R语言游戏框架设计
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
贪食蛇的面向对象改造
游戏框架定义
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。
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。
通过run()函数启动游戏，进入stage0场景，注册键盘事件。
在stage0场景按任意键切换到stage1场景。
init()出始化stage1场景的游戏变量。
stage1()运行游戏
当游戏失败fail()或按q键
游戏进行stage2场景，显示游戏结束画面，
按空格键回到stage0重新开始，按q键退出程序。
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。
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。
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。
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。
fail()函数失败检查，no未失败继续，yes失败进行stage2场景。
body()函数，蛇身体移动，记录到矩阵中。
drawTable()函数，画出游戏背景画布。
drawMatrix()函数，画出游戏矩阵。
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。
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。
作者介绍：
张丹，R语言中文社区专栏特邀作者，《R的极客理想》系列图书作者，民生银行大数据中心数据分析师，前况客创始人兼CTO。
10年IT编程背景，精通R ,Java, Nodejs 编程，获得10项SUN及IBM技术认证。丰富的互联网应用开发架构经验，金融大数据专家。个人博客 http://fens.me， Alexa全球排名70k。
著有《R的极客理想-工具篇》、《R的极客理想-高级开发篇》，合著《数据实践之美》，新书《R的极客理想-量化投资篇》(即将出版)。
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