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《贪吃蛇》--H5小游戏开发

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Nov 18, 2017 pm 05:27 PM

html5 小游戏

今天给大家分享一份用H5做出来的小游戏让大家讨论研究，很经典的小游戏，贪吃蛇。贪吃蛇的经典玩法有两种：一种是积分闯关，另外一种是一吃到底。

第一种的具体玩法是蛇吃完一定数量的食物后就通关，通关后速度会加快；第二种是它的玩法是吃到没食物为止。我们今天要实现的就是第二种玩法。

MVC设计模式

基于贪吃蛇的经典，我在实现它时也使用一种经典的设计模型：MVC（即：Model – View – Control）。游戏的各种状态与数据结构由 Model 来管理；View 用于显示 Model 的变化；用户与游戏的交互由 Control 完成（Control 提供各种游戏API接口）。

Model 是游戏的核心也是本文的主要内容；View 会涉及到部分性能问题；Control 负责业务逻辑。这样设计的好处是： Model完全独立，View 是 Model 的状态机，Model 与 View 都由 Control 来驱动。

Model

看一张贪吃蛇的经典图片。

《贪吃蛇》--H5小游戏开发

贪吃蛇有四个关键的参与对象：

蛇（snake）

食物（food）

墙（bounds）

舞台（zone）

舞台是一个 m * n 的矩阵（二维数组），矩阵的索引边界是舞台的墙，矩阵上的成员用于标记食物和蛇的位置。

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],
]

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食物（F）和蛇（S）出现在舞台上：

[
[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],
]

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由于操作二维数组不如一维数组方便，所以我使用的是一维数组，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,
]

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舞台矩阵上蛇与食物只是舞台对二者的映射，它们彼此都有独立的数据结构：

蛇是一串坐标索引链表；

食物是一个指向舞台坐标的索引值。

蛇的活动

蛇的活动有三种，如下：

移动（move）

吃食（eat）

碰撞（collision）

移动

蛇在移动时，内部发生了什么变化？

《贪吃蛇》--H5小游戏开发

蛇链表在一次移动过程中做了两件事：向表头插入一个新节点，同时剔除表尾一个旧节点。用一个数组来代表蛇链表，那么蛇的移动就是以下的伪代码：

function move(next) {
   snake.pop() & snake.unshift(next);
}

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数组作为蛇链表合适吗？

这是我最开始思考的问题，毕竟数组的 unshift & pop 可以无缝表示蛇的移动。不过，方便不代表性能好，unshift 向数组插入元素的时间复杂度是 O(n)， pop 剔除数组尾元素的时间复杂度是 O(1)。

蛇的移动是一个高频率的动作，如果一次动作的算法复杂度为 O(n) 并且蛇的长度比较大，那么游戏的性能会有问题。我者想实现的贪吃蛇理论上讲是一条长蛇，所以我在本文章的回复是 —— 数组不适合作为蛇链表。

蛇链表必须是真正的链表结构。

链表删除或插入一个节点的时间复杂度为O(1)，用链表作为蛇链表的数据结构能提高游戏的性能。javascript 没有现成的链表结构，我写了一个叫 Chain 的链表类，Chain 提供了 unshfit & pop。以下伪代码是创建一条蛇链表：

let snake = new Chain();

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由于篇幅问题这里就不介绍 Chain 是如何实现的，有兴趣的同学可以移步到: https://github.com/leeenx/es6-utils#chain

吃食 & 碰撞

「吃食」与「碰撞」区别在于吃食撞上了「食物」，碰撞撞上了「墙」。我认为「吃食」与「碰撞」属于蛇一次「移动」的三个可能结果的两个分支。蛇移动的三个可能结果是：「前进」、「吃食」和「碰撞」。

回头看一下蛇移动的伪代码：

function move(next) {
    snake.pop() & snake.unshift(next);
}

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代码中的 next 表示蛇头即将进入的格子的索引值，只有当这个格子是0时蛇才能「前进」，当这个格子是 S 表示「碰撞」自己，当这个格子是 F表示吃食。

好像少了撞墙？

我在设计过程中，并没有把墙设计在舞台的矩阵中，而是通过索引出界的方式来表示撞墙。简单地说就是 next === -1 时表示出界和撞墙。

以下伪代码表示蛇的整上活动过程：

// B 表示撞墙
let cell = -1 === next ? B : zone[next];
switch(cell) {
    // 吃食
    case F: eat(); break;
    // 撞到自己
    case S: collision(S); break;
    // 撞墙
    case B: collision(B): break;
    // 前进
    default: move;
}

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随机投食

随机投食是指随机挑选舞台的一个索引值用于映射食物的位置。这似乎很简单，可以直接这样写：

// 伪代码
food = Math.random(zone.length) >> 0;

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如果考虑到投食的前提 —— 不与蛇身重叠，你会发现上面的随机代码并不能保证投食位置不与蛇身重叠。由于这个算法的安全性带有赌博性质，且把它称作「赌博算法」。为了保证投食的安全性，我把算法扩展了一下：

// 伪代码
function feed() {
    let index = Math.random(zone.length) >> 0;
    // 当前位置是否被占用
    return zone[index] === S ? feed() : index;
}
food = feed();

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上面的代码虽然在理论上可以保证投食的绝对安全，不过我把这个算法称作「不要命的赌徒算法」，因为上面的算法有致命的BUG —— 超长递归 or 死循环。

为了解决上面的致命问题，我设计了下面的算法来做随机投食：

// 伪代码
function feed() {
    // 未被占用的空格数
    let len = zone.length - snake.length;
    // 无法投食
    if(len === 0) return ;
    // zone的索引
    let index = 0,
    // 空格计数器
    count = 0,
    // 第 rnd 个空格子是最终要投食的位置
    rnd = Math.random() * count >> 0 + 1;
    // 累计空格数
    while(count !== rnd) {
        // 当前格子为空，count总数增一
        zone[index++] === 0 && ++count;
    }
    return index - 1;
}
food = feed();

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这个算法的平均复杂度为 O(n/2)。由于投食是一个低频操作，所以 O(n/2)的复杂度并不会带来任何性能问题。不过，我觉得这个算法的复杂度还是有点高了。回头看一下最开始的「赌博算法」，虽然「赌博算法」很不靠谱，但是它有一个优势 —— 时间复杂度为 O(1)。

「赌博算法」的靠谱概率 = (zone.length – snake.length) / zone.length。snake.length 是一个动态值，它的变化范围是：0 ~ zone.length。推导出「赌博算法」的平均靠谱概率是：

「赌博算法」平均靠谱概率 = 50%

看来「赌博算法」还是可以利用一下的。于是我重新设计了一个算法：

新算法的平均复杂度可以有效地降低到 O(n/4)，人生有时候需要点运气 : )。

View

在 View 可以根据喜好选择一款游戏渲染引擎，我在 View 层选择了 PIXI 作为游戏游戏渲染引擎。

View 的任务主要有两个：

绘制游戏的界面；

渲染 Model 里的各种数据结构

也就是说 View 是使用渲染引擎还原设计稿的过程。本文的目的是介绍「贪吃蛇」的实现思路，如何使用一个渲染引擎不是本文讨论的范畴，我想介绍的是：「如何提高渲染的效率」。