使用 Python 和 Asyncio 编写在线多人游戏（三）
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。
Python 并行 协程 游戏
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。
 ![](/data/attachment/album/201609/20/152441d6zf0gfh0kivkfym.jpg)



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> 在这个系列中，我们基于多人游戏 [贪吃蛇](http://snakepit-game.com/) 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](/article-7784-1.html)上，而本系列第 1 部分则涵盖了如何[异步化](/article-7767-1.html)。
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* 代码戳[这里](https://github.com/7WebPages/snakepit-game)


[![](/data/attachment/album/201609/20/152543iw8yqfmyzw0ze90b.gif)](https://github.com/7WebPages/snakepit-game)


### 4、制作一个完整的游戏


![](/data/attachment/album/201609/20/152546h2rxum7diizxymdi.gif)


#### 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](https://github.com/7WebPages/snakepit-game)。游戏包括下列文件：


* [server.py](https://github.com/7WebPages/snakepit-game/blob/master/server.py) - 处理主游戏循环和连接。
* [game.py](https://github.com/7WebPages/snakepit-game/blob/master/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](https://github.com/7WebPages/snakepit-game/blob/master/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](https://github.com/7WebPages/snakepit-game/blob/master/datatypes.py) - 基本数据结构。
* [settings.py](https://github.com/7WebPages/snakepit-game/blob/master/settings.py) - 游戏设置，在注释中有相关的说明。
* [index.html](https://github.com/7WebPages/snakepit-game/blob/master/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。



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> 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（<ruby> 每秒帧数 <rp>  （ </rp> <rt>  frames per second </rt> <rp>  ） </rp></ruby>），服务端的帧频率称之为 TPS（<ruby> 每秒滴答数 <rp>  （ </rp> <rt>  ticks per second </rt> <rp>  ） </rp></ruby>）。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。
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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<ruby> 观望者 <rp>  （ </rp> <rt>  spectator </rt> <rp>  ） </rp></ruby>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。



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> 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。
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`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。


SnakePit 在 7WebPages 团队中非常受欢迎。如果你在公司想休息一下，不要忘记给我们在 [Twitter](https://twitter.com/7WebPages) 或者 [Facebook](https://www.facebook.com/7WebPages/) 留下反馈。




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


作者：[Kyrylo Subbotin](https://7webpages.com/blog/writing-online-multiplayer-game-with-python-and-asyncio-part-3/) 译者：[chunyang-wen](https://github.com/chunyang-wen) 校对：[wxy](https://github.com/wxy)


本文由 [LCTT](https://github.com/LCTT/TranslateProject) 原创编译，[Linux中国](https://linux.cn/) 荣誉推出


（题图来自：[wallpaperinhd.net](http://www.wallpaperinhd.net/preview/3766/2880x1800/dragon-(1252x848)-wallpaper.html)）

