2048 是 20 岁的 Gabriele Cirulli 开发的一款数字游戏,曾风靡一时。这次实验我们用 200 行 Python 代码,在终端环境中实现一个 2048 规则的小游戏。
本节实验中将学习和实践以下知识点:
本课程通过 Python 实现了一个在终端上运行的 2048 小游戏,体现了 Python 语法的简洁和强大。适合已经有 Python 基础,想要通过挑战进一步提高自己 Python 编码能力的同学。
创建游戏文件 2048.py
首先导入需要的包:
# 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 defaultdict
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'}
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。
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-c4hRJaDl-1639661684718)(document-uid8834labid1172timestamp1468333673772.png)]
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:
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。
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-8Sd6540i-1639661684721)(uid1135941-20190917-1568702978805)]
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。
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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_actions
value 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 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'
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]()
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]
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
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 2
new_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。
def reset(self):
# 更新分数
if self.score > self.highscore:
self.highscore = self.score
self.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。
(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_row
def merge(row):
'''对邻近元素进行合并'''
pair = False
new_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 = False
else:
# 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 0
new_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)))
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:
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-BqnKTH09-1639661684723)(uid1135941-20190917-1568703017335)]
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]
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 True
else:
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。
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。
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 True
return False
return 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。
(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 action
action = get_user_action(stdscr)
if action == 'Restart':
return 'Init'
if action == 'Exit':
return 'Exit'
if game_field.move(action): # move successful
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 2048
game_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。
最后在终端运行:
$ python3 2048.py
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-eoN6vLyF-1639661684724)(document-uid600404labid1172timestamp1528193084353.png)]
(注:如果你在实验中遇到问题,可以通过对比实验开始给出的参考代码查错。)
这次实验我们用 Python 的 curses 库在终端实现了一个 2048 规则的图形界面小游戏。学习了 random 库函数 randrange、choice 和 collections 中 defaultdict 特殊字典的使用。
在实验过程中,我们仅部分使用了面向对象的开发方法。 下面为大家提供使用面向对象重构这次实验内容后的代码,作为实验的补充和思考。
Author: protream
# -*- coding: utf-8 -*-
import random
import curses
from itertools import chain
class Action(object):
UP = 'up'
LEFT = 'left'
DOWN = 'down'
RIGHT = 'right'
RESTART = 'restart'
EXIT = 'exit'
letter_codes = [ord(ch) for ch in 'WASDRQwasdrq']
actions = [UP, LEFT, DOWN, RIGHT, RESTART, EXIT]
actions_dict = dict(zip(letter_codes, actions * 2))
def __init__(self, stdscr):
self.stdscr = stdscr
def get(self):
char = "N"
while char not in self.actions_dict:
char = self.stdscr.getch()
return self.actions_dict[char]
class Grid(object):
def __init__(self, size):
self.size = size
self.cells = None
self.reset()
def reset(self):
self.cells = [[0 for i in range(self.size)] for j in range(self.size)]
self.add_random_item()
self.add_random_item()
def add_random_item(self):
empty_cells = [(i, j) for i in range(self.size) for j in range(self.size) if self.cells[i][j] == 0]
(i, j) = random.choice(empty_cells)
self.cells[i][j] = 4 if random.randrange(100) >= 90 else 2
def transpose(self):
self.cells = [list(row) for row in zip(*self.cells)]
def invert(self):
self.cells = [row[::-1] for row in self.cells]
@staticmethod
def move_row_left(row):
def tighten(row):
new_row = [i for i in row if i != 0]
new_row += [0 for i in range(len(row) - len(new_row))]
return new_row
def merge(row):
pair = False
new_row = []
for i in range(len(row)):
if pair:
new_row.append(2 * row[i])
# self.score += 2 * row[i]
pair = False
else:
if i + 1 < len(row) and row[i] == row[i + 1]:
pair = True
new_row.append(0)
else:
new_row.append(row[i])
assert len(new_row) == len(row)
return new_row
return tighten(merge(tighten(row)))
def move_left(self):
self.cells = [self.move_row_left(row) for row in self.cells]
def move_right(self):
self.invert()
self.move_left()
self.invert()
def move_up(self):
self.transpose()
self.move_left()
self.transpose()
def move_down(self):
self.transpose()
self.move_right()
self.transpose()
@staticmethod
def row_can_move_left(row):
def change(i):
if row[i] == 0 and row[i + 1] != 0:
return True
if row[i] != 0 and row[i + 1] == row[i]:
return True
return False
return any(change(i) for i in range(len(row) - 1))
def can_move_left(self):
return any(self.row_can_move_left(row) for row in self.cells)
def can_move_right(self):
self.invert()
can = self.can_move_left()
self.invert()
return can
def can_move_up(self):
self.transpose()
can = self.can_move_left()
self.transpose()
return can
def can_move_down(self):
self.transpose()
can = self.can_move_right()
self.transpose()
return can
class Screen(object):
help_string1 = '(W)up (S)down (A)left (D)right'
help_string2 = ' (R)Restart (Q)Exit'
over_string = ' GAME OVER'
win_string = ' YOU WIN!'
def __init__(self, screen=None, grid=None, score=0, best_score=0, over=False, win=False):
self.grid = grid
self.score = score
self.over = over
self.win = win
self.screen = screen
self.counter = 0
def cast(self, string):
self.screen.addstr(string + '\n')
def draw_row(self, row):
self.cast(''.join('|{: ^5}'.format(num) if num > 0 else '| ' for num in row) + '|')
def draw(self):
self.screen.clear()
self.cast('SCORE: ' + str(self.score))
for row in self.grid.cells:
self.cast('+-----' * self.grid.size + '+')
self.draw_row(row)
self.cast('+-----' * self.grid.size + '+')
if self.win:
self.cast(self.win_string)
else:
if self.over:
self.cast(self.over_string)
else:
self.cast(self.help_string1)
self.cast(self.help_string2)
class GameManager(object):
def __init__(self, size=4, win_num=2048):
self.size = size
self.win_num = win_num
self.reset()
def reset(self):
self.state = 'init'
self.win = False
self.over = False
self.score = 0
self.grid = Grid(self.size)
self.grid.reset()
@property
def screen(self):
return Screen(screen=self.stdscr, score=self.score, grid=self.grid, win=self.win, over=self.over)
def move(self, direction):
if self.can_move(direction):
getattr(self.grid, 'move_' + direction)()
self.grid.add_random_item()
return True
else:
return False
@property
def is_win(self):
self.win = max(chain(*self.grid.cells)) >= self.win_num
return self.win
@property
def is_over(self):
self.over = not any(self.can_move(move) for move in self.action.actions)
return self.over
def can_move(self, direction):
return getattr(self.grid, 'can_move_' + direction)()
def state_init(self):
self.reset()
return 'game'
def state_game(self):
self.screen.draw()
action = self.action.get()
if action == Action.RESTART:
return 'init'
if action == Action.EXIT:
return 'exit'
if self.move(action):
if self.is_win:
return 'win'
if self.is_over:
return 'over'
return 'game'
def _restart_or_exit(self):
self.screen.draw()
return 'init' if self.action.get() == Action.RESTART else 'exit'
def state_win(self):
return self._restart_or_exit()
def state_over(self):
return self._restart_or_exit()
def __call__(self, stdscr):
curses.use_default_colors()
self.stdscr = stdscr
self.action = Action(stdscr)
while self.state != 'exit':
self.state = getattr(self, 'state_' + self.state)()
if __name__ == '__main__':
curses.wrapper(GameManager())
用面向对象方法实现的代码后,在游戏运行时 SCORE 始终为 0,大家可以思考一下如何修改代码以实现正确的计分。