H5遊戲開發:貪吃蛇
貪吃蛇的經典玩法有兩種:
積分闖關
一吃到底
第一種是小編小時候在掌上遊戲機最先體驗到的(不小心暴露了年齡),具體玩法是蛇吃完一定數量的食物后就通關,通關后速度會加快;第二種是諾基亞在1997年在其自家手機上安裝的遊戲,它的玩法是吃到沒食物為止。筆者要實現的就是第二種玩法。
MVC設計模式
基於貪吃蛇的經典,筆者在實現它時也使用一種經典的設計模型:MVC(即:Model - View - Control)。遊戲的各種狀態與數據結構由 Model 來管理;View 用於顯示 Model 的變化;用戶與遊戲的交互由 Control 完成(Control 提供各種遊戲API介面)。
Model 是遊戲的核心也是本文的主要內容;View 會涉及到部分性能問題;Control 負責業務邏輯。 這樣設計的好處是: Model完全獨立,View 是 Model 的狀態機,Model 與 View 都由 Control 來驅動。
Model
看一張貪吃蛇的經典圖片。
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貪吃蛇有四個關鍵的參與對象:
蛇(snake)
食物(food)
牆(bounds)
舞台(zone)
舞台是一個
m * n
的矩陣(二維數組),矩陣的索引邊界是舞台的牆,矩陣上的成員用於標記食物和蛇的位置。空舞台如下:
[[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0],]
食物(F)和蛇(S)出現在舞台上:
[[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0],[0,0,F,0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,S,S,S,S,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,S,0,0,0],[0,0,0,0,S,S,S,0,0,0],[0,0,0,0,S,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,S,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0],]
由於操作二維數組不如一維數組方便,所以筆者使用的是一維數組, 如下:
[ 0,0,0,0,0,0,0,0,0,0, 0,0,0,0,0,0,0,0,0,0, 0,0,F,0,0,0,0,0,0,0, 0,0,0,S,S,S,S,0,0,0, 0,0,0,0,0,0,S,0,0,0, 0,0,0,0,S,S,S,0,0,0, 0,0,0,0,S,0,0,0,0,0, 0,0,0,0,S,0,0,0,0,0, 0,0,0,0,0,0,0,0,0,0, 0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,]
舞台矩陣上蛇與食物只是舞台對二者的映射,它們彼此都有獨立的數據結構:
蛇是一串坐標索引鏈表;
食物是一個指向舞台坐標的索引值。
蛇的活動
蛇的活動有三種,如下:
移動(move)
吃食(eat)
碰撞(collision)
移動
蛇在移動時,內部發生了什麼變化?
蛇鏈表在一次移動過程中做了兩件事:向表頭插入一個新節點,同時剔除表尾一個舊節點。用一個數組來代表蛇鏈表,那麼蛇的移動就是以下的偽代碼:
function move(next) { snake.pop() & snake.unshift(next);}
數組作為蛇鏈表合適嗎? 這是筆者最開始思考的問題,畢竟數組的
unshift & pop
可以無縫表示蛇的移動。不過,方便不代表性能好,unshift
向數組插入元素的時間複雜度是 O(n),pop
剔除數組尾元素的時間複雜度是 O(1)。蛇的移動是一個高頻率的動作,如果一次動作的演算法複雜度為 O(n) 並且蛇的長度比較大,那麼遊戲的性能會有問題。筆者想實現的貪吃蛇理論上講是一條長蛇,所以筆者在本文章的回復是 ------ 數組不適合作為蛇鏈表。
蛇鏈表必須是真正的鏈表結構。 鏈表刪除或插入一個節點的時間複雜度為O(1),用鏈表作為蛇鏈表的數據結構能提高遊戲的性能。javascript 沒有現成的鏈表結構,筆者寫了一個叫 Chain 的鏈表類,
Chain
提供了unshfit & pop
。以下偽代碼是創建一條蛇鏈表:let snake = new Chain();
吃食 & 碰撞
「吃食」與「碰撞」區別在於吃食撞上了「食物」,碰撞撞上了「牆」。筆者認為「吃食」與「碰撞」屬於蛇一次「移動」的三個可能結果的兩個分支。蛇移動的三個可能結果是:「前進」、「吃食」和「碰撞」。
回頭看一下蛇移動的偽代碼:
function move(next) { snake.pop() & snake.unshift(next);}
代碼中的
next
表示蛇頭即將進入的格子的索引值,只有當這個格子是0
時蛇才能「前進」,當這個格子是S
表示「碰撞」自己,當這個格子是F
表示吃食。好像少了撞牆? 筆者在設計過程中,並沒有把牆設計在舞台的矩陣中,而是通過索引出界的方式來表示撞牆。簡單地說就是
next === -1
時表示出界和撞牆。以下偽代碼表示蛇的整上活動過程:
// B 表示撞牆let cell = -1 === next ? B : zone[next];switch(cell) { // 吃食case F: eat(); break; // 撞到自己case S: collision(S); break; // 撞牆case B: collision(B): break; // 前進default: move;}
隨機投食
隨機投食是指隨機挑選舞台的一個索引值用於映射食物的位置。這似乎很簡單,可以直接這樣寫:
// 偽代碼food = Math.random(zone.length) >> 0;
如果考慮到投食的前提 ------ 不與蛇身重疊,你會發現上面的隨機代碼並不能保證投食位置不與蛇身重疊。由於這個演算法的安全性帶有賭博性質,且把它稱作「賭博演算法」。為了保證投食的安全性,筆者把演算法擴展了一下:
// 偽代碼function feed() { let index = Math.random(zone.length) >> 0; // 當前位置是否被佔用return zone[index] === S ? feed() : index;}food = feed();
上面的代碼雖然在理論上可以保證投食的絕對安全,不過筆者把這個演算法稱作「不要命的賭徒演算法」,因為上面的演算法有致命的BUG ------ 超長遞歸 or 死循環。
為了解決上面的致命問題,筆者設計了下面的演算法來做隨機投食:
// 偽代碼function feed() { // 未被佔用的空格數let len = zone.length - snake.length; // 無法投食if(len === 0) return ; // zone的索引let index = 0, // 空格計數器count = 0, // 第 rnd 個空格子是最終要投食的位置rnd = Math.random() * count >> 0 + 1; // 累計空格數while(count !== rnd) { // 當前格子為空,count總數增一zone[index++] === 0 && ++count; } return index - 1;}food = feed();
這個演算法的平均複雜度為 O(n/2)。由於投食是一個低頻操作,所以 O(n/2)的複雜度並不會帶來任何性能問題。不過,筆者覺得這個演算法的複雜度還是有點高了。回頭看一下最開始的「賭博演算法」,雖然「賭博演算法」很不靠譜,但是它有一個優勢 ------ 時間複雜度為 O(1)。
「賭博演算法」的靠譜概率 = (zone.length - snake.length) / zone.length。
snake.length
是一個動態值,它的變化範圍是:
0 ~ zone.length
。推導出「賭博演算法」的平均靠譜概率是:
「賭博演算法」平均靠譜概率 = 50%
看來「賭博演算法」還是可以利用一下的。於是筆者重新設計了一個演算法:
// 偽代碼function bet() { let rnd = Math.random() * zone.length >> 0; return zone[rnd] === 0 ? rnd : -1;}function feed() { ...}food = bet();if(food === -1) food = feed();
新演算法的平均複雜度可以有效地降低到 O(n/4),人生有時候需要點運氣 : )。
View
在 View 可以根據喜好選擇一款遊戲渲染引擎,筆者在 View 層選擇了
PIXI
作為遊戲遊戲渲染引擎。
View 的任務主要有兩個:
繪製遊戲的界面;
渲染 Model 里的各種數據結構
也就是說 View 是使用渲染引擎還原設計稿的過程。本文的目的是介紹「貪吃蛇」的實現思路,如何使用一個渲染引擎不是本文討論的範疇,筆者想介紹的是:「如何提高渲染的效率」。
在 View 中顯示 Model 的蛇可以簡單地如以下偽代碼:
// 清空 View 上的蛇view.snake.clean();model.snake.forEach( (node) => { // 創建 View 上的蛇節點let viewNode = createViewNode(node); // 併合一條新蛇 view.snake.push(viewNode); });
上面代碼的時間複雜度是 O(n)。上面介紹過蛇的移動是一個高頻的活動,我們要盡量避免高頻率地運行 O(n) 的代碼。來分析蛇的三種活動:「移動」,「吃食」,「碰撞」。
首先,Model 發生了「碰撞」,View 應該是直接暫停渲染 Model 里的狀態,遊戲處在死亡狀態,接下來的事由 Control 處理。
Model 中的蛇(鏈表)在一次「移動」過程中做了兩件事:向表頭插入一個新節點,同時剔除表尾一個舊節點;蛇(鏈表)在一次「吃食」過程中只做一件事:向表頭插入一個新節點。
如果在 View 中對 Model 的蛇鏈表做差異化檢查,View 只增量更新差異部分的話,演算法的時間複雜度即可降低至 O(1) ~ O(2) 。以下是優化后的偽代碼:
let snakeA = model.snake, snakeB = view.snake;// 增量更新尾部while(snakeB.length <= snakeA.length) { headA = snakeA.next(); // 頭節點匹配if(headA.data === headB.data) break; // 不匹配else { // 向snakeB插入頭節點if(snakeA.HEAD === headA.index) { snakeB.unshift(headA.data); } // 向snakeB插入第二個節點else snakeB.insertAfter(0, headA.data); }}// 增量更新頭部 let tailA = snakeA.last(), tailB;while(snakeB.length !== 0) { tailB = snakeB.last(); // 尾節點匹配if(tailA.data === tailB.data) break; // 不匹配else snakeB.pop();}
Control
Control 主要做 3 件事:
遊戲與用戶的互動
驅動 Model
同步 View 與 Model
「遊戲與用戶的互動」是指向外提供遊戲過程需要使用到的 APIs 與 各類事件。筆者規劃的 APIs 如下:
name | type | deltail |
---|---|---|
init | method | 初始化遊戲 |
start | method | 開始遊戲 |
restart | method | 重新開始遊戲 |
pause | method | 暫停 |
resume | method | 恢復 |
turn | method | 控制蛇的轉向。如:turn("left") |
destroy | method | 銷毀遊戲 |
speed | property | 蛇的移動速度 |
事件如下:
name | detail |
---|---|
countdown | 倒時計 |
eat | 吃到食物 |
before-eat | 吃到食物前觸發 |
gameover | 遊戲結束 |
事件統一掛載在遊戲實例下的
event
對象下。
snake.event.on("countdown", (time) => console.log("剩餘時間:", time));
「驅動 Model 」只做一件事 ------ 將 Model 的蛇的方向更新為用戶指定的方向。 「同步 View 與 Model 」也比較簡單,檢查 Model 是否有更新,如果有更新通知 View 更新遊戲界面。
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