R语言游戏框架设计

R的极客理想系列文章,涵盖了R的思想,使用,工具,创新等的一系列要点,以我个人的学习和体验去诠释R的强大。

R语言作为统计学一门语言,一直在小众领域闪耀着光芒。直到大数据的爆发,R语言变成了一门炙手可热的数据分析的利器。随着越来越多的工程背景的人的加入,R语言的社区在迅速扩大成长。现在已不仅仅是统计领域,教育,银行,电商,互联网….都在使用R语言。

要成为有理想的极客,我们不能停留在语法上,要掌握牢固的数学,概率,统计知识,同时还要有创新精神,把R语言发挥到各个领域。让我们一起动起来吧,开始R的极客理想。

关于作者:

  • 张丹(Conan), 程序员Java,R,PHP,Javascript
  • weibo:@Conan_Z
  • blog: http://blog.fens.me
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r-game-framework

前言

本文继续上一篇文章 R语言游戏之旅 贪食蛇入门。当我们完成了贪食蛇游戏之后,我们应该把代码进一步整理,抽象出游戏中通用的部分,分离游戏框架代码和贪食蛇游戏代码。我们就可以提取出一个R语言的游戏开发引擎,当再开发新的游戏时,只要关心游戏本身的程序设计就行了。

目录

  1. 贪食蛇的面向对象改造
  2. 游戏框架定义
  3. 在框架中重新实现贪食蛇游戏

1. 贪食蛇的面向对象改造

我们可以利用面向对象的方法论,对贪食蛇游戏进行抽象整理,并实现代码的面向对象的改造。R语言支持3种面向对象的编程实现方式,我选择基于RC的面向对象编程,关于RC详细使用请参考文章:R语言基于RC的面向对象编程

由于我们之前的代码都是通过函数来封装的,所以代码重构还是比较简单的,只要把Snake对象的属性和方法定义清楚就行了。

1.1 定义Snake类

定义Snake类,画出类图,包括属性和方法。

class1

属性解释:

  • name:游戏的名字
  • stage:当前的游戏场景
  • e:游戏中的变量,environment类型
  • m:游戏地图矩阵
  • width:矩阵的宽
  • height:矩阵的高

方法解释:

  • initialize():构建函数,用于RC类的初始化
  • init():给stage1场景初始化游戏变量
  • fail():失败查询
  • furit():判断并生成水果坐标
  • head():生成蛇头移动坐标。
  • body():生成蛇尾移动坐标。
  • drawTable():绘制游戏背景。
  • drawMatrix():绘制游戏矩阵。
  • stage0():创建开机场景,可视化输出。
  • stage1():创建游戏场景,stage1()函数内部,封装了游戏场景运行时的函数,并进行调用。
  • stage2():创建结束场景,可视化输出
  • keydown():监听键盘事件。
  • run():启动函数

1.2 全局函数调用顺序图

接下来,根据UML规范画出顺序图,主要包括全局函数调用和stage1场景游戏环境调用。

全局函数调用关系。

  1. 通过run()函数启动游戏,进入stage0场景,注册键盘事件。
  2. 在stage0场景按任意键切换到stage1场景。
  3. init()出始化stage1场景的游戏变量。
  4. stage1()运行游戏
  5. 当游戏失败fail()或按q键
  6. 游戏进行stage2场景,显示游戏结束画面,
  7. 按空格键回到stage0重新开始,按q键退出程序。

seq1

1.3 stage1场景游戏环境函数调用顺序图

stage1场景游戏环境函数调用关系。

  1. 游戏进入stage1场景,按上下左右(up,down,left,right)方向键操作蛇头的前进路线。
  2. furit()函数检查,如果地图上水果被吃掉,生成一个新水果,记录到矩阵中。
  3. head()函数,通过上下左边键的操作,进行蛇头的移动,记录到矩阵中。
  4. fail()函数失败检查,no未失败继续,yes失败进行stage2场景。
  5. body()函数,蛇身体移动,记录到矩阵中。
  6. drawTable()函数,画出游戏背景画布。
  7. drawMatrix()函数,画出游戏矩阵。

seq2

利用UML的方法,通过类图和顺序图的描述,我们就把贪食蛇的游戏程序进行了面向对象的设计改造。不用着急去写代码,我们再想想如何进行游戏框架的提取。

2. 游戏框架定义

要设计一个完整、易用、有良好扩展的游戏框架是比难的,但我们可以基于贪食蛇的游戏,一步一步来做抽象。抽象过程就是把程序对象化,上面的我们已经做了;第二步再把公用的属性和方法提取封装,可以统一把公用的部分提取到一个Game的父类里面,让Snake类继承Game类,从而实现游戏框架定义。我们画出Game类和Snake类的类图。

class2

  • Game类公共属性,包括了所有的Snake类的属性,这是因为这些属性都是全局的,其他的游戏也会用到,而且每个游戏中的属性,可以在e中进行定义。
  • Game类公共方法,包括了游戏全局调用的方法,但不包括Snake游戏stage1场景中运行的方法。在Game类的方法中,我们主要实现的都是开发的辅助功能。
  • Snake类方法,同样还有Game类的方法,这是用到方法的重写技术。子类的方法,先调用父类的同名方法,然后再执行子类方法里的程序。

这样我们就简单地分离了游戏框架Game类和游戏实现Snake类,下面我们要做的就是把代码按照设计进行实现,看看我们的设计是否是合理的。

3. 在框架中重新实现贪食蛇游戏

Game类的代码实现,用R语言的RC面向对象编程进行代码编写。


Game<-setRefClass('Game',
                  
    fields=list(
      # 系统变量
      name="character", # 名字
      debug='logical',  # 调试状态
      width='numeric',  # 矩阵宽
      height='numeric', # 矩阵高
      
      # 应用变量
      stage='numeric',  # 场景
      e='environment',  # 环境空间变量
      m='matrix',       # 数据矩阵
      isFail='logical'  # 游戏失败
    ),
                  
    methods=list(
      
      # 构造函数
      initialize = function(name,width,height,debug) {
        name<<-"R Game Framework"
        debug<<-FALSE
        width<<-height<<-20   #矩阵宽高
      },
      
      # 初始化变量
      init = function(){
        e<<-new.env()   #环境空间
        m<<-matrix(rep(0,width*height),nrow=width)  #数据矩阵
        isFail<<-FALSE
      },
      
      # 开机画图
      stage0=function(){
        stage<<-0
        init()
      },
      
      # 结束画图
      stage2=function(){
        stage<<-2
      },
      
      # 游戏中
      stage1=function(default=FALSE){
        stage<<-1
        if(FALSE){  # 默认游戏中界面
          plot(0,0,xlim=c(0,1),ylim=c(0,1),type='n',xaxs="i", yaxs="i")
          text(0.5,0.7,label="Playing",cex=5)  
        }
      },
      
      # 矩阵工具
      index = function(col) {
        return(which(m==col))
      },
      
      # 失败操作
      fail=function(msg){
        print(paste("Game Over",msg))
        isFail<<-TRUE
        keydown('q')
        return(NULL)
      },
      
      # 键盘事件,控制场景切换
      keydown=function(K){
        if(stage==0){ #开机画面
          stage1()
          return(NULL)
        }  
        
        if(stage==2){ #结束画面
          if(K=="q") q()
          else if(K==' ') stage0()  
          return(NULL)
        } 
      },
      
      # 启动程序
      run=function(){
        par(mai=rep(0,4),oma=rep(0,4))
        stage0()
        getGraphicsEvent(prompt="Snake Game",onKeybd=function(K){
          if(debug) print(paste("keydown",K))  
          return(keydown(K))
        })
      }
    )                  
)

Snake类的代码实现,继承Game类,并实现贪食蛇游戏的私有方法。


# 引用game.r文件
source(file="game.r")

# Snake类,继承Game类
Snake<-setRefClass("Snake",contains="Game",
                   
   methods=list(
     
     # 构造函数
     initialize = function(name,width,height,debug) {
       callSuper(name,width,height,debug) # 调父类
       
       name<<-"Snake Game"
     },
     
     # 初始化变量
     init = function(){
       callSuper()  # 调父类
       
       e$step<<-1/width #步长
       e$dir<<-e$lastd<<-'up' # 移动方向
       e$head<<-c(2,2) #初始蛇头坐标
       e$lastx<<-e$lasty<<-2 # 蛇头上一个点坐标
       e$tail<<-data.frame(x=c(),y=c())#初始蛇尾坐标
       
       e$col_furit<<-2 #水果颜色
       e$col_head<<-4 #蛇头颜色
       e$col_tail<<-8 #蛇尾颜色
       e$col_path<<-0 #路颜色
       e$col_barrier<<-1 #障碍颜色
     },
     
     # 失败检查
     lose=function(){
       # head出边界
       if(length(which(e$head<1))>0 | length(which(e$head>width))>0){
         fail("Out of ledge.")
         return(NULL)
       }
       
       # head碰到tail
       if(m[e$head[1],e$head[2]]==e$col_tail){
         fail("head hit tail.")
         return(NULL)
       }
     },
     
     # 随机的水果点
     furit=function(){
       if(length(index(e$col_furit))<=0){ #不存在水果
         idx<-sample(index(e$col_path),1)
         
         fx<-ifelse(idx%%width==0,10,idx%%width)
         fy<-ceiling(idx/height)
         m[fx,fy]<<-e$col_furit
         
         if(debug){
           print(paste("furit idx",idx))
           print(paste("furit axis:",fx,fy))
         }
       }
     },
     
     # snake head
     head=function(){
       e$lastx<<-e$head[1]
       e$lasty<<-e$head[2]
       
       # 方向操作
       if(e$dir=='up') e$head[2]<<-e$head[2]+1
       if(e$dir=='down') e$head[2]<<-e$head[2]-1
       if(e$dir=='left') e$head[1]<<-e$head[1]-1
       if(e$dir=='right') e$head[1]<<-e$head[1]+1
     },
     
     # snake body
     body=function(){
       if(isFail) return(NULL)
       
       m[e$lastx,e$lasty]<<-e$col_path
       m[e$head[1],e$head[2]]<<-e$col_head #snake
       if(length(index(e$col_furit))<=0){ #不存在水果
         e$tail<<-rbind(e$tail,data.frame(x=e$lastx,y=e$lasty))
       }
       
       if(nrow(e$tail)>0) { #如果有尾巴
         e$tail<<-rbind(e$tail,data.frame(x=e$lastx,y=e$lasty))
         m[e$tail[1,]$x,e$tail[1,]$y]<<-e$col_path
         e$tail<<-e$tail[-1,]
         m[e$lastx,e$lasty]<<-e$col_tail
       }
       
       if(debug){
         print(paste("snake idx",index(e$col_head)))
         print(paste("snake axis:",e$head[1],e$head[2]))  
       }
     },
     
     # 画布背景
     drawTable=function(){
       if(isFail) return(NULL)
       
       plot(0,0,xlim=c(0,1),ylim=c(0,1),type='n',xaxs="i", yaxs="i")
       
       if(debug){
         # 显示背景表格
         abline(h=seq(0,1,e$step),col="gray60") # 水平线
         abline(v=seq(0,1,e$step),col="gray60") # 垂直线
         # 显示矩阵
         df<-data.frame(x=rep(seq(0,0.95,e$step),width),y=rep(seq(0,0.95,e$step),each=height),lab=seq(1,width*height))
         text(df$x+e$step/2,df$y+e$step/2,label=df$lab)
       }
     },
     
     # 根据矩阵画数据
     drawMatrix=function(){
       if(isFail) return(NULL)
       
       idx<-which(m>0)
       px<- (ifelse(idx%%width==0,width,idx%%width)-1)/width+e$step/2
       py<- (ceiling(idx/height)-1)/height+e$step/2
       pxy<-data.frame(x=px,y=py,col=m[idx])
       points(pxy$x,pxy$y,col=pxy$col,pch=15,cex=4.4)
     },
     
     # 游戏场景
     stage1=function(){
       callSuper()
       
       furit()
       head()
       lose()
       body()
       drawTable()
       drawMatrix()  
     },
     
     # 开机画图
     stage0=function(){
       callSuper()
       plot(0,0,xlim=c(0,1),ylim=c(0,1),type='n',xaxs="i", yaxs="i")
       text(0.5,0.7,label=name,cex=5)
       text(0.5,0.4,label="Any keyboard to start",cex=2,col=4)
       text(0.5,0.3,label="Up,Down,Left,Rigth to control direction",cex=2,col=2)
       text(0.2,0.05,label="Author:DanZhang",cex=1)
       text(0.5,0.05,label="http://blog.fens.me",cex=1)
     },
     
     # 结束画图
     stage2=function(){
       callSuper()
       info<-paste("Congratulations! You have eat",nrow(e$tail),"fruits!")
       print(info)
       
       plot(0,0,xlim=c(0,1),ylim=c(0,1),type='n',xaxs="i", yaxs="i")
       text(0.5,0.7,label="Game Over",cex=5)
       text(0.5,0.4,label="Space to restart, q to quit.",cex=2,col=4)
       text(0.5,0.3,label=info,cex=2,col=2)
       text(0.2,0.05,label="Author:DanZhang",cex=1)
       text(0.5,0.05,label="http://blog.fens.me",cex=1)
     },
     
     # 键盘事件,控制场景切换
     keydown=function(K){
       callSuper(K)
       
       if(stage==1){ #游戏中
         if(K == "q") stage2()
         else {
           if(tolower(K) %in% c("up","down","left","right")){
             e$lastd<<-e$dir
             e$dir<<-tolower(K)
             stage1()  
           }
         }
         return(NULL)
       }
       return(NULL)
     }
   )                   
)

snake<-function(){
  game<-Snake$new()
  game$initFields(debug=TRUE)
  game$run()
}

snake()

最后,我们运行snake.r的程序,就完成了整个贪食蛇游戏。游戏运行效果,可以查看上一篇文章,R语言游戏之旅 贪食蛇入门 的游戏截图和动画。

对于贪食蛇游戏的开发,我们已经完成了,虽然界面还是比较土,而且没有时间维度的操作。那么我们换一个角度思考,如果不太要求画面效果,而且不需要时间维度的游戏,是不是R语言会表现的更好呢?当然,这类游戏也有很多,比如最近流行的2048。那么接下来,就用我们的游戏框架,再来做一个2048的游戏吧,试试在100行之内实现。

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