsuuruusmerkin oikealla puolella ja kohde merkin vasemmalla puolella.

Huomaa että reaalilukuvakioissa käytetään desimaalipistettä, ei pilkkua.

Muuttuja täytyy olla määritelty tietyn tyyppiseksi ennen kuin siihen voi asettaa arvoa. Muuttujaan voi asettaa vain määrittelyssä annetun tietotyypin mukaisia arvoja tai sen kanssa sijoitusyhteensopivia arvoja. Esimerkiksi liukulukutyyppeihin (float ja double) voi sijoittaa myös kokonaislukutyyppisiä arvoja, sillä kokonaisluvut ovat reaalilukujen osajoukko. Alla sijoitamme arvon 4 muuttujaan nimeltä luku2, ja kolmannella rivillä luku2-muuttujan sisältämän arvon (4) muuttujaan, jonka nimi on luku1.

Toisinpäin tämä ei onnistu: double-tyyppistä arvoa ei voi sijoittaa int-tyyppiseen muuttujaan. Alla oleva koodi ei kääntyisi:

Jos edellä oleva sijoitus int <- double halutaan välttämättä tehdä, niin silloin on käytettävä tyypin muunnosta eli typecastia (kokeile edelliseen, vaihda myös 4.0 tilalle 4.8). Tosin tyypinmuunnokseen turvautuminen on aina huono ratkaisu.

Kun decimal-tyyppinen muuttuja alustetaan jollain luvulla, tulee luvun perään (ennen puolipistettä) laittaa m (tai M)-merkki. Samoin float-tyyppisten muuttujien alustuksessa perään laitetaan f (tai F)-merkki ja long-tyyppisten perään L.

Huomaa, että char-tyyppiseen muuttujaan sijoitetaan arvo laittamalla merkki yksinkertaisten heittomerkkien väliin, esimerkiksi näin.

Näin sen erottaa myöhemmin käsiteltävästä string-tyyppiseen muuttujaan sijoittamisesta, jossa sijoitettava merkkijono laitetaan (kaksinkertaisten) lainausmerkkien väliin, esimerkiksi seuraavasti.

Sijoituslause voi sisältää myös monimutkaisiakin lausekkeita, esimerkiksi aritmeettisia operaatioita:

Sijoituslause voi sisältää myös muuttujia.

Eli sijoitettava voi olla mikä tahansa lauseke, joka tuottaa muuttujalle kelpaavan arvon. Yhdistämällä muuttujia ja operaatoita voi lauseke olla edellisiäkin "monimutkaisempi":

C#:ssa täytyy aina asettaa joku arvo muuttujaan ennen sen käyttämistä. Kääntäjä ei käännä koodia, jossa käytetään muuttujaa jolle ei ole asetettu arvoa. Alla oleva ohjelma ei siis kääntyisi.

Virheilmoitus näyttää tältä:

Esimerkki.cs(7,34): error CS0165: Use of unassigned local variable 'ika'

Kääntäjä kertoo, että ika-nimistä muuttujaa yritetään käyttää, vaikka sille ei ole annettu vielä mitään arvoa. Tämä ei ole sallittua, joten ohjelman kääntämisyritys päättyy tähän.

7.3.1 Sijoituksen kohde on aina vasemmalla

Muuttujan jolle sijoitetaan on lauseessa aina vasemmalla puolella. Sijoitusmerkin = oikealla puolella on jokin lauseke, jonka arvo lasketaan ennen sijoitusta ja tämä arvo sijoitetaan muuttujalle.

7.3.2 Tehtävä 7.4 a:n arvon sijoitus b:lle

7.3.3 Muuttujan arvo muuttuu vain kun siihen sijoitetaan

Muuttujan arvo muuttuu vain kun siihen sijoitetaan. Alkeismuuttujaan sijoitetaan aina arvo. Jos muuttujaan sijoitetaan toisen muuttujan arvo, niin muuttuja saa sen arvon, mikä toisella muuttujalla on sijoitushetkellä. Kokeile seuraavalla esimerkillä miten sijoituksen jälkeen i:n arvon muuttaminen ei enää vaikuta summa-muuttujaan:

7.3.3.1 Tehtävä 7.5 i:n kasvatus, mitä ohjelma tulostaa

7.4 Muuttujan nimeäminen

Muuttujan nimen täytyy olla siihen tallennettavaa tietoa kuvaava. Yleensä pelkkä yksi kirjain on huono nimi muuttujalle, sillä se harvoin kuvaa kovin hyvin muuttujaa. Kuvaava muuttujan nimi selkeyttää koodia ja vähentää kommentoimisen tarvetta. Lyhyt muuttujan nimi ei ole itseisarvo. Vielä parikymmentä vuotta sitten se saattoi olla sitä, koska se nopeutti koodin kirjoittamista. Nykyaikaisia kehitysympäristöjä käytettäessä tämä ei enää pidä paikkaansa, sillä editorit osaavat täydentää muuttujan nimen samalla kun koodia kirjoitetaan, joten niitä ei käytännössä koskaan tarvitse kirjoittaa kokonaan, paitsi tietysti ensimmäisen kerran.

Yksikirjaimisia muuttujien nimiäkin voi perustellusti käyttää, jos niillä on esimerkiksi jo matematiikasta tai fysiikasta ennestään tuttu merkitys. Nimet x ja y ovat hyviä kuvaamaan koordinaatteja. Nimi l (eng. length) viittaa pituuteen ja r (eng. radius) säteeseen. Fysikaalisessa ohjelmassa s voi hyvin kuvata matkaa.

C#:n koodauskäytänteiden mukaan muuttujan nimi alkaa pienellä kirjaimella. Jos muuttujan nimi koostuu useammasta sanasta, aloitetaan uusi sana aina isolla kirjaimella kuten alla.

C#:ssa muuttujan nimi voi sisältää ääkkösiä, mutta niiden käyttöä ei suositella, koska siirtyminen koodistosta toiseen aiheuttaa usein ylimääräisiä ongelmia.

7.4.1 C#:n avainsanat

Muuttujan nimi ei saa olla mikään ohjelmointikielen varatuista sanoista, eli sanoista joilla on C#:ssa joku muu merkitys.

Taulukko 2: C#:n avainsanat eli "varatut sanat".

7.5 Muuttujien näkyvyys

Muuttujien näkyvyydellä (eng. scope) tarkoitetaan sitä, missä tilanteessa muuttuja on käytettävissä. Jos muuttuja "on näkyvissä" (in scope), niin voimme koodissamme kyseisessä kohdassa käyttää muuttujaa.

Muuttujaa voi käyttää (lukea ja asettaa arvoja) vain siinä lohkossa, missä se on määritelty. Lohko alkaa aaltosululla { ja päättyy aaltosululla }.

Muuttujat ovat olemassa niin kauan kuin lohkosta ei olla poistuttu. Aliohjelmakutsun aikana lohkosta ei ole poistuttu, koska lohkoon palataan kun aliohjelma on suoritettu. Sisempi lohko ei myöskään aiheuta poistumista.

Muuttujan määrittelyn täytyy aina olla ennen (koodissa ylempänä) kuin sitä ensimmäisen kerran käytetään. Saman lohkon sisälläkin muuttuja tulee esitellä ennen sen käyttöä, sillä muuttuja alkaa näkyä vasta esittelynsä jälkeen.

Seuraavassa muuttujat luku ja d ovat nähtävissä ja muutettavissa vain pääohjelmassa (paitsi jos viedään C#:issa out-parametrina). Kaikki pääohjelmassa (tai missä tahansa muussakin aliohjelmassa) esitellyt muuttujat elävät pääohjelman loppusulkuun } saakka. Tässä muuttujan luku arvo kopioidaan aliohjelman vastinmuuttujaan. Aliohjelma ei mitenkään "näe" pääohjelman muuttujaa, vaan aliohjelma saa tiedokseen sille välitetyn arvon.

Aliohjelman sisällä määritelty muuttuja ei näy muissa aliohjelmissa ja sitä kutsutaan lokaaliksi muuttujaksi. Muuttujat luku ja d ovat pääohjelman (Main) lokaaleja muuttujia.

Esimerkissä parametrimuuttujan nimi on sama luku kuin pääohjelmassakin (ks. Näytä koko koodi), mutta nimi voisi olla mikä tahansa muukin. Oleellista on, että kutsussa aliohjelman vastaavassa paikassa olevaan muuttujaan sijoitetaan sama arvo kuin kutsuvassakin ohjelmassa. Vaikka muuttujaan luku sijoitettaisiin jotakin, se ei vaikuta kutsuvaan ohjelmaan, koska luku on oma lokaalimuuttuja aliohjelmassa ja on olemassa vain siihen saakka kun kunnes tullaan aliohjelman loppusulkuun }.

Edellä on käytetty tulostuksessa versiota, jossa annetaan ensin muotoilujono ja sitten muotoiltavat lausekkeet pilkuilla eroteltuna. Tästä myöhemmin lisää.

Käännettäessä ohjelma tulee varoitus siitä, että aliohjelman muuttujaa uusiarvo ei käytetä enää sen jälkeen kun sille on sijoitettu arvo. Mikäli aliohjelmaa kutsuttaisiin uudelleen, syntyisi uudelle kutsukerralla oma uusiarvo -muuttuja, eikä sillä olisi enää mitään tekemistä edellisen kutsukerran vastaavan arvon kanssa.

Edellä apumuuttuja uusiarvo on näkyvissä aliohjelmassa esittelyrivinsä jälkeen, mutta lakkaa olemasta kun tullaan aliohjelman loppusulkuun }. Tähän muuttujaan tehdyt muutokset (vaikka jossakin olisi samanniminenkin muuttuja) eivät millään tavalla vaikuta mihinkään muuhun paikkaan kuin tähän muuttujaan. Pääohjelma tai kukaan muukaan ei pääse käsiksi tähän muuttujaan millään tavalla (paitsi tässä tapauksessa kun tuo arvo riippuu parametrina tuodun luku-muuttujan arvosta).

Parametrimuuttujien muuttamista ei yleisesti pidetä hyvänä tyylinä. Jos parametrimuuttujia pitää muuttaa, parempi on tehdä niistä lokaali kopio ja muuttaa sitä, näin aliohjelman lopussa parametreilla on samat arvon kuin aliohjelmaan tultaessakin.

Tässä on edellä esitetyt aliohjelmat luokan sisällä. Kaikki muuttujat ovat lokaaleja muuttujia.

Luokan sisällä muuttuja voidaan määritellä myös niin, että se näkyy kaikkialla, siis kaikille aliohjelmille. Kun muuttuja on näkyvissä kaikille ohjelman osille, sanotaan sitä globaaliksi muuttujaksi (global variable). Globaaleja muuttujia tulee välttää aina kun mahdollista.

Edellä olevat muuttujat pisteet ja tulos ovat globaaleja muuttujia, koska ne esitellään aliohjelmien ulkopuolella. Ne ovat käytössä myös luokan ulkopuolisista luokista, koska ne on valitettavasti esitelty myös avainsanalla public. Mikäli sana static puuttuisi muuttujien esittelystä, ei niitä voisi käyttää staattisista aliohjelmista. Silloin muuttujat olisivat attribuutteja ja niiden käyttämiseksi pitäisi luoda olio, jonka sisälle attribuutit syntyvät. Tämä menee ohi tämän kurssin varsinaisesta sisällöstä.

Kokeile edellä mitä tapahtuu jos kirjoitat aliohjelmaan Muuta sijoituksen d = 4.

C# ei kuitenkaan salli sisäkkäisen lohkon käyttää samaa nimeä, mitä on käytetty ulommassa lohkossa. Kuitenkin jos globaalilla ja lokaalilla muuttujalla on sama nimi, niin lokaali muuttuja näkyy omassa lohkossaan.

Kokeile seuraavassa kommentoida pois rivi i=9 niin ohjelma kääntyy ja tulostaa pääohjelman lokaalin i:n. Jos myös rivin i=5 kommentoi pois, niin tulostuu globaali i.

Lisätietoa muuttujien näkyvyydestä löydät kurssin lisätietosivulta.

7.6 Vakiot

One man's constant is another man's variable. -Alan Perlis

Muuttujien lisäksi ohjelmointikielissä voidaan määritellä vakioita (constant). Vakioiden arvoa ei voi muuttaa määrittelyn jälkeen. C#:ssa vakio määritellään muuten kuten muuttuja, mutta muuttujan tyypin eteen kirjoitetaan lisämääre const.

Tällä kurssilla vakiot kirjoitetaan suuraakkosin siten, että sanat erotetaan alaviivalla (_). Näin ne erottaa helposti muuttujien nimistä, jotka alkavat pienellä kirjaimella. Muitakin kirjoitustapoja on, esimerkiksi Pascal Casing on toinen yleisesti käytetty vakioiden kirjoitusohje.

7.7 Operaattorit

Usein meidän täytyy tallentaa muuttujiin erilaisten laskutoimitusten tuloksia. C#:ssa laskutoimituksia voidaan tehdä aritmeettisilla operaatioilla (arithmetic operation), joista mainittiin jo kun teimme lumiukkoesimerkkiä. Ohjelmassa olevia aritmeettisia laskutoimituksia sanotaan aritmeettisiksi lausekkeiksi (arithmetic expression).

C#:ssa on myös vertailuoperaattoreita (comparison operators), loogisia operaattoreita, bittikohtaisia operaattoreita (bitwise operators), arvonmuunto-operaattoreita (shortcut operators), sijoitusoperaattori =, is-operaattori sekä ehto-operaattori ?. Tässä luvussa käsitellään näistä tärkeimmät.

7.7.1 Aritmeettiset operaatiot

C#:ssa peruslaskutoimituksia suoritetaan aritmeettisilla operaatiolla, joista + ja - tulivatkin esille aikaisemmissa esimerkeissä. Aritmeettisia operaattoreita on viisi.

Taulukko 3: Aritmeettiset operaatiot.

Huom: 18/7 = 2, jää 4. Kokonaisluvuille tehtävä jakolasku palauttaa tuon 2, kun taas jakojäännös palauttaa 4. Jakojäännöstä käytetään usein sen testaamiseen, onko luku jaollinen jollakin luvulla, esim:

7.7.2 Vertailuoperaattorit

Vertailuoperaattoreiden avulla verrataan muuttujien arvoja keskenään. Vertailuoperaattorit palauttavat totuusarvon (true tai false). Vertailuoperaattoreita on kuusi. Lisää vertailuoperaattoreista luvussa 13.

7.7.3 Arvonmuunto-operaattorit

Arvonmuunto-operaattoreiden avulla laskutoimitukset voidaan esittää tiiviimmässä muodossa: esimerkiksi ++x; (4 merkkiä) tarkoittaa samaa asiaa kuin x = x+1; (6 merkkiä). Niiden avulla voidaan myös alustaa muuttujia.

Taulukko 4: Arvonmuunto-operaattorit.

Lisäysoperaattoria (++) ja vähennysoperaattoria (--) voidaan käyttää ennen tai jälkeen muuttujan. Käytettäessä ennen muuttujaa, arvoa muutetaan ensin ja mahdollinen toiminto esimerkiksi sijoitus tai tulostus, tehdään vasta sen jälkeen. Jos operaattori sen sijaan on muuttujan perässä, toiminto tehdään (eli arvoa käytetään) ensiksi ja arvoa muutetaan vasta sen jälkeen.

7.7.4 Aritmeettisten operaatioiden suoritusjärjestys

Aritmeettisten operaatioiden presedenssi, eli missä järjestyksessä operaatiot lasketaan, on vastaava kuin matematiikan laskujärjestys. Kerto- ja jakolaskut (myös jakojäännös) suoritetaan ennen yhteen- ja vähennyslaskua. Laskujärjestystä voi muuttaa suluilla; sulkeiden sisällä olevat lausekkeet suoritetaan ensin.

7.8 Huomautuksia

7.8.1 Kokonaisluvun tallentaminen liukulukumuuttujaan

Kun yritetään tallentaa kokonaislukujen jakolaskun tulosta liukulukutyyppiseen (float tai double) muuttujaan, voi tulos tallentua kokonaislukuna, jos jakaja ja jaettava ovat molemmat kokonaislukuja (esim vakioita, joissa ei ole desimaaliosaa).

Jos kuitenkin vähintään yksi jakolaskun luvuista on desimaalimuodossa, niin laskun tulos tallentuu muuttujaan oikein.

Liukuluvuilla laskettaessa kannattaa pitää desimaalimuodossa myös luvut, joilla ei ole desimaaliosaa, eli ilmoittaa esimerkiksi luku 5 muodossa 5.0.

Kokonaisluvuilla laskettaessa kannattaa huomioida seuraava:

Kokonaisluvuilla laskettaessa lukuja ei siis pyöristetä lähimpään kokonaislukuun, vaan desimaaliosa menee C#:n jakolaskuissa ikään kuin "hukkaan". Jos sekä jakaja että jaettava ovat kokonaislukumuuttujissa, niin jakolasku siis katkeaa kokonaisluvuksi. Ongelmaa voi kiertää niin, että aloittaa koko laskutoimituksen reaaliluvulla.

7.8.1.1 Tehtävä 7.8

Alla on ensin esiteltynä kaikki vastausvaihtoehdot. Mieti ensin kysymyksien kohdalla mikä on tulos ja katso vasta sitten oikea vastaus sitten luentovideolta.

7.8.1.1.1 Mitä seuraavien lausekkeiden tulos on?

7.8.1.1.2 Mitä muuttujien arvot ovat?

7.8.2 Lisäys- ja vähennysoperaattoreista

On neljä tapaa kasvattaa luvun arvoa yhdellä.

Ohjelmoinnissa idiomilla tarkoitetaan tapaa, jolla asia yleensä kannattaa tehdä. Näistä a++ on ohjelmoinnissa vakiintunut tapa ja (yleensä) suositeltavin, siis idiomi. Kuitenkin, jos lukua a pitäisikin kasvattaa (tai vähentää) kahdella tai kolmella, ei tämä tapa enää toimisi. Seuraavassa esimerkissä tarkastellaan eri tapoja kahdella vähentämiseksi. Siihen on kolme vaihtoehtoista tapaa.

Tässä tapauksessa += -operaattorin käyttö olisi suositeltavinta, sillä lisättävä luku voi olla positiivinen tai negatiivinen (tai nolla), joten += -operaattori ei tässä rajoita sitä, millaisia lukuja a-muuttujaan voidaan lisätä.

7.8.3 Varo nollalla jakamista

Yksi yleisiä ohjelmointivirheitä on nollalla jakaminen. Tämä ei ole syntaksivirhe, koska sitä ei useinkaan voida havaita käännösaikana. Eli nollalla jakaminen on looginen, vasta ohjelman ajon aikana ilmenevä virhe. Ohjelmoijan on aina itse pidettävä ennen jakolaskua huolta siitä, että jakaja ei voi olla nolla. Tässä tosin tarvitaan apuna myöhemmin esiteltävää ehtolausetta (if):

7.8.4 Numeeristen tietotyyppien arvo-alueet

Numeeristen tietotyypin pienin ja suurin mahdollinen arvo saadaan

tietotyyppi.MinValue
tietotyyppi.MaxValue

Reaalilukutyypeille on myös

tietotyyppi.Epsilon

joka kertoo pienimmän positiivisen arvon jonka muuttuja voi saada. Tästä seuraava pienempi arvo on 0.

Näitä voidaan käyttää hyväksi esimerkiksi siten, että kun etsitään vaikkapa kokonaislukutaulukon suurinta lukua, laitetaan ehdokas funktion aluksi pienempään mahdolliseen arvoonsa, jolloin kuka tahansa "voittaa sen:

        int ehdokas = int.MinValue;

7.9 Esimerkki: Painoindeksi

Tehdään ohjelma, joka laskee painoindeksin. Painoindeksi lasketaan jakamalla paino (kg) pituuden (m) neliöllä, eli kaavalla

C#:lla painoindeksi saadaan siis laskettua seuraavasti.

Jypelin luokkaluettelo:
http://kurssit.it.jyu.fi/npo/material/latest/documentation/html/classes.html

8. Oliotietotyypit

C#:n alkeistietotyypit antavat melko rajoittuneet puitteet ohjelmointiin. Niillä pystytään tallentamaan ainoastaan lukuja (int, double, jne.), yksittäisiä merkkejä (char) ja totuusarvoja (bool). Vähänkään monimutkaisemmissa ohjelmissa kuitenkin tarvitaan kehittyneempiä rakenteita tiedon tallennukseen. C#:ssa, Javassa ja muissa oliokielissä tällaisen rakenteen tarjoavat oliot. C#:ssa jo merkkijonokin (string) toteutetaan oliona.

8.1 Mitä oliot ovat?

Olio (engl. object) on tietorakenne, jolla pyritään ohjelmoinnissa kuvaamaan reaalimaailman ilmiöitä. Luokkapohjaisissa kielissä (kuten C#, Java ja C++) olion rakenteen ja käyttäytymisen määrittelee luokka, joka kuvaa siitä luodun olion attribuutit ja metodit. Attribuutit ovat olion ominaisuuksia ja metodit olion toimintoja. Olion sanotaan olevan luokan ilmentymä. Yhdestä luokasta voi siis (yleensä) luoda useita olioita, joilla on samat ominaisuudet ja toiminnallisuudet. Attribuuttien arvot muodostavat olion tilan. Huomaa kuitenkin, että vaikka oliolla olisi sama tila, sen identiteetti on eri. Esimerkiksi, kaksi täsmälleen samannäköistä palloa voi olla samassa paikassa (näyttää yhdeltä pallolta), mutta todellisuudessa ne ovat kaksi eri palloa.

Olioita voi joko tehdä itse tai käyttää jostain kirjastosta löytyviä valmiita olioita. Omien olioluokkien tekeminen ei kuulu vielä Ohjelmointi 1 -kurssin asioihin, mutta käyttäminen kyllä. Tarkastellaan seuraavaksi luokan ja olion suhdetta, sekä kuinka oliota käytetään.

Luokan ja olion suhdetta voisi kuvata seuraavalla esimerkillä. Olkoon luentosalissa useita ihmisiä. Kaikki luentosalissa olijat ovat ihmisiä. Heillä on tietyt samat ominaisuudet, jotka ovat kaikilla ihmisillä, kuten pää, kaksi silmää ja muitakin ruumiinosia. Kuitenkin jokainen salissa olija on erilainen ihmisen ilmentymä, eli jokaisella oliolla on oma identiteetti - eiväthän he ole yksi ja sama vaan heitä on useita. Eri ihmisillä voi olla erilainen tukka ja eriväriset silmät ja oma puhetyyli. Lisäksi ihmiset voivat olla eri pituisia, painoisia jne. Luentosalissa olevat identtiset kaksosetkin olisivat eri ilmentymiä ihmisestä. Jos Ihminen olisi luokka, niin kaikki luentosalissa olijat olisivat Ihminen-luokan ilmentymiä eli Ihminen-olioita. Tukka, silmät, pituus ja paino olisivat sitten olion ominaisuuksia eli attribuutteja. Ihmisellä voisi olla lisäksi joitain toimintoja eli metodeja kuten Syo, MeneToihin, Opiskele jne. Tarkastellaan seuraavaksi hieman todellisempaa esimerkkiä olioista.

Oletetaan, että suunnittelisimme yritykselle palkanmaksujärjestelmää. Siihen tarvittaisiin muun muassa Tyontekija-luokka. Tyontekija-luokalla täytyisi olla ainakin seuraavat attribuutit: nimi, tehtava, osasto, palkka. Luokalla täytyisi olla myös ainakin seuraavat metodit: MaksaPalkka, MuutaTehtava, MuutaOsasto, MuutaPalkka. Jokainen työntekijä olisi nyt omanlaisensa Tyontekija-luokan ilmentymä eli olio.

8.2 Olion luominen

Olioviite määritellään kirjoittamalla ensiksi sen luokan nimi, josta olio luodaan. Seuraavaksi kirjoitetaan nimi, jonka haluamme oliolle antaa. Nimen jälkeen tulee yhtäsuuruusmerkki, jonka jälkeen oliota luotaessa kirjoitetaan sana new ilmoittamaan, että luodaan uusi olio. Tämä new-operaattori varaa tilan tietokoneen muistista oliota varten.

Seuraavaksi kirjoitetaan luokan nimi uudelleen, jonka perään kirjoitetaan sulkuihin mahdolliset olion luontiin liittyvät parametrit. Parametrit riippuvat siitä, kuinka luokan konstruktori (constructor, muodostaja) on toteutettu. Konstruktori on metodi, joka suoritetaan aina kun uusi olio luodaan. Valmiita luokkia käyttääkseen ei tarvitse kuitenkaan tietää konstruktorin toteutuksesta, vaan tarvittavat parametrit selviävät aina luokan dokumentaatiosta. Yleisessä muodossa uusi olio luodaan alla olevalla tavalla.

Jos olio ei vaadi luomisen yhteydessä parametreja, kirjoitetaan silloin tyhjä sulkupari.

Uusi Tyontekija-olio voitaisiin luoda esimerkiksi seuraavasti. Parametrit riippuisivat nyt siitä, kuinka olemme toteuttaneet Tyontekija-luokan konstruktorin. Tässä tapauksessa annamme nyt parametreina oliolle kaikki attribuutit.

Monisteen alussa loimme lumiukkoja piirrettäessä PhysicsObject-luokan olion seuraavasti.

Itse asiassa oliomuuttuja on C#:ssa ainoastaan viite varsinaiseen olioon. Siksi niitä kutsutaankin usein myös viitemuuttujiksi tai olioviitteeksi. Viitemuuttujat eroavat oleellisesti alkeistietotyyppisistä muuttujista.

8.3 Arvopohjaiset tietotyypit ja viitepohjaiset tietotyypit

C#:n tyyppijärjestelmä jakaa tietotyypit kahteen kategoriaan: arvopohjaisiin tyyppeihin ja viitepohjaisiin tyyppeihin.

C#:n sisäänrakennettuja arvopohjaisia tyyppejä ovat muun muassa int, double, char ja bool. Täydellisen listan näet C#:n dokumentaatiosta. Viitepohjaisia tyyppejä (tai lyhyesti viitetyyppejä) ovat taulukot, kuten int[] sekä merkkijonot, kuten string ja StringBuilder. Myös kaikki luokista tehdyt oliot, kuten PhysicsObject-oliot, ovat viitetyyppejä.

• Arvopohjaiset tyypit sisältävät datan "suoraan". Esimerkiksi lauseen int a = 3; seurauksena syntyvä muuttuja a sisältää arvon 3.

• Viitetyypit sisältävät arvon, joka on viite johonkin toiseen paikkaan muistissa. Esimerkiksi lauseen int[] taulukko = { 1, 2, 3 }; seurauksena syntyvä muuttuja taulukko sisältää viitteen toiseen sijaintiin (käytännössä osoite tietokoneen keskusmuistissa), jossa varsinainen sisältö 1, 2, 3 on.

Muuttujien luominen ohjelmassa vaatii muistitilaa tietokoneen keskusmuistista. C# varaa muistista tilaa muuttujan sisältämälle tiedolle (yllä olevassa esimerkissä 3 ja { 1, 2, 3 }) jommasta kummasta kahdesta muistialueesta: pino tai keko. Tällä kurssilla pääsääntö on seuraava: arvopohjaisten tietotyyppien data sijaitsee pinossa ja viitetyyppien data sijaitsee keossa.

Tarkasti ottaen arvopohjaisten muuttujien arvot voivat sijaita joko pinossa tai keossa riippuen siitä, missä kontekstissa muuttuja on määritelty. Esimerkiksi Henkilö-luokka (viitepohjainen, sijaitsee keossa) voisi sisältää int-tyyppisen ikä-attribuutin. Tässä tilanteessa myös ikä sijaitsisi keossa, ei pinossa.

Yleensä meidän ei tarvitse olla kovin huolissamme siitä, käytämmekö arvopohjaista tietotyyppiä vai viitetyyppiä (kuten string). Yleisesti ottaen tärkein ero on siinä, että alkeistietotyyppien tulee (tiettyjä poikkeuksia lukuun ottamatta) aina sisältää jokin arvo, mutta oliotietotyypit voivat olla null-arvoisia (eli "ei-minkään" arvoisia). Jäljempänä esimerkkejä alkeistietotyyppien ja viitetyyppien eroista.

Samaan olioon voi viitata useampi muuttuja. Vertaa alla olevia koodinpätkiä.

Yllä oleva tulostaa "10" niin kuin pitääkin. Muuttujan luku2 arvo ei siis muutu, vaikka asetamme kolmannella rivillä muuttujaan luku1 arvon 0. Tämä johtuu siitä, että toisella rivillä asetamme muuttujaan luku2 muuttujan luku1 arvon, emmekä viitettä muuttujaan luku1. Oliotietotyyppisten muuttujien kanssa asia on toinen. Vertaa yllä olevaa esimerkkiä seuraavaan:

Yllä oleva koodi piirtää seuraavan kuvan:

Nopeasti voisi olettaa, että ikkunassamme näkyisi nyt vain kaksi samanlaista ympyrää eri paikoissa. Näin ei kuitenkaan ole, vaan molemmat PhysicsObject-oliot viittaavat samaan ympyrään, jonka säde on 50. Tämä johtuu siitä, että muuttujat p1 ja p2 ovat olioviitteitä, jotka viittaavat (ts. osoittavat) samaan olioon.

PhysicsObject p2 = p1;

Toisin sanoen yllä olevalla rivillä ei luoda uutta PhysicsObject-oliota, vaan ainoastaan uusi olioviite, joka viittaa nyt samaan olioon kuin p1.

Viitteitä käsitellään tarkemmin luvussa 14.

8.4 Metodin kutsuminen

Jokaisella tietystä luokasta luodulla oliolla on käytössä kaikki tämän luokan metodit. Olion julkisia metodeja voidaan kutsua muualtakin kuin itse olion (luokan) koodista. Metodikutsussa käsketään oliota tekemään jotain. Voisimme esimerkiksi käskeä PhysicsObject-oliota liikkumaan, tai Tyontekija-oliota muuttamaan palkkaansa.

Olion metodeita kutsutaan kirjoittamalla ensiksi olion nimi, piste ja kutsuttavan metodin nimi. Metodin mahdolliset parametrit laitetaan sulkeiden sisään ja erotetaan toisistaan pilkulla. Jos metodi ei vaadi parametreja, täytyy sulut silti kirjoittaa, niiden sisälle ei vaan tule mitään. Yleisessä muodossa metodikutsu on seuraava:

Voisimme nyt esimerkiksi muuttaa akuAnkka-olion palkkaa alla olevalla tavalla.

Tai laittaa p1-olion (oletetaan, että p1 on PhysicsObject-olio) liikkeelle käyttäen Hit-metodia.

String-luokasta löytyy esimerkiksi Contains-metodi, joka palauttaa arvon True tai False. Parametrina Contains-metodille annetaan merkkijono, ja metodi etsii oliosta antamaamme merkkijonoa vastaavia ilmentymiä. Jos olio sisältää merkkijonon (yhden tai useamman kerran), palautetaan True. Muutoin palautetaan False. Alla esimerkki.

8.5 Metodin ja aliohjelman ero

Aliohjelma esitellään static-tyyppiseksi, mikäli aliohjelma ei käytä mitään muita tietoja kuin parametreina tuodut tiedot. Esimerkiksi luvussa 20.4.2 on seuraava aliohjelma.

Tässä tarvitaan hiiren tilan lisäksi pelioliossa (this) esitellyn pallo -olion tietoja, joten enää ei ole kyse staattisesta aliohjelmasta, ja siksi static-sana jätetään pois. Metodi sen sijaan pystyy käyttämään olion omia "ominaisuuksia", attribuutteja, metodeja ja ns. ominaisuus-kenttiä (property fields). Muista, että olion omiin "asioihin" voisi viitata myös:

eli jos aliohjelma tarvitsee this -viitettä, se on metodi (eli ei-staattinen).

8.6 Olion tuhoaminen ja roskienkeruu

Kun olioon ei enää viittaa yhtään muuttujaa (olioviitettä), täytyy olion käyttämät muistipaikat vapauttaa muuhun käyttöön. Oliot poistetaan muistista puhdistusoperaation avulla. Tästä huolehtii C#:n automaattinen roskienkeruu (garbage collection). Kun olioon ei ole enää viitteitä, se merkitään poistettavaksi, ja aina tietyin väliajoin puhdistusoperaatio (kutsutaan usein myös nimellä roskienkerääjä, garbage collector) vapauttaa merkittyjen olioiden muistipaikat.

Kaikissa ohjelmointikielissä näin ei ole (esim. alkuperäinen C++), vaan muistin vapauttamisesta ja olioiden tuhoamisesta tulee useimmiten huolehtia itse. Näissä kielissä on yleensä destruktori (destructor = hajottaja), joka suoritetaan aina kun olio tuhotaan. Itse kirjoitettavasta destruktorista on tapana kutsua olion elinaikanaan luomien olioiden tuhoamista tai muiden resurssien vapauttamista. Vertaa konstruktoriin, joka suoritettiin kun olio luodaan. Haastavaksi näiden kielien yhteydessä tuleekin se, että joissakin tapauksissa olioiden elinkaari on automaattista ja joissakin ei. Tästä seuraa helposti muistivuoto, eli jokin muistialue unohtuu vapauttaa, mutta siihen ei ole enää yhtään osoitinta, jolla siihen päästäisiin käsiksi ja näin muistialue jää varatuksi koko ohjelman loppuajaksi. Siksi muistivuodot ovat erittäin yleisiä aloittelevilla C++ -ohjelmoijilla. Javan ja C#:in kaltaiset kielet ovat tuoneet valtavan helpotuksen muistivuotojen välttämiseen.

Yleensä C#-ohjelmoijan ei tarvitse huolehtia muistin vapauttamisesta, mutta on tiettyjä tilanteita, joissa voidaan itse joutua poistamaan oliot. Yksi esimerkki tällaisesta tilanteesta on tiedostojen käsittely: Jos olio on avannut tiedoston, olisi viimeistään ennen olion tuhoamista järkevää sulkea tiedosto. Tällöin samassa yhteydessä olion tuhottavaksi merkitsemisen kanssa suoritettaisiin myös tiedoston sulkeminen. Tämä tehdään esittelemällä hajotin (destructor), joka on luokan metodi, ja jonka tehtävänä on tyhjentää olio kaikesta sen sisältämästä tiedosta sekä vapauttaa sen sisältämät rakenteet, kuten kytkökset avoinna oleviin resursseihin (esim tiedostoon, tosin yleensä tiedostoa ei ole hyvä pitää avoinna niin kauan aikaa kuin jonkin olion elinkaari voi olla).

8.7 Olioluokkien dokumentaatio

Luokan dokumentaatio sisältää tiedot luokasta, luokan konstruktoreista ja metodeista. Luokkien dokumentaatioissa on yleensä linkkejä esimerkkeihin, kuten myös String-luokan tapauksessa. Tutustutaan nyt tarkemmin String-luokan dokumentaatioon. String-luokan dokumentaatio löytyy sivulta https://learn.microsoft.com/en-us/dotnet/api/system.string?view=net-7.0, jossa on muun muassa lista jäsenistä eli käytössä olevista konstruktoreista, attribuuteista (fields), ominaisuuksista (property) ja metodeista.

Olemme kiinnostuneita tässä vaiheessa kohdista String Constructor ja String Methods (sivun vasemmassa osassa hierarkiapuussa). Klikkaa kohdasta String Constructor saadaksesi lisätietoa luokan konstruktoreista tai String Methods saadaksesi tietoja käytössä olevista metodeista.

8.7.1 Konstruktorit

Avaa luokan String sivu String Constructor. Tämä kohta sisältää tiedot kaikista luokan konstruktoreista. Konstruktoreita voi olla useita, kunhan niiden parametrit eroavat toisistaan. Jokaisella konstruktorilla on oma sivu, ja sivulla kunkin ohjelmointikielen kohdalla oma versionsa, sillä .NET Framework käsittää useita ohjelmointikieliä. Me olemme luonnollisesti tässä vaiheessa kiinnostuneita vain C#-kielisistä versioista.

Kunkin konstruktorin kohdalla on lyhyesti kerrottu mitä se tekee, ja sen jälkeen minkä tyyppisiä ja montako parametria konstruktori ottaa vastaan. Kaikista konstruktoreista saa lisätietoa klikkaamalla konstruktorin esittelyriviä. Esimerkiksi linkki

[C#] public String(char[]);

vie sivulle (http://msdn.microsoft.com/en-us/library/ttyxaek9.aspx) jossa konstruktorista

    public String(char[]) 

kerrotaan lisätietoja ja annetaan käyttöesimerkkejä.

Huomaa, että monet String-luokan konstruktoreista on merkitty unsafe-merkinnällä, jolloin niitä ei tulisi käyttää omassa koodissa. Tällaiset konstruktorit on tarkoitettu ainoastaan järjestelmien keskinäiseen viestintään.

Tässä vaiheessa voi olla vielä hankalaa ymmärtää kaikkien konstruktorien merkitystä, sillä ne sisältävät tietotyyppejä, joita emme ole vielä käsitelleet. Esimerkiksi tietotyypin perässä olevat hakasulkeet (esim. int[]) tarkoittavat, että kyseessä on taulukko. Taulukoita käsitellään lisää luvussa 15.

String-luokan olio on C#:n ehkä yleisin olio, ja on itse asiassa kokoelma (taulukko) perättäisiä yksittäisiä char-tyyppisiä merkkejä. Se voidaan luoda seuraavasti.

Näin kirjoittaminen on tietenkin usein melko vaivalloista. String-luokan olio voidaan kuitenkin poikkeuksellisesti luoda myös alkeistietotyyppisten muuttujien määrittelyä muistuttavalla tavalla. Alla oleva lause on vastaava kuin edellisessä kohdassa, mutta lyhyempi kirjoittaa.

Huomaa, että merkkijonon ympärille tulee lainausmerkit. Näppäimistöltä lainausmerkit saadaan näppäinyhdistelmällä Shift+2. Vastaavasti merkkijono voitaisiin kuitenkin alustaa myös muilla String-luokan konstruktoreilla, joita on pitkä lista.

Jos taas tutkimme PhysicsObject-luokan dokumentaatiota (löytyy osoitteesta http://kurssit.it.jyu.fi/npo/material/latest/documentation/html/ -> Luokat -> Luokkalista -> Jypeli -> PhysicsObject), löydämme useita eri konstruktoreita (ks. kohta Staattiset julkiset jäsenfunktiot, jotka alkavat sanalla PhysicsObject). Konstruktoreista järjestyksessä toinen saa parametreina kaksi lukua ja muodon. Tätä konstruktoria käytimme jo lumiukkoesimerkissä.

Voisimme kuitenkin olla antamatta muotoa (ensimmäinen konstruktori) ja määritellä muodon vasta myöhemmin fysiikkaolion Shape-ominaisuuden avulla.

8.7.2 Harjoitus

Tutki muita konstruktoreja. Mitä niistä selviää dokumentaation perusteella? Mikä on oletusmuoto?

8.7.3 Metodit

Kohta Methods (http://msdn.microsoft.com/en-us/library/system.string_methods.aspx) sisältää tiedot kaikista luokan metodeista. Jokaisella metodilla on taulukossa oma rivi, ja rivillä lyhyt kuvaus, mitä metodi tekee. Klikattuasi jotain metodia saat siitä tarkemmat tiedot. Tällä sivulla kerrotaan mm. minkä tyyppisen parametrin metodi ottaa, ja minkä tyyppisen arvon metodi palauttaa. Esimerkiksi String-luokassa käyttämämme ToUpper-metodi, joka siis palauttaa String-tyyppisen arvon.

8.7.4 Huomautus: Luokkien dokumentaatioiden googlettaminen

Huomaa, että kun haet luokkien dokumentaatioita hakukoneilla, saattavat tulokset viitata .NET Frameworkin vanhempiin versioihin (esimerkiksi 1.0 tai 2.0). Kirjoitushetkellä uusin .NET versio on 6, ja onkin syytä varmistua, että löytämäsi dokumentaatio koskee juuri oikeaa versiota. Voit esimerkiksi käyttää hakutermissä versionumeroa tähän tapaan: "c# string documentation .net 6". Versionumeron näkee otsikon alapuolella. Voit halutessasi vaihtaa johonkin toiseen versioon klikkaamalla Other Versions -pudotusvalikkoa.

8.8 Tyyppimuunnokset

C#:ssa yhteen muuttujaan voi tallentaa vain yhtä tyyppiä. Tämän takia meidän täytyy joskus muuttaa esimerkiksi String-tyyppinen muuttuja int-tyyppiseksi tai double-tyyppinen muuttuja int-tyyppiseksi ja niin edelleen. Kun muuttujan tyyppi vaihdetaan toiseksi, sanotaan sitä tyyppimuunnokseksi (cast, tai type cast).

Kaikilla alkeistietotyypeillä sekä C#:n oliotyypeillä on ToString-metodi, jolla olio voidaan muuttaa merkkijonoksi. Alla esimerkki int-luvun muuttamisesta merkkijonoksi.

Merkkijonon muuttaminen alkeistietotyypiksi onnistuu sen sijaan jokaiselle alkeistietotyypille tehdystä luokasta löytyvällä metodilla. Alkeistietotyypithän eivät ole olioita, joten niillä ei ole metodeita. C#:sta löytyy kuitenkin jokaista alkeistietotyyppiä vastaava rakenne (struct), josta löytyy alkeistietotyyppien käsittelyyn hyödyllisiä metodeita. Rakenteet sijaitsevat System-nimiavaruudessa, ja tästä syystä ohjelman alussa tarvitaan lause

Alkeistietotyyppejä vastaavat rakenteet löytyvät seuraavasta taulukosta.

Taulukko 5: Alkeistietotyypit ja niitä vastaavat rakenteet.

Huomaa, että rakenteen ja alkeistietotyypin nimet ovat C#:ssa synonyymejä. Seuraavat rivit tuottavat saman lopputuloksen (mikäli System-nimiavaruus on otettu käyttöön using-lauseella).

Vastaavasti kaikki rakenteiden metodit ovat käytössä, kirjoittipa alkeistietotyypin tai rakenteen nimen. Tästä esimerkki seuraavaksi.

Merkkijonon (String) muuttaminen int-tyypiksi onnistuu C#:n int.Parse-funktiolla seuraavasti.

Tarkasti sanottuna Parse-funktio luo parametrina saamansa merkkijonon perusteella uuden int-tyyppisen tiedon, joka talletetaan muuttujaan luku2.

Jos luvun parsiminen (jäsentäminen, muuttaminen) ei onnistu, aiheuttaa se niin sanotun poikkeuksen. double-luvun parsiminen onnistuu vastaavasti Double-rakenteesta (iso D-kirjain) löytyvällä Parse-funktiolla.

Käytännössä jos tieto saadaan ihmisen syöttämänä, niin on erittäin todennäköistä, että se ei muodosta laillista numeroa. Siksi usein kannattaa käyttää funktiota TryParse:

Asiaa vielä monimutkaistaa se, että käyttöjärjestelmän desimaalierotin saattaa olla pilkku (,) tai piste (.).

9. Aliohjelman paluuarvo

Aliohjelmat-luvussa tekemämme Lumiukko-aliohjelma ei palauttanut mitään arvoa. Usein on kuitenkin hyödyllistä, että lopettaessaan aliohjelma palauttaa jotain tietoa aliohjelman suorituksesta. Mitä hyötyä olisi esimerkiksi aliohjelmasta, joka laskee kahden luvun keskiarvon, jos emme koskaan saisi tietää mikä niiden lukujen keskiarvo on? Voisimmehan me tietenkin tulostaa luvun keskiarvon suoraan aliohjelmassa, mutta lähes aina on järkevämpää palauttaa tulos "kysyjälle" paluuarvona. Tällöin aliohjelmaa voidaan käyttää myös tilanteessa, jossa keskiarvoa ei haluta tulostaa, vaan sitä tarvitaan johonkin muuhun laskentaan. Paluuarvon palauttaminen tapahtuu return-lauseella, ja return-lause lopettaa aina aliohjelman suorittamisen (eli palataan takaisin kutsuvaan ohjelman osaan).

Yleensä aliohjelmaa joka palauttaa arvon, sanotaan funktioksi.

9.1 Keskiarvon laskeva funktio

Luvun sisältö videona, jota voit katsoa samaan aikaan kun luet tätä lukua:

Ennen funktion toteuttamista suunnitellaan, että sitä kutsuttaisiin seuraavasti: