主逻辑
用户行为
所有的有效输入都可以转换为”上,下,左,右,游戏重置,退出”这六种行为,用 actions 表示
actions = ['Up', 'Left', 'Down', 'Right', 'Restart', 'Exit']
有效输入键是最常见的 W(上),A(左),S(下),D(右),R(重置),Q(退出),这里要考虑到大写键开启的情况,获得有效键值列表:
# ord() 函数以一个字符作为参数,返回参数对应的 ASCII 数值,便于和后面捕捉的键位关联letter_codes = [ord(ch) for ch in 'WASDRQwasdrq']
将输入与行为进行关联:
actions_dict = dict(zip(letter_codes, actions * 2))# actions_dict 的输出结果为{87: 'Up', 65: 'Left', 83: 'Down', 68: 'Right', 82: 'Restart', 81: 'Exit', 119: 'Up', 97: 'Left', 115: 'Down', 100: 'Right', 114: 'Restart', 113: 'Exit'}
状态机
处理游戏主逻辑的时候我们会用到一种十分常用的技术:状态机,或者更准确的说是有限状态机(FSM)
你会发现 2048 游戏很容易就能分解成几种状态的转换。
state 存储当前状态, state_actions 这个词典变量作为状态转换的规则,它的 key 是状态,value 是返回下一个状态的函数:
- Init: init()
- Game
- Game: game()
- Game
- Win
- GameOver
- Exit
- Win: lambda: not_game(‘Win’)
- Init
- Exit
- Gameover: lambda: not_game(‘Gameover’)
- Init
- Exit
- Exit: 退出循环
状态机会不断循环,直到达到 Exit 终结状态结束程序。
下面我们来理清主逻辑的代码: (代码不完整的地方会在后面补全)init函数用来初始化我们的游戏棋盘,使游戏变成初始状态。
def init():''' 初始化游戏棋盘 '''return 'Game'
not_game函数表示的是游戏结束时的状态。游戏结束时,只有胜利和失败两种结果。在展示这两种结果的同时,我们还需要为玩家提供“Restart”和“Exit”功能。
def not_game(state):'''展示游戏结束界面。读取用户输入得到 action,判断是重启游戏还是结束游戏'''# defaultdict 参数是 callable 类型,所以需要传一个函数responses = defaultdict(lambda: state)# 在字典中新建两个键值对responses['Restart'], responses['Exit'] = 'Init', 'Exit'return responses[action]
这里 defaultdict 作用是生成一个特殊的字典 responses。
在普通的字典里,我们都知道如果使用字典里不存在的 key 来取 value,程序就会报错。
但在 defaultdict 生成的特殊字典里,如果要取的 key 不存在,程序不仅不会报错,还能取到一个我们设定的默认 value 值。
也就是说,在 responses 这个特殊字典里,responses[action] 在 action 为 'Restart' 、'Exit' 这两种行为时分别对应 'Init' 和 'Exit' 状态。
在 keyaction 为 actions = ['Up', 'Left', 'Down', 'Right', 'Restart', 'Exit'] 中的其他行为时,对应的都是默认的 valuestate。
这样一来,在游戏结束界面,玩家输入 r 和 q 以外的键位都不能对游戏界面造成影响。
(如果对 defaultdict 的作用仍感到疑惑,可以自己在新建一个 py 文件试试)game函数表示的是游戏进行时的状态,在不重新开始或退出的情况下,只要游戏没有胜利或失败,就会一直处于游戏状态。
def game():'''画出当前棋盘状态读取用户输入得到 action'''if action == 'Restart':return 'Init'if action == 'Exit':return 'Exit'# if 成功移动了一步:if 游戏胜利了:return 'Win'if 游戏失败了:return 'Gameover'return 'Game'
这里同样会获取用户输入得到 action。
当 action 为 'Restart'、'Exit'时会执行“Restart”、“Exit”功能。
不同的是,当 action 为 'Up'、'Left'、'Down'、'Right' 行为时,棋盘会进行相应移动一次,然后判断游戏是否结束。如果结束就返回相应的结束状态,没有结束就返回状态 'Game',表示还在游戏进行状态。
状态机循环
state_actions = {'Init': init,'Win': lambda: not_game('Win'),'Gameover': lambda: not_game('Gameover'),'Game': game}state = 'Init'# 状态机开始循环while state != 'Exit':state = state_actions[state]()
这里我们先定义了一个字典 state_actions,让 Init、Win、Gameover、Game 四个状态作为 key 对应四个函数作为 value。
因为字典 state_actionsvalue 里函数的返回值为 Init、Win、Gameover、Game、Exit中的一个。
所以状态机会一直循环,直到 state 等于 Exit 时退出。
这些就是主逻辑的主要代码:
def main(stdscr):def init():# 初始化游戏棋盘return 'Game'def not_game(state):'''画出 GameOver 或者 Win 的界面读取用户输入得到 action,判断是重启游戏还是结束游戏'''# 默认是当前状态,没有'Restart'或'Exit'行为就会一直保持当前状态responses = defaultdict(lambda: state)# 新建键值对,将行为和状态对应responses['Restart'], responses['Exit'] = 'Init', 'Exit'return responses[action]def game():# 画出当前棋盘状态# 读取用户输入得到 actionif action == 'Restart':return 'Init'if action == 'Exit':return 'Exit'# if 成功移动了一步:if 游戏胜利了:return 'Win'if 游戏失败了:return 'Gameover'return 'Game'state_actions = {'Init': init,'Win': lambda: not_game('Win'),'Gameover': lambda: not_game('Gameover'),'Game': game}state = 'Init'# 状态机开始循环while state != 'Exit':state = state_actions[state]()
用户输入处理
阻塞+循环,直到获得用户有效输入才返回对应行为:
def get_user_action(keyboard):char = "N"while char not in actions_dict:# 返回按下键位的 ASCII 码值char = keyboard.getch()# 返回输入键位对应的行为return actions_dict[char]
创建棋盘
初始化棋盘的参数,可以指定棋盘的高和宽以及游戏胜利条件,默认是最经典的 4x4 ~ 2048。
class GameField(object):def __init__(self, height=4, width=4, win=2048):self.height = height # 高self.width = width # 宽self.win_value = 2048 # 过关分数self.score = 0 # 当前分数self.highscore = 0 # 最高分self.reset() # 棋盘重置
棋盘操作
随机生成一个 2 或者 4
def spawn(self):# 从 100 中取一个随机数,如果这个随机数大于 89,new_element 等于 4,否则等于 2new_element = 4 if randrange(100) > 89 else 2# 得到一个随机空白位置的元组坐标(i,j) = choice([(i,j) for i in range(self.width) for j in range(self.height) if self.field[i][j] == 0])self.field[i][j] = new_element
按照游戏规则,这里需要在棋盘中随机找到一个空白的位置,并在这个位置上随机生成一个 2 或 4。
于是,我们用到了 random 库的 randrange 和 choice 方法。randrange 用法参考上面代码块中的注释。choice 方法会从一个非空的序列(list、str、tuple 等)中随机返回一个元素。可是我们需要知道象征着棋盘的这个二维数组的 i 和 j 才能确定棋盘上的位置。
因此,在上面的代码中,我们往 choice 方法中传入一个列表,并在列表生成式中将二维数组变成一个以 (i,j) 为元素的列表,同时排除掉非零的位置。
重置棋盘
def reset(self):# 更新分数if self.score > self.highscore:self.highscore = self.scoreself.score = 0# 初始化游戏开始界面self.field = [[0 for i in range(self.width)] for j in range(self.height)]self.spawn()self.spawn()
reset 方法在棋盘初始化的时候被调用。它的主要作用是将棋盘所有位置元素复原为 0,然后再在随机位置生成游戏初始的数值。
一行向左合并
(注:这一操作是在 move 内定义的,拆出来是为了方便阅读)
def move_row_left(row):def tighten(row):'''把零散的非零单元挤到一块'''# 先将非零的元素全拿出来加入到新列表new_row = [i for i in row if i != 0]# 按照原列表的大小,给新列表后面补零new_row += [0 for i in range(len(row) - len(new_row))]return new_rowdef merge(row):'''对邻近元素进行合并'''pair = Falsenew_row = []for i in range(len(row)):if pair:# 合并后,加入乘 2 后的元素在 0 元素后面new_row.append(2 * row[i])# 更新分数self.score += 2 * row[i]pair = Falseelse:# 判断邻近元素能否合并if i + 1 < len(row) and row[i] == row[i + 1]:pair = True# 可以合并时,新列表加入元素 0new_row.append(0)else:# 不能合并,新列表中加入该元素new_row.append(row[i])# 断言合并后不会改变行列大小,否则报错assert len(new_row) == len(row)return new_row# 先挤到一块再合并再挤到一块return tighten(merge(tighten(row)))
矩阵转置与矩阵逆转
加入这两个操作可以大大节省我们的代码量,减少重复劳动。
矩阵转置:
对于像我们棋盘一样,4 × 4 的二维矩阵,我们可以直接利用 Python 内置的 zip(*) 方法来进行矩阵转置。
def transpose(field):return [list(row) for row in zip(*field)]
矩阵逆转(不是逆矩阵):
这里只是将矩阵的每一行倒序,和逆矩阵的概念无关。
def invert(field):return [row[::-1] for row in field]
棋盘走一步
通过对矩阵进行转置与逆转,可以直接从左移得到其余三个方向的移动操作
(注:这里省略 move 函数里的部分代码)
def move(self, direction):# 创建 moves 字典,把不同的棋盘操作作为不同的 key,对应不同的方法函数moves = {}moves['Left'] = lambda field: [move_row_left(row) for row in field]moves['Right'] = lambda field: invert(moves['Left'](invert(field)))moves['Up'] = lambda field: transpose(moves['Left'](transpose(field)))moves['Down'] = lambda field: transpose(moves['Right'](transpose(field)))# 判断棋盘操作是否存在且可行if direction in moves:if self.move_is_possible(direction):self.field = moves[direction](self.field)self.spawn()return Trueelse:return False
在 moves 字典中有 Left、Right、Up、Down 四个 key 对应四种棋盘操作。
我们先判断传进来作为 key 的 direction 操作是否存在 move 字典中。如果存在的话,我们再用 move_is_possible 方法判断这个操作是否能在棋盘执行。
这两个判断都通过后,就会对棋盘进行相应移动操作。
这里的难点在于理解矩阵转置和逆转后和原矩阵的关系。如果想不明白,可以在纸上画出变化前后的矩阵对比。
判断输赢
def is_win(self):# 任意一个位置的数大于设定的 win 值时,游戏胜利return any(any(i >= self.win_value for i in row) for row in self.field)def is_gameover(self):# 无法移动和合并时,游戏失败return not any(self.move_is_possible(move) for move in actions)
在 is_win 函数方法中,我们使用了 Python 内置的 any 函数,any 接收一个可迭代对象作为参数(iterable),返回 bool 值。
这里的 any 里面嵌套了另一个 any,里层的 any 传入了每一行的元素并依次比较这一行的每个元素与 self.win_value 的大小,如果有任何一个元素大于 self.win_value,就返回 True,否则返回 False;外层的 any 传入的是矩阵每一行元素在内层 any 里处理后返回的 bool 值,如果有任何一个 bool 值为 True,外层的 any 就返回 True。is_gameover 函数用来判断游戏是否结束。当上下左右四个方向都不能移动时,游戏结束。
判断能否移动
def move_is_possible(self, direction):'''传入要移动的方向判断能否向这个方向移动'''def row_is_left_movable(row):'''判断一行里面能否有元素进行左移动或合并'''def change(i):# 当左边有空位(0),右边有数字时,可以向左移动if row[i] == 0 and row[i + 1] != 0:return True# 当左边有一个数和右边的数相等时,可以向左合并if row[i] != 0 and row[i + 1] == row[i]:return Truereturn Falsereturn any(change(i) for i in range(len(row) - 1))# 检查能否移动(合并也可以看作是在移动)check = {}# 判断矩阵每一行有没有可以左移动的元素check['Left'] = lambda field: any(row_is_left_movable(row) for row in field)# 判断矩阵每一行有没有可以右移动的元素。这里只用进行判断,所以矩阵变换之后,不用再变换复原check['Right'] = lambda field: check['Left'](invert(field))check['Up'] = lambda field: check['Left'](transpose(field))check['Down'] = lambda field: check['Right'](transpose(field))# 如果 direction 是“左右上下”即字典 check 中存在的操作,那就执行它对应的函数if direction in check:# 传入矩阵,执行对应函数return check[direction](self.field)else:return False
在 move_is_possible 函数中,我们只用实现判断能否向左移动的代码,然后同样利用矩阵的转置和逆转来转换矩阵,完成能否向其他方向移动的判断。
绘制游戏界面
(注:这一步是在棋盘类内定义的)
def draw(self, screen):help_string1 = '(W)Up (S)Down (A)Left (D)Right'help_string2 = ' (R)Restart (Q)Exit'gameover_string = ' GAME OVER'win_string = ' YOU WIN!'# 绘制函数def cast(string):# addstr() 方法将传入的内容展示到终端screen.addstr(string + '\n')# 绘制水平分割线的函数def draw_hor_separator():line = '+' + ('+------' * self.width + '+')[1:]cast(line)# 绘制竖直分割线的函数def draw_row(row):cast(''.join('|{: ^5} '.format(num) if num > 0 else '| ' for num in row) + '|')# 清空屏幕screen.clear()# 绘制分数和最高分cast('SCORE: ' + str(self.score))if 0 != self.highscore:cast('HIGHSCORE: ' + str(self.highscore))# 绘制行列边框分割线for row in self.field:draw_hor_separator()draw_row(row)draw_hor_separator()# 绘制提示文字if self.is_win():cast(win_string)else:if self.is_gameover():cast(gameover_string)else:cast(help_string1)cast(help_string2)
这部分代码的关键在于 cast 函数。在 draw 函数传入的 screen 参数表示绘画的窗体对象,这里我们先记住 screen.addstr() 的作用是绘制字符,screen.clear() 的作用是清空屏幕,达到刷新的目的。在下一部分主逻辑后面,我们再结合两部分内容来理解 curses 库的用法。
完成主逻辑
完成以上工作后,我们就可以补完主逻辑了!
def main(stdscr):def init():# 重置游戏棋盘game_field.reset()return 'Game'def not_game(state):# 根据状态画出游戏的界面game_field.draw(stdscr)# 读取用户输入得到 action,判断是重启游戏还是结束游戏action = get_user_action(stdscr)# 如果没有 'Restart' 和 'Exit' 的 action,将一直保持现有状态responses = defaultdict(lambda: state)responses['Restart'], responses['Exit'] = 'Init', 'Exit'return responses[action]def game():# 根据状态画出游戏的界面game_field.draw(stdscr)# 读取用户输入得到 actionaction = get_user_action(stdscr)if action == 'Restart':return 'Init'if action == 'Exit':return 'Exit'if game_field.move(action): # move successfulif game_field.is_win():return 'Win'if game_field.is_gameover():return 'Gameover'return 'Game'state_actions = {'Init': init,'Win': lambda: not_game('Win'),'Gameover': lambda: not_game('Gameover'),'Game': game}# 使用颜色配置默认值curses.use_default_colors()# 实例化游戏界面对象并设置游戏获胜条件为 2048game_field = GameField(win=2048)state = 'Init'# 状态机开始循环while state != 'Exit':state = state_actions[state]()curses.wrapper(main)
这里的主要内容在实验的开始就分析过了。
所以我们来结合上一部分出现的 screen.addstr() 和 screen.clear() 理解 curses 库的用法。
首先, curses.wrapper 函数会激活并初始化终端进入 ‘curses 模式’。
在这个模式下会禁止输入的字符显示在终端上、禁止终端程序的行缓冲(line buffering),即字符在输入时就可以使用,不需要遇到换行符或回车。
接着,curses.wrapper 函数需要传一个函数作为参数,这个传进去的函数必须满足第一个参数为主窗体(main window) stdscr。
在前面的代码里,可以看到我们给 curses.wrapper(main) 的 main 函数中传入了一个 stdscr。
最后,stdscr 作为 window.addstr(str)、window.clear() 方法的调用需要窗体对象(window object),在 game_field.draw(stdscr) 中传入 draw 方法中。
完整代码
#curses 用来在终端上显示图形界面import curses#random模块用来生成随机数from random import randrange, choice#collections提供了一个字典的子类defaultdict。可以指定key值不存在时,value的默认值from collections import defaultdictactions=['Up','Left','Down','Right','Restart','Exit']#ord()函数以一个字符作为参数,返回参数对应的ASCII数值,便于和后面捕捉的键位关联letter_codes = [ord(ch) for ch in 'WASDRQwasdrq']actions_dict = dict(zip(letter_codes, actions * 2))#actions_dict的输出结果为#{87: 'Up', 65: 'Left', 83: 'Down', 68: 'Right', 82: 'Restart', 81: 'Exit', 119: 'Up', 97: 'Left', 115: 'Down', 100: 'Right', 114: 'Restart', 113: 'Exit'}#矩阵转置def transpose(field):return [list(row) for row in zip(*field)]#矩阵逆转def invert(field):return [row[::-1] for row in field]#用户输入处理def get_user_action(keyboard):char = "N"while char not in actions_dict:#按下返回键位的ASCII码值char = keyboard.getch()#返回输入键位对应的行为return actions_dict[char]#创建棋盘class GameField(object):def __init__(self, height=4, width=4, win=2048):self.height = height #高self.width = width #宽self.win_value = win #过关分数self.score = 0 #当前分数self.highscore = 0 #最高分self.reset() #棋盘重置#重置棋盘def reset(self):#更新分数if self.score > self.highscore:self.highscore = self.scoreself.score = 0#初始化游戏开始界面self.field = [[0 for i in range(self.width)] for j in range(self.height)]self.spawn()self.spawn()#棋盘走一步def move(self, direction):#一行向左合并def move_row_left(row):def tighten(row):#'''把零散的非零单元挤到一块'''#先将非零的元素全拿出来加入到新列表new_row = [i for i in row if i != 0]#按照原列表的大小,给新列表后面补零new_row += [0 for i in range(len(row) - len(new_row))]return new_rowdef merge(row):#'''对邻近元素进行合并'''pair = Falsenew_row = []for i in range(len(row)):if pair:#合并后,加入乘2后的元素在0元素的后面new_row.append(2 * row[i])#更新分数self.score+=2*row[i]pair = Falseelse:#判断邻近元素能否合并if i + 1 < len(row) and row[i] == row[i + 1]:pair = True#可以合并时,新列表加入元素0new_row.append(0)else:#不能合并,新列表中加入该元素new_row.append(row[i])#断言合并后不会改变行大小,否则报错assert len(new_row) == len(row)return new_row#先挤到一块再合并再挤到一块return tighten(merge(tighten(row)))#创建moves字典,把不同的棋盘操作作为不同的key,对应不同的方法函数moves = {}moves['Left'] = lambda field: [move_row_left(row) for row in field]moves['Right'] = lambda field: invert(moves['Left'](invert(field)))moves['Up'] = lambda field: transpose(moves['Left'](transpose(field)))moves['Down'] = lambda field: transpose(moves['Right'](transpose(field)))#判断棋盘操作是否存在且可行if direction in moves:if self.move_is_possible(direction):self.field = moves[direction](self.field)self.spawn()return Trueelse:return False#判断输赢def is_win(self):#任意一个位置的数大于设定的win值时,游戏胜利return any(any(i>=self.win_value for i in row) for row in self.field)def is_gameover(self):#无法移动和合并时,游戏失败return not any(self.move_is_possible(move) for move in actions)def draw(self, screen):help_string1 = '(W)Up (S)Down (A)Left (D)Right'help_string2 = ' (R)Restart (Q)Exit'gameover_string = ' GAME OVER'win_string = ' YOU WIN!'#绘制函数def cast(string):#addstr()方法将传入的内容展示到终端screen.addstr(string + '\n')#绘制水平分割线的函数def draw_hor_separator():line = '+' + ('+------' * self.width + '+')[1:]separator=defaultdict(lambda: line)if not hasattr(draw_hor_separator,"counter"):draw_hor_separator.counter=0cast(separator[draw_hor_separator.counter])draw_hor_separator.counter+=1#绘制竖直分割线的函数def draw_row(row):cast(''.join('|{: ^5}'.format(num) if num > 0 else '| ' for num in row) + '|')#清空屏幕screen.clear()#绘制分数和最高分cast('SCORE:' + str(self.score))if 0 != self.highscore:cast('HIGHSCORE:' + str(self.highscore))#绘制行列边框分割线for row in self.field:draw_hor_separator()draw_row(row)draw_hor_separator()#绘制提示文字if self.is_win():cast(win_string)else:if self.is_gameover():cast(gameover_string)else:cast(help_string1)cast(help_string2)#随机生成一个2或者4def spawn(self):#从100中取一个随机数,如果这个随机数大于89,new_element等于4,否则等于2new_element = 4 if randrange(100) > 89 else 2#得到一个随机空白位置的元组坐标(i, j) = choice([(i, j) for i in range(self.width) for j in range(self.height) if self.field[i][j] == 0])self.field[i][j] = new_element#判断能否移动def move_is_possible(self, direction):'''传入要移动的方向判断能否向这个方向移动'''def row_is_left_movable(row):'''判断一行里面能否有元素进行左移动或合并'''def change(i):#当左边有空位(0),右边有数字时,可以向左移动if row[i] == 0 and row[i + 1] != 0:return True#当左边有一个数和右边的数相等时,可以向左合并if row[i] != 0 and row[i + 1] == row[i]:return Truereturn Falsereturn any(change(i) for i in range(len(row) - 1))#检查能否移动(合并也可以看作是在移动)check = {}#判断矩阵每一行有没有可以左移的元素check['Left'] = lambda field: any(row_is_left_movable(row) for row in field)#判断矩阵每一行有没有可以右移的元素。这里只用进行判断,所以矩阵变换之后,不用再变换复原check['Right'] = lambda field: check['Left'](invert(field))check['Up'] = lambda field: check['Left'](transpose(field))check['Down'] = lambda field: check['Right'](transpose(field))#如果direction是“左右上下”即字典check中存在的操作,那就执行它对应的函数if direction in check:#传入矩阵,执行对应函数return check[direction](self.field)else:return False#状态机def main(stdscr):def init():'''初始化游戏棋盘'''#重置游戏棋盘game_field.reset()return 'Game'def not_game(state):'''展示游戏结束界面。读取用户输入得到action,判断是重启游戏还是结束游戏'''#根据状态画出游戏的界面game_field.draw(stdscr)#读取用户输入得到action,判断是重启游戏还是结束游戏action=get_user_action(stdscr)#defaultdict参数是callable类型,所以需要传一个函数#如果没有'Restart'和'Exit'的action,将一直保持现有状态responses = defaultdict(lambda: state)#在字典中新建两个键值对responses['Restart'], responses['Exit'] = 'Init', 'Exit'return responses[action]def game():#画出当前棋盘状态#根据状态画出游戏的界面game_field.draw(stdscr)#读取用户输入得到actionaction = get_user_action(stdscr)if action == 'Restart':return 'Init'if action == 'Exit':return 'Exit'#if成功移动了一步if game_field.move(action):if game_field.is_win():return 'Win'if game_field.is_gameover():return 'Gameover'return 'Game'state_actions = {'Init': init,'Win': lambda: not_game('Win'),'Gameover': lambda: not_game('Gameover'),'Game':game}#使用颜色配置默认值curses.use_default_colors()#实例化游戏界面对象并设置游戏获胜条件为2048game_field=GameField(win=2048)state = 'Init'#状态机开始循环while state != 'Exit':state = state_actions[state]()curses.wrapper(main)
