Autor: Prof. Dr.-Ing. Enrico Schröder, OHM Technische Hochschule Nürnberg, Fakultät EFI
Willkommen zur ersten Übung zur Veranstaltung PROG3 / Teil B!
Im Laufe des Semesters werden Sie ein kleines Spiel in C++ schreiben (als Beispiel dient Asteroids - Sie können jedoch auch ein anderes Spiel entwickeln) und dabei die wichtigsten Konzepte von objektorientiertem Programmieren und C++ praktisch kennenlernen und anwenden.
Wir fangen jedoch langsam an. In diesem ersten Lab sollen Sie sich mit der Entwicklungsumgebung und den dazugehörigen Tools vertraut machen. Sie werden ihr erstes simples C++ Programm schreiben und (manuell) kompilieren. Als nächstes werden Sie mithilfe von raylib bzw. raylib-cpp Ihr erstes graphisches Programm in C++ schreiben, welches Ihren Spiel-Hintergrund anzeigt. Am Ende werden Sie sich Gedanken machen, welche logische Architektur ihr Spiel benötigt und diese als C++ Klassen implementieren.
Arbeiten Sie dieses Dokument bitte von oben nach unten komplett ab! Lesen Sie die einzelnen Abschnitte zuerst komplett durch, bevor Sie loslegen!
Um eine Übung erfolgreich zu bestehen, fertigen Sie ein Protokoll an und geben es (möglichst zeitnah) ab. In den einzelnen Aufgaben ist genauer genannt, was ins Protokoll hinein muss. Generell sollen Sie jedoch folgendes dokumentieren:
- Was haben Sie gelernt?
- Was hat funktioniert?
- Was hat nicht funktioniert?
- Was haben Sie probiert?
Die Übungen sind so konzipiert, dass sie prinzipiell auf jedem System bearbeitet werden können. Getestet wurde mit macOS sowie Ubuntu 22.04 und Windows 11. Sollten Sie eine ältere Ubuntu-Version als 22.04. haben, installieren Sie bitte die aktuelle 22.04 (es wird die leichtgewichtige Ubuntu-Variante Lubuntu empfohlen).
In diesem ersten Schritt werden wir die benötigte Software und Tools installieren.
Als Entwicklungsumgebung kommt Jetbrains CLion zum Einsatz. Stellen Sie sicher, dass Sie CLion auf Ihrem System installiert haben und ausführen können. Falls nicht, laden Sie die neuste Version hier herunter: CLion Download. Hinweis: CLion ist eine kommerzielle Software. Nutzen Sie daher zuerst die 30-tägige Demoversion. Als Studierende an der TH Nürnberg bekommen Sie eine kostenlose Studierendenlizenz, kümmern Sie sich darum aber außerhalb des Praktikums (melden Sie sich hier mit Ihrer TH-Mailadresse an: https://www.jetbrains.com/shop/eform/students/).
Wenn Sie Windows nutzen, überspringen Sie diesen Schritt (CLion bringt unter Windows einen passenden Compiler mit).
Sie benötigen einen C++ Compiler. Sie sollten aus anderen Veranstaltungen üblicherweise bereits eine lauffähige
Installation haben. Testen Sie dies, indem Sie ein Terminal/Konsole öffnen und g++ eintippen. Sie sollten eine
Ausgabe Error: no input files o.ä. sehen. In diesem Falle machen Sie mit Schritt 2 weiter!
Sehen sie etwas wie Command not found: g++, müssen Sie den Compiler erst noch installieren. Führen Sie folgenden
Befehl im Terminal aus:
- macOS:
xcode-select -install - Ubuntu:
sudo apt install build-essential
Wiederholen Sie danach das Kommando g++, es sollte nun funktionieren!
Wenn Sie macOS oder Windows nutzen, überspringen Sie diesen Schritt!
Wir benötigen noch ein paar weitere Systempakete. Führen Sie im Terminal folgendes aus:
sudo apt install libasound2-dev libx11-dev libxrandr-dev libxi-dev libgl1-mesa-dev libglu1-mesa-dev libxcursor-dev libxinerama-dev
Glückwunsch, Ihr System ist nun bereit für das erste Programm!
Schreiben und kompilieren Sie ihr erstes C++ Programm, das einfach "Hello Media Engineers" auf der Konsole ausgibt.
Öffnen Sie an dieser Stelle noch nicht CLion! Im Ordner 00_HelloMediaEngineers finden Sie eine leere C++ Datei
main.cpp. Öffnen Sie diese mit einem Texteditor und implementieren Sie, analog zur Vorlesung,
ein simples C++ Programm, das "Hello Media Engineers" auf der Konsole ausgibt.
Kompilieren Sie dieses Programm über das Terminal und führen Sie es aus! Öffnen Sie dazu ein Terminal und navigieren
in den Ordner 00_HelloMediaEngineers. Kompilieren Sie das Programm nun über den entsprechenden Kommandozeilenbefehl
und führen Sie es aus. Wenn Sie nicht wissen wie, schauen Sie ins Skript oder eine Suchmaschine! Notieren Sie die
benötigten Schritte im
Protokoll.
Hinweis für Windows-Nutzer: Falls Sie keinen Compiler auf Ihrem System installiert haben (und den integrierten Compiler in CLion nutzen möchten), müssen Sie dessen Pfad in der Kommandozeile vor den Compilerbefehl setzen (da der Compiler in diesem Fall nicht systemweit installiert ist und daher dem Terminal nicht bekannt ist). Der Pfad lautet in der Regel "C:\Program Files\JetBrains\CLion 2023.2.2\bin\mingw\bin" (nutzen Sie auch die Anführungszeichen, ansonsten kommt Windows nicht mit den Leerzeichen im Pfad klar...!).
Schreiben und kompilieren Sie ein C++ Programm, welches ein grafisches Fenster öffnet und dort den Hintergrund Ihres Spiels anzeigt.
Wir verwenden raylib bzw. raylib-cpp für Grafikausgabe. Dies ist eine s.g. Dependency (Abhängigkeit), d.h. ein externes Codemodul, welches wir in unser Projekt integrieren müssen. Vielleicht ist Ihnen das aus anderen Sprachen wie z.B. Java (packages) oder Python (modules) bereits bekannt. Da C++ eine kompilierte Sprache ist, gestaltet sich der Umgang mit externen Abhängigkeiten etwas komplizierter. Aber keine Angst, auch hier verwenden wir ein Tool, das uns das Leben einfacher macht: Cmake. In Verbindung mit CLion und der inkludierten Projektkonfiguration lädt Cmake raylib herunter und integriert es in Ihr Projekt. Sie bekommen davon im ersten Schritt normalerweise nichts mit. Wir werden aber später noch etwas mit der Cmake-Konfiguration in Kontakt kommen.
Öffnen Sie nun CLion. Bestätigen Sie die Nutzerlizenz und wählen 'Start trial'. Sie sollten den Willkommensbildschirm
sehen. Klicke Sie auf 'Open' und wählen dort den Ordner Prog3_Ueb_Asteroids_Lab01 (wo auch diese Datei liegt).
Es sollte sich der 'Open Project Wizard' öffnen:
Klicken Sie auf 'Next' und dann auf 'Finish', um die standardmäßigen Compiler-Einstellungen zu akzeptieren. Sie sollten nun in der oberen Symbolleiste ein paar Buttons vorfinden, so wie hier:
Klicken Sie nun auf den kleinen Hammer ('Build'), um das leere Programm zu kompilieren. Nach einigen Sekunden sollten Sie eine Ausgabe wie diese sehen:
...
[34/34] Linking CXX executable 01_Asteroids
Build finished
Glückwunsch, Sie haben nun Ihr erstes Programm mit CLion kompiliert. Sie können es mit dem Pfeil in der oberen Symbolleiste starten. Allerdings werden Sie noch nicht viel sehen, da es aktuell noch leer ist. Sie werden es nun mit etwas Leben füllen!
Nutzen Sie raylib-cpp, um ein leeres Fenster mit dem Hintergrundbild Ihres Spiels anzuzeigen.
Im Ordner 01_Asteroids finden Sie das Gerüst für ihr zukünftiges Spiel!
Finden Sie heraus, wie Sie ein Fenster öffnen und einen Hintergrund anzeigen. Schauen Sie dazu in die Dokumentation von raylib-cpp: https://github.com/RobLoach/raylib-cpp.
Erweitern Sie die Datei 01_Asteroids/src/main.cpp um die entsprechenden Funktionsaufrufe, sodass das Programm in
etwa so aussieht (im Ordner 01_Asteroids/resources finden Sie ein paar Grafiken für Ihr Spiel):
Notieren Sie die wichtigsten Zeilen Ihres Programms im Protokoll!
Ein kleiner Hinweis zu raylib: Dies ist eigentlich eine C-Bibliothek. Wir verwenden aber die Sprache C++ und wollen objektorientierten Code schreiben. Daher nutzen wir raylib-cpp, s.g. C++ Bindings. Diese machen die C Bibliothek nativ aus C++ heraus nutzbar (mit Klassen und Vererbung und allem drum und dran). Die Dokumentation von raylib-cpp ist nicht vollständig (da sie ja nur die Funktionen von raylib etwas "schöner" in C++ macht und man doppelte Dokumentation unbedingt vermeiden will). Sie werden daher im Laufe der Übungen öfters die Dokumentation von der Standardversion von raylib nutzen und selbständig die entsprechenden C++ Funktionsaufrufe herausfinden müssen (das ist aber meist sehr einfach!).
Machen Sie sich Gedanken über die Klassenstruktur Ihres Spiels und implementieren Sie Ihre erste Klasse.
Im Zentrum von objektorientierter Programmierung steht das Objekt, welches logisch zusammenhängende Daten, Zustände und Funktionalität kapselt. Überlegen Sie, welche Objekte es in Ihrem Spiel geben könnte und was diese tun bzw. welche Daten sie verwalten und in welcher Beziehung sie zueinander stehen. Sie können dies schon in C++ tun, können Ihre Antwort aber auch in Pseudocode oder Freitext formulieren. Auch muss die Klassenstruktur noch nicht vollständig sein (im Laufe der Übungen werden sich immer noch Erweiterungen und Änderungen ergeben)!
Notieren Sie ihre Antworten in Ihrem Protokoll!
Implementieren Sie ein erstes Objekt, das Spaceship, als C++-Klasse mit dazugehörigen Daten und Methoden. Schreiben Sie Ihre main.cpp Datei so um, dass dort eine Instanz des Objekts erstellt wird und Methoden sinnvoll aufgerufen werden, um es im Spielefenster anzuzeigen.
Fügen Sie die wichtigsten Code-Schnipsel in ihr Protokoll hinzu!
Schaffen Sie es, zu implementieren, dass das Spaceship mittels Tastatureingaben steuerbar ist?
Fügen Sie die wichtigsten Code-Schnipsel in ihr Protokoll hinzu!
Spaceship: opengameart.org, License Creative Commons 0 - Public Domain, Bullets: opengameart.org, License Creative Commons 4 - (c) @janachumi, Background: generated with Adobe Firefly, Ohmsteroid: License Creative Commons 4 - (c) E.Schröder
Code forked from Prof. Dr.-Ing. Enrico Schröder: https://github.com/enricoschroeder/Prog3_Ueb_Asteroids_Lab01