使用Python和Asyncio編寫在線多人游戲（三）
在這個系列中，我們基于多人游戲 貪吃蛇 來制作一個異步的 Python 程序。上一篇文章聚焦于編寫游戲循環上，而本系列第 1 部分則涵蓋了如何異步化。
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4、制作一個完整的游戲
4.1 工程概覽
在此部分，我們將回顧一個完整在線游戲的設計。這是一個經典的貪吃蛇游戲，增加了多玩家支持。你可以自己在 (http://snakepit-game.com) 親自試玩。源碼在 GitHub 的這個倉庫。游戲包括下列文件：
- server.py - 處理主游戲循環和連接。
- game.py - 主要的 Game 類。實現游戲的邏輯和游戲的大部分通信協議。
- player.py - Player 類，包括每一個獨立玩家的數據和蛇的展現。這個類負責獲取玩家的輸入并相應地移動蛇。
- datatypes.py - 基本數據結構。
- settings.py - 游戲設置，在注釋中有相關的說明。
- index.html - 客戶端所有的 html 和 javascript代碼都放在一個文件中。
4.2 游戲循環內窺
多人的貪吃蛇游戲是個用于學習十分好的例子，因為它簡單。所有的蛇在每個幀中移動到一個位置，而且幀以非常低的頻率進行變化，這樣就可以讓你就觀察到游戲引擎到底是如何工作的。因為速度慢，對于玩家的按鍵不會立馬響應。按鍵先是記錄下來，然后在一個游戲循環迭代的最后計算下一幀時使用。
現代的動作游戲幀頻率更高，而且通常服務端和客戶端的幀頻率是不相等的。客戶端的幀頻率通常依賴于客戶端的硬件性能，而服務端的幀頻率則是固定的。一個客戶端可能根據一個游戲“嘀嗒”的數據渲染多個幀。這樣就可以創建平滑的動畫，這個受限于客戶端的性能。在這個例子中，服務端不僅傳輸物體的當前位置，也要傳輸它們的移動方向、速度和加速度。客戶端的幀頻率稱之為 FPS(每秒幀數(frames per second))，服務端的幀頻率稱之為 TPS(每秒滴答數(ticks per second))。在這個貪吃蛇游戲的例子中，二者的值是相等的，在客戶端顯示的一幀是在服務端的一個“嘀嗒”內計算出來的。
我們使用類似文本模式的游戲區域，事實上是 html 表格中的一個字符寬的小格。游戲中的所有對象都是通過表格中的不同顏色字符來表示。大部分時候，客戶端將按鍵的碼發送至服務端，然后每個“滴答”更新游戲區域。服務端一次更新包括需要更新字符的坐標和顏色。所以我們將所有游戲邏輯放置在服務端，只將需要渲染的數據發送給客戶端。此外，我們通過替換通過網絡發送的數據來減少游戲被破解的概率。
4.3 它是如何運行的?
這個游戲中的服務端出于簡化的目的，它和例子 3.2 類似。但是我們用一個所有服務端都可訪問的 Game 對象來代替之前保存了所有已連接 websocket 的全局列表。一個 Game 實例包括一個表示連接到此游戲的玩家的 Player 對象的列表(在 self._players 屬性里面)，以及他們的個人數據和 websocket 對象。將所有游戲相關的數據存儲在一個 Game 對象中，會方便我們增加多個游戲房間這個功能——如果我們要增加這個功能的話。這樣，我們維護多個 Game 對象，每個游戲開始時創建一個。
客戶端和服務端的所有交互都是通過編碼成 json 的消息來完成。來自客戶端的消息僅包含玩家所按下鍵碼對應的編號。其它來自客戶端消息使用如下格式：
- [command, arg1, arg2, ... argN ]
來自服務端的消息以列表的形式發送，因為通常一次要發送多個消息 (大多數情況下是渲染的數據)：
- [[command, arg1, arg2, ... argN ], ... ]
在每次游戲循環迭代的最后會計算下一幀，并且將數據發送給所有的客戶端。當然，每次不是發送完整的幀，而是發送兩幀之間的變化列表。
注意玩家連接上服務端后不是立馬加入游戲。連接開始時是觀望者(spectator)模式，玩家可以觀察其它玩家如何玩游戲。如果游戲已經開始或者上一個游戲會話已經在屏幕上顯示 “game over” (游戲結束)，用戶此時可以按下 “Join”(參與)，來加入一個已經存在的游戲，或者如果游戲沒有運行(沒有其它玩家)則創建一個新的游戲。后一種情況下，游戲區域在開始前會被先清空。
游戲區域存儲在 Game._field 這個屬性中，它是由嵌套列表組成的二維數組，用于內部存儲游戲區域的狀態。數組中的每一個元素表示區域中的一個小格，最終小格會被渲染成 html 表格的格子。它有一個 Char 的類型，是一個 namedtuple ，包括一個字符和顏色。在所有連接的客戶端之間保證游戲區域的同步很重要，所以所有游戲區域的更新都必須依據發送到客戶端的相應的信息。這是通過 Game.apply_render() 來實現的。它接受一個 Draw 對象的列表，其用于內部更新游戲區域和發送渲染消息給客戶端。
我們使用 namedtuple 不僅因為它表示簡單數據結構很方便，也因為用它生成 json 格式的消息時相對于 dict 更省空間。如果你在一個真實的游戲循環中需要發送復雜的數據結構，建議先將它們序列化成一個簡單的、更短的格式，甚至打包成二進制格式(例如 bson，而不是 json)，以減少網絡傳輸。
Player 對象包括用 deque 對象表示的蛇。這種數據類型和 list 相似，但是在兩端增加和刪除元素時效率更高，用它來表示蛇很理想。它的主要方法是 Player.render_move()，它返回移動玩家的蛇至下一個位置的渲染數據。一般來說它在新的位置渲染蛇的頭部，移除上一幀中表示蛇的尾巴的元素。如果蛇吃了一個數字變長了，在相應的多個幀中尾巴是不需要移動的。蛇的渲染數據在主類的 Game.next_frame() 中使用，該方法中實現所有的游戲邏輯。這個方法渲染所有蛇的移動，檢查每一個蛇前面的障礙物，而且生成數字和“石頭”。每一個“嘀嗒”，game_loop() 都會直接調用它來生成下一幀。
如果蛇頭前面有障礙物，在 Game.next_frame() 中會調用 Game.game_over()。它后通知所有的客戶端那個蛇死掉了 (會調用 player.render_game_over() 方法將其變成石頭)，然后更新表中的分數排行榜。Player 對象的 alive 標記被置為 False，當渲染下一幀時，這個玩家會被跳過，除非他重新加入游戲。當沒有蛇存活時，游戲區域會顯示 “game over” (游戲結束)。而且，主游戲循環會停止，設置 game.running 標記為 False。當某個玩家下次按下 “Join” (加入)時，游戲區域會被清空。
在渲染游戲的每個下一幀時也會產生數字和石頭，它們是由隨機值決定的。產生數字或者石頭的概率可以在 settings.py 中修改成其它值。注意數字的產生是針對游戲區域每一個活的蛇的，所以蛇越多，產生的數字就越多，這樣它們都有足夠的食物來吃掉。
4.4 網絡協議
從客戶端發送消息的列表：
| 命令 | 參數 | 描述 |
| new_player | [name] | 設置玩家的昵稱 |
| join | 玩家加入游戲 |
從服務端發送消息的列表：
| 命令 | 參數 | 描述 |
| handshake | [id] | 給一個玩家指定 ID |
| world | [[(char, color), ...], ...] | 初始化游戲區域(世界地圖) |
| reset_world | 清除實際地圖，替換所有字符為空格 | |
| render | [x, y, char, color] | 在某個位置顯示字符 |
| p_joined | [id, name, color, score] | 新玩家加入游戲 |
| p_gameover | [id] | 某個玩家游戲結束 |
| p_score | [id, score] | 給某個玩家計分 |
| top_scores | [[name, score, color], ...] | 更新排行榜 |
典型的消息交換順序：
| 客戶端 -> 服務端 | 服務端 -> 客戶端 | 服務端 -> 所有客戶端 | 備注 |
| new_player | 名字傳遞給服務端 | ||
| handshake | 指定 ID | ||
| world | 初始化傳遞的世界地圖 | ||
| top_scores | 收到傳遞的排行榜 | ||
| join | 玩家按下“Join”，游戲循環開始 | ||
| reset_world | 命令客戶端清除游戲區域 | ||
| render, render, ... | 第一個游戲“滴答”，渲染第一幀 | ||
| (key code) | 玩家按下一個鍵 | ||
| render, render, ... | 渲染第二幀 | ||
| p_score | 蛇吃掉了一個數字 | ||
| render, render, ... | 渲染第三幀 | ||
| ... 重復若干幀 ... | |||
| p_gameover | 試著吃掉障礙物時蛇死掉了 | ||
| top_scores | 更新排行榜(如果需要更新的話) |
5. 總結
說實話，我十分享受 Python 最新的異步特性。新的語法做了改善，所以異步代碼很容易閱讀。可以明顯看出哪些調用是非阻塞的，什么時候發生 greenthread 的切換。所以現在我可以宣稱 Python 是異步編程的好工具。
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