Luku 10.3: Kamppailevia robotteja

Tästä sivusta:

Pääkysymyksiä: Tehtäisiinkö ohjelma, joka käsittelee ohjelmia? Voisivatko virtuaalirobottimme toimia jotenkin yhteen?

Mitä käsitellään? Toinen ohjelmointikieli osana tietokoneohjelmaa; "virtuaalikoneet". Pino kokoelmatyyppinä; yksinkertaisen kutsupinon toteuttaminen. Lisäharjoitusta aiemmista aiheista.

Mitä tehdään? Tutustutaan annettuun ohjelmaan ja täydennetään sitä.

Suuntaa antava työläysarvio:? Neljä, viisi, kuusi tuntia? Omaa koodattavaa on melko vähän, mutta kokonaisuuteen perehtyminen vie aikaa.

Pistearvo: Tarjolla on vain viisi C-pistettä monivalinnoista, jotka tutustuttavat varsinaiseen ohjelmointitehtävään. (Useimmille O1-opiskelijoille tämän luvun sisältö ja ohjelmointitehtävät ovat vapaaehtoisia. Jos suoritat O1:n lisäksi kurssia Ohjelmointistudio 1, huomaa, että nämä tehtävät kuuluvat sen kurssin sisältöön.)

Oheismoduulit: RobotTribes (uusi), joka tarvitsee myös Robots-moduulin.

Johdanto

Kaksi robottiheimoa kamppailevat. "Vartijat" ovat tiiviissä ryhmässä. "Tiikerit" etsivät saalista.

Tässä luvussa jatketaan aiempaa robottiteemaa ja toteutetaan keskenään nahistelevia "robottiheimoja".

Jokaisella robottiheimolla on erillinen ohjelmakoodinsa, joka määrää, miten heimon jäsenet käyttäytyvät. Kunkin heimon koodi on omassa tekstitiedostossaan, joka ei sisällä Scalaa vaan juuri tähän tarkoitukseen suunniteltua RoboSpeak-kieltä. RoboSpeak-kielinen ohjelma koostuu yksinkertaisista robottien toimintaa säätelevistä käskyistä. Esimerkiksi seuraava pieni RoboSpeak-ohjelma määrää robotin kävelemään ruudukossa pientä neljän ruudun kokoista neliötä myötäpäivään:

move     # liiku yksi ruutu eteenpäin
spin     # käänny myötäpäivään
goto 1   # siirry riville 1

RobotTribes-moduulin sisältämä Scala-sovellusohjelma lukee RoboSpeak-kielisiä ohjelmia tiedostoista, tulkitsee RoboSpeak-käskyt, tallentaa ne Scala-olioina ja ohjaa heimorobotteja käskyjen mukaisesti. Uusia heimoja voi määritellä luomalla uusia RoboSpeak-ohjelmia; Scala-koodiin ei tätä varten kosketa.

Sen lisäksi, että heimorobotit osaavat noudattaa heimonsa RoboSpeak-ohjelmaa, ne osaavat "häkätä" toisten heimojen jäseniä liittymään omaansa ja tekevätkin tätä innokkaasti. Tästä seuraa, että heimot taistelevat eloonjäämisestä kunkin heimon yrittäessä rekrytoida lisää jäseniä toisista. Alakynteen jäänyt heimo katoaa helposti tyystin, kun sen viimeisetkin jäsenet loikkaavat vahvempaan heimoon. Näet esimerkkejä heimojen välisistä kamppailuista hieman myöhemmin.

Tämän luvun rakenne

Tämän luvun pohjana on RobotTribes-oheismoduuli. Tutuksi tulleeseen tapaan ohjelmasta on annettu lähes toimintakuntoinen versio, jossa on kuitenkin ratkaisevia puutteita. Luku sisältää monivaiheisen ohjelmointitehtävän, jossa pääset korjaamaan nämä puutteet.

Aloitetaan yleiskuvalla RobotTribes-ohjelmasta.

RobotTribes-moduuli

Robots-moduulista

RobotTribes on rakennettu lukujen 8.3, 8.4 ja 9.1 Robots-moduulin varaan. Jos tuo sisältö ei ole tuttua, perehdy siihen nyt. Se on välttämätöntä esitietoa tälle luvulle.

Jos et tehnyt Robots-tehtäviä, tee ne tai käytä esimerkkiratkaisuja.

RobotTribes jakautuu kahteen pakkaukseen:

• o1.robots.tribal-pakkauksen sisältö laajentaa o1.robots-pakkauksen sisältöä heimoilla ja heimoihin kuuluvilla roboteilla.

• o1.robots.gui määrittelee graafisen sovelluksen, joka on heimoilla laajennettu versio alkuperäisestä RobotApp-sovelluksesta. Käyttöliittymä on annettu valmiina, eikä sitä käsitellä tässä sen tarkemmin.

Alla on taulukoitu o1.robots.tribal-pakkauksen keskeisin sisältö.

Komponentti	Kuvaus	Tila
luokka TribalBot	Robots-moduulin luokan RobotBrain alatyyppi. Kuvaa heimoihin kuuluvia robotteja, jotka toimivat heimonsa RoboSpeak-ohjelman mukaisesti.	annettu puutteellisena
luokka Tribe	Kuvaa robottiheimoja. Kukin Tribe-olio osaa lukea heimon RoboSpeak-ohjelmakoodin tiedostosta ja tulkita sen kyseistä ohjelmaa vastaaviksi Instruction-olioiksi. (Apunaan se käyttää RoboSpeakGrammar-luokkaa.)	valmis
piirreluokka Instruction	Kuvaa yksittäisiä RoboSpeak-ohjelman käskyjä. Kullakin näistä on execute-metodi, jota kutsumalla robotti suorittaa kyseisen käskyn. Erilaiset käskyt on toteutettu Instructionin alakäsitteinä; näitä konkreettisia luokkia ei tarvitse tässä tehtävässä tuntea tarkemmin.	valmis
luokka Frame	Kuvaa yksittäistä kehystä robotin kutsupinossa. (Tätä luokkaa tarvitaan vasta viimeisissä vaiheissa, eikä se löydy alla olevasta kaaviosta.)	valmis

 

Vaihe 1/9: Tutustu RoboSpeakiin

1. RoboSpeak-kieli on kuvattu luokan Tribe Scaladoc-dokumentaation alussa. Lue sieltä nyt ensimmäiset seitsemän kappaletta: RoboSpeak, Action Instructions, An Introductory Example, Basic Logic, Labels, Comments and Whitespace ja Pacifist Tribes. Loput kappaleet voit jättää toistaiseksi lukematta.

2. Vastaa seuraaviin kysymyksiin. Valitse kussakin kohdassa ne vaihtoehdot, jotka vastaavat kyseisen RoboSpeak-ohjelman kuvaaman heimon toimintaa. Vastaa sen mukaan, miten annettu koodi toimii; älä huomioi mahdollisuutta että toimiva robotti itse saattaa tulla "häkätyksi" ja vaihtaa heimoa.

Kysymys 1

spin
goto 1

Heimon jäsenet pysyvät aina samassa ruudussa.

Heimon jäsenet kääntyvät aina samaan suuntaan.

Kysymys 1

iffriend 7
ifwall 5
move
goto 1
spin
goto 1
spin
goto 7

Heimon jäsenet pysyvät aina samassa ruudussa.

Kaikki heimon jäsenet pyörivät aina samaan suuntaan silloin, kun kääntyvät.

Heimon jäsenet pyörähtävät sivusuuntaan kohdatessaan seinän.

Heimon jäsenet pyörähtävät 180 astetta ympäri kohdatessaan seinän.

Heimon jäsenet lakkaavat liikkumasta ruudusta toiseen, kun kohtaavat seinän.

Heimon jäsenet lakkaavat liikkumasta ruudusta toiseen, kun kohtaavat toisen samaan heimoon kuuluvan.

Kysymys 1

start:
  ifnempty turn
  move
  goto start

turn:
  ifrandom noswitch
  switch
noswitch:
  spin
  goto start

Heimon jäsenet liikkuvat ruudusta eteenpäin aina kun mahdollista.

Heimon jäsenet pysyvät aina samassa ruudussa.

Heimon jäsenet kääntyvät aina samaan suuntaan.

Heimon jäsenet lakkaavat liikkumasta ruudusta toiseen, kun kohtaavat seinän.

Heimon jäsenet pyörähtävät sivusuuntaan kohdattuaan seinän.

Heimon jäsenet vaihtavat pyörimissuuntaa aina kohdattuaan seinän.

Heimon jäsenet lakkaavat liikkumasta ruudusta toiseen, kun kohtaavat toisen samaan heimoon kuuluvan.

Vaihe 2/9: Heimot liikkeelle

1. Tutustu huolellisesti TribalBot-luokan dokumentaatioon ja ohjelmakoodiin sekä piirreluokan Instruction dokumentaatioon.

2. Toteuta puuttuvista osista tässä vaiheessa moveBody-metodi.

   • Käytä apuna TribalBot-luokan nextInstruction-muuttujaa.

   • Huomaa hyödyntää Instruction-olion execute-metodin palauttamaa arvoa.

   • Kirjoita metodiin jo myös asiaankuuluva hack-metodin kutsu. Se ei tosin vielä tee mitään, koska tuon metodin toteutus on tyhjä.

Vaihe 3/9: Testaillaan

Nyt on käypä aika kokeilla RoboSpeak-ohjelmia käytännössä.

1. Käynnistä TribalApp-sovellus ja luo erilaisia robotteja valmiina tarjolla olevista heimoista.

   • Samalla kun kokeilet niitä, tutustu niiden RoboSpeak-koodiin, joka löytyy tribes-kansiosta moduulin sisältä.

   • Robotit liikkuvat mutta eivät vielä hyökkää toisten heimojen kimppuun. (Valmiista heimoista Patroller-heimo ei myöskään liiku oikein, koska aliohjelmakutsuja ei ole vielä toteutettu.)

2. Kokeile itse luoda pikkuinen RoboSpeak-koodinpätkä:

   • Kirjoita joitakin RoboSpeak-käskyjä (esim. move, spin, uturn, goto) mytribe.tribe-nimiseen tiedostoon tribes-kansioon.

   • Jos haluat valita robotille kuvan, sijoita samaan kansioon myös vastaava PNG-kuvatiedosto nimellä mytribe.png. Joitakin valmiita kuvavaihtoehtoja löytyy extra_pics-alikansiosta, mutta muitakin saa käyttää.

3. Palauta ratkaisusi ennen kuin jatkat seuraaviin vaiheisiin.

A+ esittää tässä kohdassa tehtävän palautuslomakkeen.

Vaihe 4/9: Lisää toiminnallisuutta

1. Jos et ole vielä lukenut Tribe-luokan Scaladocista kappaleita Memory Slots, Radar Commands ja Hacking and Talking, niin lue ne nyt.

2. Toteuta TribalBot-luokkaan metodi determineTribe. Luokan muut metodit tarvitsevat sitä pystyäkseen erottamaan vihollisen ystävästä.

   • Huomaa, että parametrina voi olla mikä tahansa RobotBrain. Kuitenkaan kaikilla RobotBraineillä ei ole tribe-muuttujaa.

   • Metodin voi toteuttaa esimerkiksi match-käskyllä, joka tutkii parametrin dynaamista tyyppiä; vrt. luku 7.3.

3. Toteuta metodi isFriend.

   • Käytä determineTribeä ja etsi hyödyllisiä välineitä TribalBot-luokasta muutenkin.

   • Tämän tehtyäsi robottien pitäisi pysähtyä vihollisen kohdalla, mutta ne eivät tee vastaantulijalle mitään.

4. Täydennä metodi talk

   • Käytä samaan luokkaan valmiiksi toteutettuja metodeita, niin tästä metodista tulee hyvin yksinkertainen.

5. Toteuta longRadar.

   • Millä luvun 6.3 kokoelmametodeista tuo metodi on helppo toteuttaa, kunhan ensin pyydät robottimaailmalta luettelon kaikista sen sisältämistä roboteista?

6. Toteuta directedRadar.

   • Sen voi toteuttaa esimerkiksi suodattamalla shortRadarin palauttamia robotteja niin, että vain sopivat jäävät.

Voit nyt kokeilla RoboSpeak-ohjelmissasi käskyjä talk, shout, enemiesnear, friendsnear, foddernear, fodderleft, score, friendsdir ja enemiesdir, joihin tekemäsi muutokset vaikuttavat.

Vaihe 5/9: Häkkääminen

1. Toteuta hack-metodi. Käytä taas apuna muita TribalBot-luokasta löytyviä metodeita.

2. Kokeile TribalApp-ohjelman käyttöä uudestaan. Havainnoi, miten heimot kamppailevat keskenään. Kokeile erilaisia skenaarioita yläreunan valikosta. Kamppailuta esimerkiksi Tiger- ja Guardian-heimoja vastakkain.

3. Palauta ohjelmasi ja jatka sitten tehtävän seuraaviin vaiheisiin.

A+ esittää tässä kohdassa tehtävän palautuslomakkeen.

Vaihe 6/9: Aliohjelmakutsut: pohjustus

RoboSpeak-käskyt callsub ja return eivät vielä toimi, mutta pian pääset korjaamaan asian. Tutustu ensin aiheeseen lukemalla Tribe-luokan Scaladoc-dokumentaatiosta kohta Subprograms ja vastaa alla oleviin heimontulkintakysymyksiin.

Kysymys 1

set hackline 4
callsub 8
goto 2
switch
set hackline 1
callsub 8
goto 6
move
spin
return

Osa heimon jäsenistä pyörii myötäpäivään, osa vastapäivään.

Kaikki heimon jäsenet pyörivät myötäpäivään.

Kaikki heimon jäsenet pyörivät vastapäivään.

Heimon jäsenet pyörivät välillä myötäpäivään, välillä vastapäivään.

Kysymys 2

label1:
  callsub check
  goto mem
  move
  ifrandom 7
  spin
  goto label1
  ifwall label2
  iffriend label2
  move
  goto label1

label2:
  spin
  goto label2

check:
  score
  iflt radar -3 22
  set mem 4
  return
  set mem 8
  return

Heimon jäsenet pysyvät aina vain liikkeessä (eli vaihtavat sijaintia).

Heimon jäsenet pyrkivät suojautumaan, kun heimo on riittävästi tappiolla.

Koko heimon taktiikka säilyy samana koko pelin ajan.

Heimon jäsenet pyrkivät liikkumaan kohti vihollisheimon jäseniä, jos vihollisia on yli kolme.

Heimon jäsenet tekevät valintoja sen perusteella, onko lähistöllä yli kolme vihollista.

Jotta saat metodit toteutettua, on tarpeen lisätä kullekin heimorobotille oma kutsupino. Kutsupinossa robotti pitää kirjaa siitä, mitkä aliohjelmakutsut ovat käynnissä ja mihin kohtaan kustakin kutsusta palataan.

TribalBots-moduulissa on valmiina tarjolla luokka Frame, joka kuvaa yksinkertaisia kutsupinon kehyksiä. Tutustu siihen.

Periaatteessa voisimme kuvata kutsupinoa esimerkiksi Buffer[Frame]-tyyppisellä kokoelmalla. Käytetään nyt kuitenkin kokoelmatyyppiä, joka sopii vielä täsmällisemmin juuri pinorakenteen kuvaamiseen.

Vaihe 7/9: Johdanto Stack-luokkaan

Kutsupino on esimerkki yleisemmästä pinon (stack) käsitteestä. Pino noudattaa LIFO-periaatetta (last in, first out):

• lisäys tehdään laittamalla uusi alkio "pinon päälle",

• poisto tehdään poistamalla "pinon päältä" viimeiseksi lisätty alkio.

Pinojen yhteydessä lisäämisestä käytetään usein termiä push ja poistamisesta termiä pop.

Tutustu Scalan Stack-luokkaan lukemalla seuraava esimerkki. Voit tietysti myös kokeille REPLissä itse.

import scala.collection.mutable.Stackval sanapino = Stack[String]()sanapino: Stack[String] = Stack()
sanapino.push("eka")res0: Stack[String] = Stack(eka)
sanapino.push("toka")res1: Stack[String] = Stack(toka, eka)
sanapino.push("kolmas")res2: Stack[String] = Stack(kolmas, toka, eka)
sanapino.pop()res3: String = kolmas
sanapino.pop()res4: String = toka
sanapino.push("neljäs")res5: Stack[String] = Stack(neljäs, eka)
sanapino.pop()res6: String = neljäs
sanapino.pop()res7: String = eka
sanapino.pop()java.util.NoSuchElementException: empty collection
...
sanapino.isEmptyres8: Boolean = true

Vaihe 8/9: Kutsupino käyttöön

TribalBot-luokkaan on jo määritelty callStack-muuttuja, joka on tyyppiä Stack[Frame] eli kehyksiä sisältävä pino. Annettu koodi ei kuitenkaan hyödynnä sitä.

Toteuta metodit callSubprogram ja returnFromSubprogram. Käytä apuna callStack-muuttujaa ja sen osoittamaa Stack[Frame]-oliota

Voit sitten kokeilla toteutuksesi toimivuutta Patroller-heimolla tai jollakin itse laatimallasi RoboSpeak-ohjelmalla.

Vaihe 9/9: Loppu

1. Pohdi, mitä yhteistä on RobotTribes-ohjelmalla ja virtuaalikoneilla (luku 5.4). Voit myös pohtia, millä tavoin RoboSpeak muistuttaa konekieliä. Selvitä internetistä vaikkapa, millaisia hyppykäskyjä konekielissä on.

2. Palauta ratkaisusi.

A+ esittää tässä kohdassa tehtävän palautuslomakkeen.

Lisätehtäviä

Pieni lisätehtävä täsmäkielistä

RoboSpeakia voi kutsua täsmäkieleksi eli DSL:ksi (domain-specific language). Selvitä, mitä tällä tarkoitetaan. Millaisiin tarkoituksiin täsmäkieliä käytetään? Onko RoboSpeak sisäinen (internal) vai ulkoinen (external) DSL? Voisiko play-funktiolle välitettäviä merkkijonoja kutsua täsmäkielisiksi?

collect-metodi

Metodissa shout on käytetty collect-nimistä kokoelmien metodia. Selvitä internetin avulla, mitä tuo metodi tekee ja miten sitä on tässä käytetty.

Hankalia lisätehtäviä robottiheimoista

1. Tutustu Tribe.scala-tiedoson sisältöön. Selvitä, millaisen käsitehierarkian sinne kirjatut Instruction-tyypin alatyypit muodostavat.

2. Tutustu RoboSpeakGrammar-tiedoston sisältöön. Selvitä, miten RoboSpeak-rivien jäsentäminen toimii. Apuna voit käyttää Scala Parser Combinators -kirjaston dokumentaatiota (jonka esimerkit on harmi kyllä toistaiseksi kirjoitettu Scala 2:lla).

3. Ideoi ja toteuta jokin oma uusi käsky RoboSpeakiin. Lisää käskysi RoboSpeakin kielioppiin ja kirjoita sitä kuvaava Instruction-alatyyppi.

4. Lisää roboteille mahdollisuus käyttää aliohjelmissa paikallisia muuttujia, joiden arvoista pidetään kirjaa robotin kutsupinon kehyksissä eli Frame-olioissa.

Palaute

Huomaathan, että tämä on henkilökohtainen osio! Vaikka olisit tehnyt lukuun liittyvät tehtävät parin kanssa, täytä palautelomake itse.

Ajankäyttö: (*) Pakollinen

Kirjoita alle, kuinka monta minuuttia olet käyttänyt kokonaisuudessaan oppimateriaalin tähän lukuun (materiaalin lukeminen, tehtävien tekeminen jne.). Viidentoista minuutin tai puolen tunnin tarkkuus riittää hyvin.

Sanallinen kommentti tai kysymys:

Sanallinen palaute ei ole pakollista. Kysy silti mieluusti jotain, anna palautetta tai pohdiskele! (Oikea paikka kiireellisille keskeneräisen tehtävän ratkaisemiseen liittyville pyynnöille on kuitenkin harjoitusryhmä tai Piazza, sillä emme välttämättä ehdi reagoida näihin palautteisiin kierroksen ollessa auki.)

Tekijät

Tämän oppimateriaalin kehitystyössä on käytetty apuna tuhansilta opiskelijoilta kerättyä palautetta. Kiitos!

Materiaalin luvut tehtävineen ja viikkokoosteineen on laatinut Juha Sorva.

Liitesivut (sanasto, Scala-kooste, usein kysytyt kysymykset jne.) on kirjoittanut Juha Sorva sikäli kuin sivulla ei ole toisin mainittu.

Tehtävien automaattisen arvioinnin ovat toteuttaneet: (aakkosjärjestyksessä) Riku Autio, Nikolas Drosdek, Kaisa Ek, Joonatan Honkamaa, Antti Immonen, Jaakko Kantojärvi, Niklas Kröger, Kalle Laitinen, Teemu Lehtinen, Mikael Lenander, Ilona Ma, Jaakko Nakaza, Strasdosky Otewa, Timi Seppälä, Teemu Sirkiä, Anna Valldeoriola Cardó ja Aleksi Vartiainen.

Lukujen alkuja koristavat kuvat ja muut vastaavat kuvituskuvat on piirtänyt Christina Lassheikki.

Yksityiskohtaiset animaatiot Scala-ohjelmien suorituksen vaiheista suunnittelivat Juha Sorva ja Teemu Sirkiä. Teemu Sirkiä ja Riku Autio toteuttivat ne apunaan Teemun aiemmin rakentamat työkalut Jsvee ja Kelmu.

Muut diagrammit ja materiaaliin upotetut vuorovaikutteiset esitykset laati Juha Sorva.

O1Library-ohjelmakirjaston ovat kehittäneet Aleksi Lukkarinen ja Juha Sorva. Useat sen keskeisistä osista tukeutuvat Aleksin SMCL-kirjastoon.

Tapa, jolla käytämme O1Libraryn työkaluja (kuten Pic) yksinkertaiseen graafiseen ohjelmointiin, on saanut vaikutteita tekijöiden Flatt, Felleisen, Findler ja Krishnamurthi oppikirjasta How to Design Programs sekä Stephen Blochin oppikirjasta Picturing Programs.

Oppimisalusta A+ luotiin alun perin Aallon LeTech-tutkimusryhmässä pitkälti opiskelijavoimin. Nykyään tätä avoimen lähdekoodin projektia kehittää Tietotekniikan laitoksen opetusteknologiatiimi ja tarjoaa palveluna laitoksen IT-tuki. Pääkehittäjänä on nyt Markku Riekkinen, jonka lisäksi A+:aa ovat kehittäneet kymmenet Aallon opiskelijat ja muut.

A+ Courses -lisäosa, joka tukee A+:aa ja O1-kurssia IntelliJ-ohjelmointiympäristössä, on toinen avoin projekti. Sen suunnitteluun ja toteutukseen on osallistunut useita opiskelijoita yhteistyössä O1-kurssin opettajien kanssa.

Kurssin tämänhetkinen henkilökunta löytyy luvusta 1.1.

Lisäkiitokset tähän lukuun

Luvussa käytetty ajatus ruudukolla keskenään taistelevista ohjelmoitavista "lajeista" on pummittu Nick Parlanten suunnittelemasta evoluutioharjoitustehtävästä.

Onni Miettinen, Niklas Koskela, Viljami Nurminen ja Rune Pönni laativat RoboSpeakiin lisäkäskyjä ja muutenkin paransivat tehtävää mm. opiskelijapalautteen perusteella.

Palautusta lähetetään...

×

Identtinen palautus

Tämä palautus on identtinen aikaisemman palautuksen kanssa. Oletko varma, että haluat lähettää palautuksen?

Peruuta Lähetä