用 Python 寫個貪吃蛇，保姆級教程！
本文基于 Windows 環(huán)境開發(fā)，適合 Python 新手
本文作者：HelloGitHub-Anthony
HelloGitHub 推出的《講解開源項目》系列，本期介紹 Python 練手級項目——貪吃蛇！
原本想推薦一個貪吃蛇的開源項目：python-console-snake，但由于該項目最近一次更新是 8 年前，而且在運行的時候出現(xiàn)了諸多問題。索性我就動手用 Python 重新寫了一個貪吃蛇游戲。
項目地址：https://github.com/AnthonySun256/easy_games
下面我們就一起用 Python 實現(xiàn)一個簡單有趣的命令行貪吃蛇小游戲，啟動命令：
git clone https://github.com/AnthonySun256/easy_games
cd easy_games
python snake
本文包含設(shè)計和講解，整體分為兩個部分：第一部分是關(guān)于 Python 命令行圖形化庫 curses 接著是 snake 相關(guān)代碼。
一、初識 curses
Python 已經(jīng)內(nèi)置了 curses 庫，但是對于 Windows 操作系統(tǒng)我們需要安裝一個補(bǔ)丁以進(jìn)行適配。
Windows 下安裝補(bǔ)全包：
pip install windows-curses
curses 是一個應(yīng)用廣泛的圖形函數(shù)庫，可以在終端內(nèi)繪制簡單的用戶界面。
在這里我們只進(jìn)行簡單的介紹，只學(xué)習(xí)貪吃蛇需要的功能
如果您已經(jīng)接觸過 curses，請?zhí)^此部分內(nèi)容。
1.1 簡單使用
Python 內(nèi)置了 curses 庫，其使用方法非常簡單，以下腳本可以顯示出當(dāng)前按鍵對應(yīng)編號：
# 導(dǎo)入必須的庫
import curses
import time
# 初始化命令行界面，返回的 stdscr 為窗口對象，表示命令行界面
stdscr = curses.initscr()
# 使用 noecho 方法關(guān)閉命令行回顯
curses.noecho()
# 使用 nodelay(True) 方法讓 getch 為非阻塞等待（即使沒有輸入程序也能繼續(xù)執(zhí)行）
stdscr.nodelay(True)
while True:
# 清除 stdscr 窗口的內(nèi)容（清除殘留的符號）
stdscr.erase()
# 獲取用戶輸入并放回對應(yīng)按鍵的編號
# 非阻塞等待模式下沒有輸入則返回 -1
key = stdscr.getch()
# 在 stdscr 的第一行第三列顯示文字
stdscr.addstr(1, 3, "Hello GitHub.")
# 在 stdscr 的第二行第三列顯示文字
stdscr.addstr(2, 3, "Key: %d" % key)
# 刷新窗口，讓剛才的 addstr 生效
stdscr.refresh()
# 等待 0.1s 給用戶足夠反應(yīng)時間查看文字
time.sleep(0.1)
您也可以嘗試把 nodelay(True) 改為 nodelay(False) 后再次運行，這時候程序會阻塞在 stdscr.getch() 只有當(dāng)您按下按鍵后才會繼續(xù)執(zhí)行。
1.2 整點花樣
您也許會覺得上面的例子太菜了，隨便用幾個 print 都能達(dá)到相同的效果，現(xiàn)在我們來整點花樣以實現(xiàn)一些使用普通輸出無法達(dá)到的效果。
1.2.1 新建一個子窗口
說再多的話也不如一張圖來的實際：
如果我們想要實現(xiàn)圖中 Game over! 窗口，可以使用 newwin 方法：
import curses
import time
stdscr = curses.initscr()
curses.noecho()
stdscr.addstr(1, 2, "HelloGitHub")
# 新建窗口，高為 5 寬為 25，在命令行窗口的 四行六列處
new_win = curses.newwin(5, 25, 4, 6)
# 使用阻塞等待模式
new_win.nodelay(False)
# 在新窗口的 2 行 3 列處添加文字
new_win.addstr(2, 3, "www.HelloGitHub.com")
# 給新窗口添加邊框，其中邊框符號可以這是，這里使用默認(rèn)字符
new_win.border()
# 刷新窗口
stdscr.refresh()
# 等待字符輸入（這里會一直等待輸入）
new_win.getch()
# 刪除新窗口對象
del new_win
# 清除所有內(nèi)容（比 erase 更徹底）
stdscr.clear()
# 重新添加文字
stdscr.addstr(1, 2, "HelloGitHub")
# 刷新窗口
stdscr.refresh()
# 等待兩秒鐘
time.sleep(2)
# 結(jié)束 curses 模式，恢復(fù)到正常命令行模式
curses.endwin()
除了 curses.newwin 新建一個獨立的窗口，我們還能在任意窗口上使用 subwin 或者 subpad 方法新建子窗口，例如 stdscr.subwin、 stdscr.subpad、new_win.subwin、new_win.subpad 等等，其使用方法與本節(jié)中創(chuàng)建的 new_win 或者 stdscr 沒有區(qū)別，只是新建窗口使用獨立的緩存區(qū)，而子窗口和父窗口共享緩存區(qū)。
如果某個窗口會在使用后刪除，最好使用 newwin 方法新建獨立窗口，以防止刪除子窗口造成父窗口的緩存內(nèi)容出現(xiàn)問題。
1.2.2 上點顏色
白與黑的搭配看久了也會顯得單調(diào)，curses 提供了內(nèi)置顏色可以讓我們自定義前后背景。
在使用彩色模式之前我們需要先使用使用 curses.start_corlor() 進(jìn)行初始化操作：
import curses
import time
stdscr = curses.initscr()
stdscr.nodelay(False)
curses.noecho()
# 初始化彩色模式
curses.start_color()
# 在1號位置添加前景色是綠色，背景色是黑色的彩色對兒
curses.init_pair(1, curses.COLOR_GREEN, curses.COLOR_BLACK)
# 在一行一列處顯示文字，使用 1號 色彩搭配
stdscr.addstr(1, 1, "HelloGitHub!", curses.color_pair(1))
# 阻塞等待按鍵然后結(jié)束程序
stdscr.getch()
curses.endwin()
需要注意的是，0號 位置顏色是默認(rèn)黑白配色，無法修改
1.2.3 給點細(xì)節(jié)
在此部分最后的最后，我們來說說如何給文字加一點文字效果：
import curses
import time
stdscr = curses.initscr()
stdscr.nodelay(False)
curses.noecho()
# 之后的文字都加上下劃線，直到調(diào)用 attroff為止
stdscr.attron(curses.A_UNDERLINE)
stdscr.addstr(1, 1, "www.HelloGitHub.com")
stdscr.getch()
二、貪吃蛇
前面說了這么多，現(xiàn)在終于到了我們的主菜。在這部分，我將一步步教給大家如何從零開始做出一個簡單卻又不失細(xì)節(jié)的貪吃蛇。
2.1 設(shè)計
對于一個項目來講，相比于盡快動手寫下第一行代碼不如先花點時間進(jìn)行一些必要的設(shè)計，畢竟結(jié)構(gòu)決定功能，一個項目沒有一個良好的結(jié)構(gòu)是沒有前途的。
snake 將貪吃蛇這個游戲分為了三大塊：
界面：負(fù)責(zé)顯示相關(guān)的所有工作 游戲流程控制：判斷游戲輸贏、游戲初始化等 蛇和食物：移動自身、判斷是否死亡、是否被吃等
每一塊都被做成了單獨的對象，通過相互配合實現(xiàn)游戲。下面讓我們來分別看看應(yīng)該如何實現(xiàn)。
2.2 蛇語者
對于貪吃蛇游戲里面的蛇來講，它可以做的事情有三種：移動，死亡（吃到自己，撞墻）和吃東西
圍繞著這三個功能，我們可以首先寫出一個簡陋的蛇，其類圖如圖所示：
這個蛇可以檢查自己是不是死亡，是不是吃了東西，以及更新自己的位置信息。
其中，body 和 last_body 是列表，分別存儲當(dāng)前蛇身坐標(biāo)和上一步蛇身坐標(biāo)，默認(rèn)列表第一個元素是蛇頭。direction 是當(dāng)前行進(jìn)方向，window_size 是蛇可以活動的區(qū)域大小。
rest 方法用于重置蛇的狀態(tài)，它與 __init__ 共同負(fù)責(zé)蛇的初始化工作：
class Snake(object):
def __init__(self) -> None:
# Position 是我自定義的類，只有 x, y 兩個屬性，存儲一個坐標(biāo)點
# 初始化蛇可以移動范圍的大小
self.window_size = Position(game_config.game_sizes["width"], game_config.game_sizes["height"])
# 初始化移動方向
self.direction = game_config.D_Down
# 重置身體列表
self.body = []
self.last_body = []
# 生成新的身體，默認(rèn)在左上角，頭朝下，長三個格子
for i in range(3):
self.body.append(Position(2, 3 - i))
# rest 重置相關(guān)屬性
def reset(self) -> None:
self.direction = game_config.D_Down
self.body = []
self.last_body = []
for i in range(3):
self.body.append(Position(2, 3 - i))
Position 是我自定義的類，只有 x, y 兩個屬性，存儲一個坐標(biāo)點
在最開始我們可能只是模糊的感覺應(yīng)該有這幾個屬性，但是對于其中的內(nèi)容和初始化方法又不完全清楚，這是正常的。我們需要做的就是繼續(xù)實現(xiàn)需要的功能，在實踐中添加和完善最初的構(gòu)想。
之后，我們從繼續(xù)上到下實現(xiàn)，對照類圖，我們接下來應(yīng)該實現(xiàn)一下 update_snake_pos 即 更新蛇的位置，這部分非常簡單：
def update_snake_pos(self) -> None:
# 這個函數(shù)在文章下方，獲得蛇在 x, y 方向上分別增加多少
dis_increment_factor = self.get_dis_inc_factor()
# 需要注意，這里要用深拷貝（import copy）
self.last_body = copy.deepcopy(self.body)
# 先移動蛇頭，然后蛇身依次向前
for index, item in enumerate(self.body):
if index < 1:
item.x += dis_increment_factor.x
item.y += dis_increment_factor.y
else: # 剩下的部分要跟著前一部分走
item.x = self.last_body[index - 1].x
item.y = self.last_body[index - 1].y
其實 last_body 可以只記錄最后一次修改的身體，這里我偷了個懶
在這里有一個細(xì)節(jié)，如果我們是第一次寫這個函數(shù)，為了讓蛇頭能夠正確的按照玩家操作移動，我們需要知道蛇頭元素在 x, y 方向上各移動了多少。
最簡單的方法是直接一串 if-elif，判斷方向再相加：
if self.direction == LEFT:
head.x -= 1
elif self.direction == RIGHT:
head.x += 1
....
但是這樣的問題在于，如果我們的需求更改（比如我現(xiàn)在說蛇可以一次走兩個格子，或者吃了特殊道具 x, y 方向上走的距離不一樣等等）直接修改這樣的代碼會讓人很痛苦。
所以在這里更好的解決辦法是使用一個 dis_increment_factor 存儲蛇再 x 和 y 上各移動多少，并且新建一個函數(shù) get_dis_inc_factor 進(jìn)行判斷：
def get_dis_inc_factor(self) -> Position:
# 初始化
dis_increment_factor = Position(0, 0)
# 修改每個方向上的速度
if self.direction == game_config.D_Up:
dis_increment_factor.y = -1
elif self.direction == game_config.D_Down:
dis_increment_factor.y = 1
elif self.direction == game_config.D_Left:
dis_increment_factor.x = -1
elif self.direction == game_config.D_Right:
dis_increment_factor.x = 1
return dis_increment_factor
當(dāng)然了，這么做或許有點多余，但是努力做到一個函數(shù)只做一件事情能幫助化簡我們的代碼，降低寫出又臭又長還難調(diào)試代碼的可能性。
解決了移動問題，下一步就是考慮貪吃蛇如何吃到食物了，在這里我們用 check_eat_food 和 eat_food 兩個函數(shù)完成：
def eat_food(self, food) -> None:
self.body.append(self.last_body[-1]) # 長大一個元素
def check_eat_food(self, foods: list) -> int: # 返回吃到了哪個食物
# 遍歷食物，看看當(dāng)前食物和蛇頭是不是重合，重合就是吃到
for index, food in enumerate(foods):
if food == self.body[0]:
# 吃到食物則調(diào)用 eat_food 函數(shù)，處理蛇身長大等操作
self.eat_food(food)
# 彈出吃掉的食物
foods.pop(index)
# 返回吃掉食物的序號，沒吃則返回 -1
return index
return -1
在這里，foods 是一個存儲著所有食物位置信息的列表，每次蛇體移動后都會調(diào)用 check_eat_food 函數(shù)檢查是不是吃到了某一個食物。
可以發(fā)現(xiàn)，檢查是不是「吃到」和「吃下去」這兩個動作我分為了兩個函數(shù)，以做到每個函數(shù)「一心一意」方便后期修改。
現(xiàn)在，我們的蛇已經(jīng)能跑能吃了。但是作為一只能照顧自己的貪吃蛇，我們還需要能夠判斷當(dāng)前自身狀態(tài)，比如最基本的我需要知道我剛剛是不是咬到自己了，只需要看看蛇頭是不是移動到了身體里面：
def check_eat_self(self) -> bool:
return self.body[0] in self.body[1:] # 判斷蛇頭是不是和身體重合
或者我想知道是不是跑得太快而撞了墻：
def check_hit_wall(self) -> bool:
# 是不是在上下邊框之間
is_between_top_bottom = self.window_size.y - 1 > self.body[0].y > 0
# 是不是在左右邊框之間
is_between_left_right = self.window_size.x - 1 > self.body[0].x > 0
# 返回 是 或者 不是 撞了墻
return not (is_between_top_bottom and is_between_left_right)
這些功能都是簡單得不能再簡單了，但是要相信自己，就是這么簡單的幾行代碼就能實現(xiàn)一個聽你指揮能做出復(fù)雜動作的蛇
完整代碼：https://github.com/AnthonySun256/easy_games
2.3 命令行？畫板！
上一節(jié)中我們實現(xiàn)了游戲里的第一位角色：蛇。為了將它顯示出來我們現(xiàn)在需要將我們的命令行改造成一塊「畫板」。
在動手之前我們同樣思考：我們需要畫哪些東西在我們的命令行上？直接上類圖：
是不是覺得有些眼花繚亂以至于感覺無從下手？其實 Graphic 類方法雖多但是大多數(shù)方法只是執(zhí)行一個特定的功能而已，而且每次更新游戲只需要調(diào)用 draw_game 方法即可：
def draw_game(self, snake: Snake, foods, lives, scores, highest_score) -> None:
# 清理窗口字符
self.window.erase()
# 繪制幫助信息
self.draw_help()
# 更新當(dāng)前幀率
self.update_fps()
# 繪制幀率信息
self.draw_fps()
# 繪制生命、得分信息
self.draw_lives_and_scores(lives, scores, highest_score)
# 繪制邊框
self.draw_border()
# 繪制食物
self.draw_foods(foods)
# 繪制蛇身體
self.draw_snake_body(snake)
# 更新界面
self.window.refresh()
# 更新界面
self.game_area.refresh()
# 延遲一段時間，以控制幀率
time.sleep(self.delay_time)
遵循從上到下設(shè)計，從下到上實現(xiàn)的原則
可以看出 draw_game 實際上已經(jīng)完成了 Graphic 的所有功能。
再往下深入，我們可以發(fā)現(xiàn)類似 draw_foods、draw_snake_body 實現(xiàn)基本一樣，都是遍歷坐標(biāo)列表然后直接在相應(yīng)位置上添加字符即可：
def draw_snake_body(self, snake: Snake) -> None:
for item in snake.body:
self.game_area.addch(item.y, item.x,
game_config.game_themes["tiles"]["snake_body"],
self.C_snake)
def draw_foods(self, foods) -> None:
for item in foods:
self.game_area.addch(item.y, item.x,
game_config.game_themes["tiles"]["food"],
self.C_food)
將其分開實現(xiàn)也是為了保持代碼干凈易懂以及方便后期修改。draw_help、draw_fps、draw_lives_and_scores 也是分別打印了不同文字信息，沒有任何新的花樣。
update_fps 實現(xiàn)了幀率的估算以及調(diào)節(jié)等待時間穩(wěn)定幀率：
def esp_fps(self) -> bool: # 返回是否更新了fps
# 每 fps_update_interval 幀計算一次
if self.frame_count < self.fps_update_interval:
self.frame_count += 1
return False
# 計算時間花費
time_span = time.time() - self.last_time
# 重置開始時間
self.last_time = time.time()
# 估算幀率
self.true_fps = 1.0 / (time_span / self.frame_count)
# 重置計數(shù)
self.frame_count = 0
return True
def update_fps(self) -> None:
# 如果重新估計了幀率
if self.esp_fps():
# 計算誤差
err = self.true_fps - self.target_fps
# 調(diào)節(jié)等待時間，穩(wěn)定fps
self.delay_time += 0.00001 * err
draw_message_window 則實現(xiàn)了繪制勝利、失敗的畫面：
def draw_message_window(self, texts: list) -> None: # 接收一個 str 列表
text1 = "Press any key to continue."
nrows = 6 + len(texts) # 留出行與行之間的空隙
ncols = max(*[len(len_tex) for len_tex in texts], len(text1)) + 20
# 居中顯示窗口
x = (self.window.getmaxyx()[1] - ncols) / 2
y = (self.window.getmaxyx()[0] - nrows) / 2
pos = Position(int(x), int(y))
# 新建獨立窗口
message_win = curses.newwin(nrows, ncols, pos.y, pos.x)
# 阻塞等待，實現(xiàn)任意鍵繼續(xù)效果
message_win.nodelay(False)
# 繪制文字提示
# 底部文字居中
pos.y = nrows - 2
pos.x = self.get_middle(ncols, len(text1))
message_win.addstr(pos.y, pos.x, text1, self.C_default)
# 繪制其他信息
pos.y = 2
for text in texts:
pos.x = self.get_middle(ncols, len(text))
message_win.addstr(pos.y, pos.x, text, self.C_default)
pos.y += 1
# 繪制邊框
message_win.border()
# 刷新內(nèi)容
message_win.refresh()
# 等待任意按鍵
message_win.getch()
# 恢復(fù)非阻塞模式
message_win.nodelay(True)
# 清空窗口
message_win.clear()
# 刪除窗口
del message_win
這樣，我們就實現(xiàn)了游戲動畫的顯示！
2.4 控制！
到目前為止，我們實現(xiàn)了游戲內(nèi)容繪制以及游戲角色實現(xiàn)，本節(jié)我們來學(xué)習(xí) snake 的最后一個內(nèi)容：控制。
老規(guī)矩，敲代碼之前我們應(yīng)該先想一想：如果要寫一個 control 類，他應(yīng)該都包含哪些方法呢？
仔細(xì)思考也不難想到：應(yīng)該有一個循環(huán)，只要沒輸或者沒贏就一直進(jìn)行游戲，每輪應(yīng)該更新畫面、蛇移動方向等等。這就是我們的 start：
def start(self) -> None:
# 重置游戲
self.reset()
# 游戲運行標(biāo)志
while self.game_flag:
# 繪制游戲
self.graphic.draw_game(self.snake, self.foods, self.lives, self.scores, self.highest_score)
# 讀取按鍵控制
if not self.update_control():
continue
# 控制游戲速度
if time.time() - self.start_time < 1/game_config.snake_config["speed"]:
continue
self.start_time = time.time()
# 更新蛇
self.update_snake()
只要我們寫出了 start 對于剩下的結(jié)構(gòu)也就能輕松的實現(xiàn)，比如讀取按鍵控制就是最基本的比較數(shù)字是不是一樣大：
def update_control(self) -> bool:
key = self.graphic.game_area.getch()
# 不允許 180度 轉(zhuǎn)彎
if key == curses.KEY_UP and self.snake.direction != game_config.D_Down:
self.snake.direction = game_config.D_Up
elif key == curses.KEY_DOWN and self.snake.direction != game_config.D_Up:
self.snake.direction = game_config.D_Down
elif key == curses.KEY_LEFT and self.snake.direction != game_config.D_Right:
self.snake.direction = game_config.D_Left
elif key == curses.KEY_RIGHT and self.snake.direction != game_config.D_Left:
self.snake.direction = game_config.D_Right
# 判斷是不是退出
elif key == game_config.keys['Q']:
self.game_flag = False
return False
# 判斷是不是重開
elif key == game_config.keys['R']:
self.reset()
return False
更新蛇的狀態(tài)時只需要判斷是不是死亡、勝利、吃到東西就可：
def update_snake(self) -> None:
self.snake.update_snake_pos()
index = self.snake.check_eat_food(self.foods)
if index != -1: # 如果吃到食物
# 得分 +1
self.scores += 1
# 如果填滿了游戲區(qū)域就勝利
if len(self.snake.body) >= (self.snake.window_size.x - 2) * (self.snake.window_size.y - 2): # 蛇身已經(jīng)填滿游戲區(qū)域
self.win()
else:
# 再放置一個食物
self.span_food()
# 如果死了，就看看是不是游戲結(jié)束
if not self.snake.check_alive():
self.game_over()
2.5 直接使用
為了讓這個包能夠直接使用 python snake 就能直接開始游戲，我們來看一下 __main__.py：
import game
g = game.Game()
g.start()
g.quit()
當(dāng)我們嘗試直接運行一個包時，Python 從 __main__.py 中開始執(zhí)行，對于我們寫好的代碼，只需三行即可開始游戲！
三、結(jié)尾
到這里如何編寫一個貪吃蛇游戲就結(jié)束啦！實際上編寫一個小游戲不難，對于新手來講難點在于如何去組織程序的結(jié)構(gòu)。我所實現(xiàn)的只是其中的一種方法，每個人對于游戲結(jié)構(gòu)理解不同所寫出的代碼也會不同。但無論怎樣，我們都應(yīng)該遵循一個目標(biāo)：盡量遵循代碼規(guī)范，養(yǎng)成良好的風(fēng)格。這樣不僅利于別人閱讀你的代碼，也利于自己排查 bug、增加新的功能。
最后，感謝您的閱讀。這里是 HelloGitHub 分享 GitHub 上有趣、入門級的開源項目。您的每個點贊、留言、分享都是對我們最大的鼓勵，筆芯～
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