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使用 Python 和 Asyncio 编写在线多人游戏(三)

2016-9-20 15:25       

 

在这个系列中,我们基于多人游戏 贪吃蛇 来制作一个异步的 Python 程序。上一篇文章聚焦于编写游戏循环上,而本系列第 1 部分则涵盖了如何异步化

4、制作一个完整的游戏

4.1 工程概览

在此部分,我们将回顾一个完整在线游戏的设计。这是一个经典的贪吃蛇游戏,增加了多玩家支持。你可以自己在 (http://snakepit-game.com) 亲自试玩。源码在 GitHub 的这个仓库。游戏包括下列文件:

  • server.py - 处理主游戏循环和连接。
  • game.py - 主要的 Game 类。实现游戏的逻辑和游戏的大部分通信协议。
  • player.py - Player 类,包括每一个独立玩家的数据和蛇的展现。这个类负责获取玩家的输入并相应地移动蛇。
  • datatypes.py - 基本数据结构。
  • settings.py - 游戏设置,在注释中有相关的说明。
  • index.html - 客户端所有的 html 和 javascript代码都放在一个文件中。

4.2 游戏循环内窥

多人的贪吃蛇游戏是个用于学习十分好的例子,因为它简单。所有的蛇在每个帧中移动到一个位置,而且帧以非常低的频率进行变化,这样就可以让你就观察到游戏引擎到底是如何工作的。因为速度慢,对于玩家的按键不会立马响应。按键先是记录下来,然后在一个游戏循环迭代的最后计算下一帧时使用。

现代的动作游戏帧频率更高,而且通常服务端和客户端的帧频率是不相等的。客户端的帧频率通常依赖于客户端的硬件性能,而服务端的帧频率则是固定的。一个客户端可能根据一个游戏“嘀嗒”的数据渲染多个帧。这样就可以创建平滑的动画,这个受限于客户端的性能。在这个例子中,服务端不仅传输物体的当前位置,也要传输它们的移动方向、速度和加速度。客户端的帧频率称之为 FPS(每秒帧数frames per second),服务端的帧频率称之为 TPS(每秒滴答数ticks per second)。在这个贪吃蛇游戏的例子中,二者的值是相等的,在客户端显示的一帧是在服务端的一个“嘀嗒”内计算出来的。

我们使用类似文本模式的游戏区域,事实上是 html 表格中的一个字符宽的小格。游戏中的所有对象都是通过表格中的不同颜色字符来表示。大部分时候,客户端将按键的码发送至服务端,然后每个“滴答”更新游戏区域。服务端一次更新包括需要更新字符的坐标和颜色。所以我们将所有游戏逻辑放置在服务端,只将需要渲染的数据发送给客户端。此外,我们通过替换通过网络发送的数据来减少游戏被破解的概率。

4.3 它是如何运行的?

这个游戏中的服务端出于简化的目的,它和例子 3.2 类似。但是我们用一个所有服务端都可访问的 Game 对象来代替之前保存了所有已连接 websocket 的全局列表。一个 Game 实例包括一个表示连接到此游戏的玩家的 Player 对象的列表(在 self._players 属性里面),以及他们的个人数据和 websocket 对象。将所有游戏相关的数据存储在一个 Game 对象中,会方便我们增加多个游戏房间这个功能——如果我们要增加这个功能的话。这样,我们维护多个 Game 对象,每个游戏开始时创建一个。

客户端和服务端的所有交互都是通过编码成 json 的消息来完成。来自客户端的消息仅包含玩家所按下键码对应的编号。其它来自客户端消息使用如下格式:

[command, arg1, arg2, ... argN ]

来自服务端的消息以列表的形式发送,因为通常一次要发送多个消息 (大多数情况下是渲染的数据):

[[command, arg1, arg2, ... argN ], ... ]

在每次游戏循环迭代的最后会计算下一帧,并且将数据发送给所有的客户端。当然,每次不是发送完整的帧,而是发送两帧之间的变化列表。

注意玩家连接上服务端后不是立马加入游戏。连接开始时是观望者spectator模式,玩家可以观察其它玩家如何玩游戏。如果游戏已经开始或者上一个游戏会话已经在屏幕上显示 “game over” (游戏结束),用户此时可以按下 “Join”(参与),来加入一个已经存在的游戏,或者如果游戏没有运行(没有其它玩家)则创建一个新的游戏。后一种情况下,游戏区域在开始前会被先清空。

游戏区域存储在 Game._field 这个属性中,它是由嵌套列表组成的二维数组,用于内部存储游戏区域的状态。数组中的每一个元素表示区域中的一个小格,最终小格会被渲染成 html 表格的格子。它有一个 Char 的类型,是一个 namedtuple ,包括一个字符和颜色。在所有连接的客户端之间保证游戏区域的同步很重要,所以所有游戏区域的更新都必须依据发送到客户端的相应的信息。这是通过 Game.apply_render() 来实现的。它接受一个 Draw 对象的列表,其用于内部更新游戏区域和发送渲染消息给客户端。

我们使用 namedtuple 不仅因为它表示简单数据结构很方便,也因为用它生成 json 格式的消息时相对于 dict 更省空间。如果你在一个真实的游戏循环中需要发送复杂的数据结构,建议先将它们序列化成一个简单的、更短的格式,甚至打包成二进制格式(例如 bson,而不是 json),以减少网络传输。

Player 对象包括用 deque 对象表示的蛇。这种数据类型和 list 相似,但是在两端增加和删除元素时效率更高,用它来表示蛇很理想。它的主要方法是 Player.render_move(),它返回移动玩家的蛇至下一个位置的渲染数据。一般来说它在新的位置渲染蛇的头部,移除上一帧中表示蛇的尾巴的元素。如果蛇吃了一个数字变长了,在相应的多个帧中尾巴是不需要移动的。蛇的渲染数据在主类的 Game.next_frame() 中使用,该方法中实现所有的游戏逻辑。这个方法渲染所有蛇的移动,检查每一个蛇前面的障碍物,而且生成数字和“石头”。每一个“嘀嗒”,game_loop() 都会直接调用它来生成下一帧。

如果蛇头前面有障碍物,在 Game.next_frame() 中会调用 Game.game_over()。它后通知所有的客户端那个蛇死掉了 (会调用 player.render_game_over() 方法将其变成石头),然后更新表中的分数排行榜。Player 对象的 alive 标记被置为 False,当渲染下一帧时,这个玩家会被跳过,除非他重新加入游戏。当没有蛇存活时,游戏区域会显示 “game over” (游戏结束)。而且,主游戏循环会停止,设置 game.running 标记为 False。当某个玩家下次按下 “Join” (加入)时,游戏区域会被清空。

在渲染游戏的每个下一帧时也会产生数字和石头,它们是由随机值决定的。产生数字或者石头的概率可以在 settings.py 中修改成其它值。注意数字的产生是针对游戏区域每一个活的蛇的,所以蛇越多,产生的数字就越多,这样它们都有足够的食物来吃掉。

4.4 网络协议

从客户端发送消息的列表:

命令参数描述
new_player [name] 设置玩家的昵称
join   玩家加入游戏

从服务端发送消息的列表:

命令参数描述
handshake [id] 给一个玩家指定 ID
world [[(char, color), ...], ...] 初始化游戏区域(世界地图)
reset_world   清除实际地图,替换所有字符为空格
render [x, y, char, color] 在某个位置显示字符
p_joined [id, name, color, score] 新玩家加入游戏
p_gameover [id] 某个玩家游戏结束
p_score [id, score] 给某个玩家计分
top_scores [[name, score, color], ...] 更新排行榜

典型的消息交换顺序:

客户端 -> 服务端服务端 -> 客户端服务端 -> 所有客户端备注
new_player     名字传递给服务端
  handshake   指定 ID
  world   初始化传递的世界地图
  top_scores   收到传递的排行榜
join     玩家按下“Join”,游戏循环开始
    reset_world 命令客户端清除游戏区域
    render, render, ... 第一个游戏“滴答”,渲染第一帧
(key code)     玩家按下一个键
    render, render, ... 渲染第二帧
    p_score 蛇吃掉了一个数字
    render, render, ... 渲染第三帧
      ... 重复若干帧 ...
    p_gameover 试着吃掉障碍物时蛇死掉了
    top_scores 更新排行榜(如果需要更新的话)

5. 总结

说实话,我十分享受 Python 最新的异步特性。新的语法做了改善,所以异步代码很容易阅读。可以明显看出哪些调用是非阻塞的,什么时候发生 greenthread 的切换。所以现在我可以宣称 Python 是异步编程的好工具。

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via: https://7webpages.com/blog/writing-online-multiplayer-game-with-python-and-asyncio-part-3/

作者:Kyrylo Subbotin 译者:chunyang-wen 校对:wxy

本文由 LCTT 原创编译,Linux中国 荣誉推出

(题图来自:wallpaperinhd.net

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