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Es muss nicht immer Java sein: Python für mobile Anwendungen

Nokia hat mit Python für S60 eine für mobile Geräte neue Programmiersprache veröffentlicht, welche eine interessante Alternative zur herkömmlichen Softwareentwicklung in Java oder C/C++ darstellt. Wir stellen Python für S60 kurz vor und testen den Einsatz von Python sowohl für rechenintensive als auch kommunikationsorientierten Beispiele. Dabei kommen wir zum Schluss, dass sich Python vor allem für An-wendungen ohne grosse Ansprüche an die Rechenleistung und ganz allgemein für ein Rapid Prototyping eignet.

Oliver Ruf | oliver.ruf@fhnw.ch

DieVor-undNachteilevonplattformspezifischenMaschinenprogrammen, welche zum Beispieldurch Kompilation von C/C++-Programmen ent-stehen,sindhinlänglichbekannt:sehrhohePer-formanz bei mangelnder Plattformunabhängig-keit.DasProblemderfehlendenUnterstützungvonverschiedenstenProzessortypenundPlattformenistbeiderSoftware-EntwicklunginJavaweitest-gehenddurchdenEinsatzvonplattformunabhän-gigemBytecodegelöst.DieserZwischencodewirdvonderJavaVirtualMachine (VM) interpretiertoderjustintime(JIT)kompiliert.Somitreduziertsich die Plattformabhängigkeit auf die VM. DergrosseNachteildabeiistdievermindertePerfor-manzinrechenintensivenAnwendungen.

PythonistimGegensatzzuC/C++undJavaeinereineInterpretersprache.AnderebekannteInter-pretersprachen sind beispielsweise Perl, Ruby,PHPundauchBASIC.DieProgrammewerdenalsonichtkompiliert,sonderndirektzurLaufzeit in-terpretiert.Siebenötigendaher,ähnlichzuJava,eineplattformspezifischeLaufzeitumgebung,umdieProgramme,auchSkriptegenannt,auszufüh-ren.AlleinedieTatsache,dassPython-Programmeinterpretiertwerden,weistdaraufhin,dassmiteiner verminderten Performanz zu rechnen ist.WiegrossdieseEinbusseistundwelcheVorzügedurchdieVerwendungeinesInterpretersanstatteines Compilers resultieren, wollen wir hier ge-naueruntersuchen.

Erfolg durch EinfachheitBevorsicheinProgrammiererandieLösungeinesProblemsmacht,wäreeswünschenswert,dasserdie verschiedenen Vor- und Nachteile der unter-schiedlichen Programmierparadigmen und Pro-grammiersprachenimgegebenenProblemfeldun-tersucht.DennnichtimmeristderersteGriffindieSprachenkistederRichtige;doch fast immergilt,dasseinfalscherGriffspätersehrteuerbe-zahlt werden muss. Falls sich also verschiedene

Programmiersprachen anbieten, weil sie tech-nisch gut unterstützt werden und weil sich dieProgrammiererdamitwohlfühlen,sosolltensichdie Entwickler unter anderem die Frage stellen:Wieschnellundwieeffizientkannichdasgege-beneProblemmitderProgrammiersprachePlösen?Die redliche Beantwortung dieser Frage müsstezu einem Mix an Programmiersprachen führen,abhängigdavon,welchesProblemeszulösengilt.DenngewisseProgrammiersprachen,wieC/C++,bieten ein grosses Mass an Effizienz, sind aberimEntwicklungsprozessumständlichzuhandha-ben.AndereProgrammiersprachen,wiebeispiels-weise Python, punkten hier, denn der Entwick-lungsprozesses hängt dabei von verschiedenenFaktorenab,unteranderemvonderEinfachheitder Sprache, den unterstützten Konzepten, denbeiliegenden Bibliotheken und dem benötigtenAufwandumeinlauffähigesProgrammzurAus-führung zu bringen. Ein erstes Gefühl der Ein-fachheitPythonserhaltenwirdadurch,dasswirdieSeitenzahlderSprachdefinitionenvergleichen.Während für Python knapp hundert Seiten aus-reichen[PySpc],benötigtesfürJavabereitsübersechshundertSeitenumdieSprachezudefinieren[JaSpc]. Kurz zusammengefasst heisst das, dasssich keine der heute verbreiteten Programmier-sprachenineinemabsolutenSinnals„dieBeste“behauptenkann.

Um einen ersten Eindruck von Python ver-mitteln zu können, haben wir in Listing 1 denKlassikerFibonacciprogrammiert.AndersalsinvielenanderenstrukturiertenProgrammierspra-chen werden in Python die strukturellen Blöckelediglich durch das Einrücken von Zeilen defi-niertundessindkeineexplizitenKlammernoderSchlüsselwörteralsBegrenzungnötig.DieArtderEinrückungistsomitvorgegebenundkannnichtdem persönlichen Geschmack des Programmie-rersüberlassenwerden.Dieswirdvorallembeiderfor-SchleifeimBeispieldeutlichsichtbar:alle

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nachfolgendenAnweisungen,welcheeinfachein-gerückt sind, gehören zum Schleifenkörper. FürJava-oderPascal-ProgrammiereristderQuellcodeetwas gewöhnungsbedürftig aber die Lesbarkeitistinsgesamtverbessert.Esbestehtdadurchaberauch die Gefahr eines fälschlichen EinrückensundsomiteinerfehlerhaftenInterpretation.

VariablenwerdengenerelldynamischalloziertundderSpeicherautomatischverwaltet,sodasskeine explizite Instanzierung notwendig ist. Eswird auch nicht vorgeschrieben, auf welche ArtdieProgrammegeschriebenwerdenmüssen,undPython lässt dem Entwickler dadurch die Wahlfunktional,objektorientiertoderaspektorientiertzuprogrammieren.Esistsogarmöglich,diesePa-radigmenzumischen.

DieseeinfachenGrundsätzesindnichtunwe-sentlich, weil sich dadurch in kürzester Zeit einlauffähigesProgrammerstellenlässt.

WennmanalsoeinespontaneIdeehatundnurkurzmalausprobierenmöchte,obsichdieseauchalsProgrammumsetzten lässt, sowünschtman

import time

def fibonacci(n): if n == 0: return 0 elif n == 1: return 1 else: return fibonacci(n - 1) + fibonacci(n - 2)measurings = 100amount = 30totaltime = 0.0for i in range( measurings ): begin = time.clock() fibonacci(amount) end = time.clock() totaltime += end - beginaverage = 1000 * totaltime / measurings # in ms

Listing 1: Fibonacci mit Zeitmessung

sicheinenmöglichsteinfachenEntwicklungspro-zess ohne schwerfällige EntwicklungsumgebungundohnelangwierigenKompilations-undBinde-prozess.Isteinsolchernichtvorhanden,verwirftmandieIdeezuleichtoderverschiebtsieaufspä-ter.

Die Einfachheit des Python-Entwicklungs-prozesseslässtsichgutimVergleichzuJavaamStandardprogramm „Hello, World!“ zeigen. ImJava-Programm (Listing 2) benötigen wir eineineinerKlasseeingebettetenmain-ProzedurmitdementsprechendenPrint-Aufruf.

DiesesJava-ProgrammmussinderDatei«Hello.java» (entsprechend dem Klassennamen) gespei-chertunddanachkompiliertwerden.DieKompi-lationgeschiehtmitdemBefehl javacHello.java,welcher die Bytecode-Datei Hello.class erstellt.UmdasGanzedannauchauszuführen,mussmandieVMmitdemAufrufjavaHellodazuanweisen.DasResultatist,dass„Hello,World!“aufderKon-soleausgegebenwird.BeiJava-ApplikationenfürMobiltelefonemussdieFunktionzusätzlichnoch

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

Listing 2: „Hello World“ mit Java Abb. 1: „Hello, World!“ in der Python-Konsole auf einem Nokia E61

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ineinemMIDleteingebautwerden,wasweiterenAufwandbedeutet.

BeiPythonerfülltlediglicheineinzelnerBefehlnach Aufstarten des Interpreters seinen Dienst(sieheAbb.1).DieserreduzierteinitialeAufwandspieltspeziellbeikleinenApplikationeneinwich-tigesKriterium,fälltaberbeigrösserenProjektennichtmehrstark insGewicht,dadasVerhältniszum restlichen Quellcode mit dessen Zunahmeabnimmt.DahereignetsichPythonbesondersgutfürRapidPrototyping.

Wieeingangsschonangesprochen,isteinwei-teres wichtiges Merkmal von erfolgreichen Pro-grammiersprachen die Güte der zugehörigen Bi-bliotheken. Ähnlich wie die Standardbibliothekvon Java [JaLib] besitzt auch Python eine um-fangreicheStandardbibliothek [PyLib]mitvielennützlichenFunktionen.ImPython-JargonheissendieBibliothekseinheitenModuleundreichenvoneinfachen Datenstrukturen über Internet- undNetzwerk-Funktionen bis hin zu XML-ParsernundKompressionsalgorithmen.

Python für MobiltelefoneImJanuar2006veröffentlichteNokiafürdieS60Serie ihrer Mobiltelefone eine Implementierungder Programmiersprache Python in der Version2.2[SFS60].DasssichNokiageradefürPythonalsSkripting-Spracheentschiedenhatte,hängtdamitzusammen,dassPythongenerelleineSchnittstel-le zu C/C++-Programmen besitzt. Somit bestehtdie Möglichkeit, vorhandenen C++-Code in einevon Python aus aufrufbare DLL zu kompilierenunddortzuverwenden.DiePython-Implementie-rung von Nokia enthält einen Interpreter, einenGrossteilderStandardbibliothekundeinAPIfürdieGeräte.NokiastelltdieseImplementierungalsopensourceuntereinerApacheLicenseV2.0freizur Verfügung [ApLic]. Eine aktive CommunitywieauchNokiaselbstarbeitenkontinuierlichanderWeiterentwicklungderImplementierung.

Als zentrale Stelle dient der Community dieoffizielle Webseite der open-source-Projekte vonNokia[NoWik],welchealsWikirealisiertistundsomitallenBenutzerndieMöglichkeitbietet,Sei-tenändernunderweiternzukönnen.AlsSupport-und Diskussionsplattform stehen ein offiziellesForum[NoFor]undeinIRC-ChatzurVerfügung.

Eines der Kernstücke von Python für S60 istdie Nokia-API. Mit viel Aufwand hat Nokia ihreC/C++-APIsnachPythonexportiert.DieseC/C++-APIs bieten Zugriff auf die meisten FunktionendesTelefons.EntsprechendgibtesauchinPythonfürS60diverseModulefürallemöglichenFunkti-onendesentsprechendenmobilenGeräts:Modulefür GUI- und Grafik-Funktionalität, der Zugriffauf die interne Kamera, die Möglichkeit SMS-Nachrichten zu versenden, oder auch Bluetooth-Verbindungen aufzubauen sind einige Beispieledafür.

Im Gegensatz dazu sind bei Python für S60noch nicht alle Module der Standardbibliothekumgesetztworden.DieBetonungliegthierspezi-ellaufdem„nochnicht“,denndieEntwicklervonNokiaarbeitenanderErweiterungderbisherigenUmsetzungundveröffentlichenmittlerweile fastmonatlichneueVersionen.

Als konkretes Beispiel sind die XML-Funkti-onenderStandard-BibliotheknochnichtaufdemMobiltelefonverfügbar.Einübliches importxmlendetabruptmiteinemImportError.GeradehierzeigtsichdieCommunityvonderflexibelstenSei-te. Einer der interessierten Benutzer hat zu die-semZweckeinanderes freiesXML-Modul, cEle-mentTree,fürdiemobilePlattformübersetztundbietetdieseszumherunterladenaufseinerWeb-seitean[PyXml].WiediesesBeispielzeigt,füllendieBenutzerdienochvorhandenenLückendurcheigeneModuleundProgramme.Dennochbedeutetdies für den Programmierer immer zusätzlichenAufwand;vorderVerwendungeinesModulslohntessichzuüberprüfen,obesaufdermobilenPlatt-

Abb. 2: Das Nokia E61

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formverfügbarist.Fallsnicht,isteineSucheimInternetodereineeigeneAlternativenotwendig.

PyAmazonViele Leute bestellen heute ihre Bücher direktvon zuhause über das Internet. Dies tun sie vorallemdann,wennsiegenauwissen,welchesBuchsie kaufen wollen. Das gezielte und ungezielteSchmökern in Büchern ist aber nur in einer Bi-bliothekoderBuchhandlungrichtiggutmöglich.WennmannunvordemendlosenRegalstehtundvorsicheinenStapelBücherzumgleichenThemahat, so fällt es einem oft nicht einfach, sich füreinsderBücherzuentscheiden.DieserEntscheidkönntedurchvorhandene,abrufbareRezensionenbeeinflusst werden. Bei Amazon zum Beispielkönnen die Kunden direkt zu jedem Artikel eineBewertung abgeben. Gleichzeitig können andereKundendiesedannbeurteilen,obsiesinnvollundzutreffend ist, wodurch man eine ehrliche undguteRezensionaucherkennenkann.

UmsolcheRezensionenundandereBuchinfor-mationendirektimBuchladenabrufenzukönnen,habenwirunterEinsatzvonPython fürS60diekleine, mobile Applikation PyAmazon entwickelt

Abb. �: Gefundene Suchresultate zur Titelsuche „Python in a Nutshell“

Abb. 4: Daten zu einem Buch

[PyAma].PyAmazonbietetdieMöglichkeit,Buch-titelbeiAmazonabzufragen(sieheAbb.3)unddenPreis,BewertungenundandereDatenineinerbe-nutzerfreundlichen Darstellung zu präsentieren(sieheAbb.4).DurchdieEigenentwicklungunterVerwendungvonPythonhabenwirdieMöglich-keitenundGrenzenvonPythonfürS60kennenge-lerntunddasganzeopensourceProjektvonNokiagenauerunterdieLupenehmenkönnen.

DieBücherinformationenfragenwirüberdenvon Amazon angebotenen E-Commerce Dienst(ECS) ab. Dabei kann die ECS-Schnittstelle aufzwei verschiedene Arten angesprochen werden:entweder mit dem Simple Object Access Proto-col (SOAP) oder über den Representational StateTransfer (REST). Während man bei SOAP ent-sprechende Parameter in XML verpackt und andie Schnittstelle schickt, kodiert man bei REST-AbfragendiebenötigtenParameterdirekt inderURL.

InPyAmazonhabenwirunsfürdieREST-Me-thode entschieden, da die ganze Kodierung derParameterinXMLentfälltunddadurchauchwe-niger Daten übermittelt werden müssen. DieserUmstand ist speziell bei mobilen Applikationennachwievorwichtig,dadieKosten fürdenDa-tentransferrechthochsind.

Den Python-Code des Kerns der REST-Abfra-geistinListing3dargestellt.MitdemStandard-ModulurllibkannüberdieFunktionurlopen(…)einHTTP-RequestandieURLgeschicktwerden.DabeiwerdendieParameterspeziellkodiertundmittels der Variablen post_data mitgeschickt.AlsRückgabewerterhältmandanneinenDaten-stromf.MitdemanschliessendenBefehlf.read()wird die Antwort empfangen und der Variablenresponse zugewiesen. f.close() schliesst danachdieoffeneVerbindungwieder.BeidenAntwortenderECS-SchnittstellehandeltessichimmeruminXMLgespeicherteDaten.DerUmfangderAntwor-ten des Amazon-Webservices ist direkt von den

Listing �: URL-Abfrage mit dem Standard-Modul urllib

# url: URL als String# post _ data: codierte Ab-frageparameter

f = urllib.urlopen(url, post _ data)response = f.read()f.close()

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verwendeten Parametern abhängig. Die vielfäl-tigen Möglichkeiten und Kombinationen werdengut in der Amazon ECS-Dokumentation [AmECS]beschrieben.

Für eine kommunikationsorientierte Applika-tionwiePyAmazon ist Python fürS60 eine guteWahl.DadieApplikationhauptsächlichdemBe-schaffen und Darstellen von Information dientund keine rechenintensiven Verarbeitungen be-nötigt,istdiePerformanzvölligausreichend.DasAbfragenundEmpfangenderInformationenüberdasInternetbenötigtdabeidiemeisteZeit.Zudemsind alle wichtigen Funktionen in den verschie-denen Modulen vorhanden. Auch die Benutzer-schnittstelle kann mit Hilfe der Nokia-API undden vorhandenen Komponenten effizient erstelltwerden.

import mathimport time

pi = 3.14159265359measurings = 100degrees = 360degsteps = 10totaltime = 0.0for m in range( measurings ): begin = time.clock() for i in range( degrees*degsteps ): angle = (i * pi) / (180.0 * degsteps ) math.sin( angle ) math.cos( angle ) math.tan( angle ) end = time.clock() totaltime += end - begintotaltime *= 1000 # <- convert seconds to msaverage = int( totaltime / measurings )

Listing 4: Berechnung von Winkelfunktionen

Abb. 5: C++ versus Java versus Python

PerformanzDie Flexibilität einer interpretierten SprachemussüblicherweisemiteinemVerlustanPerfor-manzbezahltwerden.UmdieGrössediesesVer-lustesabschätzenzukönnen,habenwirzweiun-terschiedliche Benchmark-Programme je einmalinPython,JavaundC/C++implementiert.

Beim ersten Programm handelt sich um diemehrfacheBerechnungeinerFibonacci-Zahlmit-telseinerzweifachrekursivenFunktion(sieheLi-sting 1). Mit der Hilfsfunktion fibonacci(n) wirddien-teFibonacci-Zahlberechnet. ImHauptpro-gramm wird diese Funktion hundertmal wie-derholtaufgerufenund für jedenAufrufdieZeitgemessen. Diese Zeiten werden aufsummiert, sodassschliesslicheingemittelterWertausgegebenwerden kann. Bei diesem Programm handelt essichwenigerumeinrechenintensivesProgramm,aberdurchdieRekursionwirddieEffizienzderFunktionsaufrufeaufdieProbegestellt.

Beim zweiten Programm werden die Win-kelfunktionen Sinus, Kosinus und Tangens fürverschiedene Winkel berechnet und dabei dieRechenkapazitätausgelotet(sieheListing4).Wie-derumwirddieZeitgemessenundüberhundertIterationengemittelt.

BeideProgrammebringenwirinPython,Javaund C++ auf einem Mobiltelefon Nokia E61 zurAusführung.DasE61isteinneueresS60-GerätderdrittenGenerationundverfügtübereinenARM9-kompatiblenProzessormitetwa200MHzund25MBArbeitsspeicherfürProgramme(Abb.2).Zudemverfügt noch kaum ein Gerätemodell über eineHardwareunterstützung für Fliesskommaarith-metikunddeswegenmussdieseentwederdurchdievorhandeneFixkommaarithmetikersetztoderaufwändigemuliertwerden.

DieErgebnissediesesVersuchssindinAbb.5klar ersichtlich. Der Performanzverlust von Py-thonfürS60imVergleichzuJavaundC++istsehrdeutlich. Während die Rechenperformanz beim

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ProgrammmitdenWinkelfunktionenimVergleichmitJavaumeinenFaktorfünf,undimVergleichmitC++umfasteinenFaktorneungelittenhat,sohabendievielenrekursivenFunktionsaufrufebeiFibonaccigleichein260fachesanZeitbenötigt.

WennmanaberdenArbeitsaufwandbetrach-tet, sieht die Sache etwas anders aus. WährendmandiebeidenPython-ProgrammedirektwieinListing1resp.Listing4aufdasMobiltelefonko-pierenundausführenkann,müssendieJava-Ver-sionenzuerstineinMIDletverpacktunddannalsPaketaufdemTelefoninstalliertwerden.

Fazit und AusblickMit dem Python für S60 Projekt hat Nokia eineganzneueArtvonSoftwareentwicklungfürMobil-telefonemöglichgemacht.Mitihrergutdokumen-tiertenAPIermöglichensiedeneinfachenZugriffaufdieFunktionendesTelefons.DieUmsetzungder Python-Standardbibliothek ist im Allgemei-nensehrgut,lediglicheinigewenigeModulefeh-len noch. Durch die laufende Weiterentwicklungdes Projekts ist längerfristig damit zu rechnen,dassauchdie fehlendenModulevonNokianochumgesetzt werden. Zwischenzeitlich lassen sichdurchdieHilfederaktivenCommunitydiemei-stendieserSchwierigkeitenumgehen.

Die klare Struktur und die dynamischen Ei-genschaften dieser Programmiersprache führenschnellundeinfachzuResultatenundmansiehtwährendderEntwicklungschön,wiesichdieein-zelnenTeilezueinemGanzenzusammenfügen.EsisteineeleganteArtzuprogrammieren.

Wenn man die Performanz von kompiliertenProgrammenmitdervoninterpretiertenSkriptenvergleicht, sind die Skript-Programme deutlichlangsamer.DiegeringerePerformanzistbeivie-len, vor allem kommunikationsorientierten Ap-plikationen für den Benutzer nicht spürbar undausreichend.Bei rechenintensivenApplikationenmusssichderEntwicklerüberlegen,wiegutsichderrechenaufwändigeTeilseparierenundausla-gernlässt,sodasseralsexternesModulinC/C++realisiertwerdenkann.Währendaufhandelsüb-lichenComputerndieRechenkapazitätundSpei-chermengen auch bei Python-Programmen fürfastjedenZweckausreichendsind,fallendieRes-sourcenaufMobiltelefonenrechtknappaus.

FürgrössereProjektelohntsichdergenerelleEinsatzvonC/C++oderJava,insbesonderewenndieApplikationperformanzkritischoder rechen-intensivist.

Aus unserer Sicht eignet sich Python für S60allerdingssehrgut,umschnelleinenerstenPro-totypen einer Applikation zu erstellen. Und wersicheinmalintensivermitPythonauseinanderge-setzthat,wirdsichschnelldamitanfreundenunddie Vorzüge dieser dynamischen Programmier-sprachezuschätzenlernen.

Referenzen[AmECS] Dokumentation Amazon ECS Dienst, http://developer.

amazonwebservices.com/connect/kbcategory.jspa?

categoryID=19

[ApLic] Apache Lizenzen, http://www.apache.org/licenses

[JaLib] Dokumentation der Java-Standardbibliothek,

http://java.sun.com/j2se/1.4.2/docs/api/

[JaSpc] Java Language Specification,

http://java.sun.com/docs/books/jls/

[PyAma] PyAmazon, http://pys60.ifi.ch/PyAmazon/

[PyLib] Dokumentation der Python-Standardbibliothek,

http://docs.python.org/lib/

[PySpc] Python Language Specification,

http://docs.python.org/ref/ref.html

[PyWeb] Offizelle Python Webseite, http://www.python.org

[PyXml] cElementTree für PyS60,

http://ssalmine.googlepages.com/somepys60extensions

[NoFor] Offizielles Nokia Forum, http://discussion.forum.nokia.

com/forum/forumdisplay.php?forumid=102

[NoWik] Offizielles Nokia Wiki, http://wiki.opensource.nokia.com/

projects/Python_for_S60

[SFS60] PyS60 auf SourceForge,

http://sourceforge.net/projects/pys60/