【细节呈现】用Python编写2048游戏(命令行版)

本篇博文围绕使用Python开发热门游戏2048 GAME（命令行版本）
代码未做任何优化（原生且随意）、全程以面向过程、MVC的设计思想为主、开发环境是Ubuntu系统下的Pycharm

2048是我学习Python过程中的一个作业，直入正题——

一、了解游戏

1. 介绍

《2048》是一款单人在线和移动端游戏，由19岁的意大利人Gabriele Cirulli于2014年3月开发。游戏任务是在一个网格上滑动小方块来进行组合，直到形成一个带有有数字2048的方块（来源：维基百科）

2. 玩法规则

通过方向键让方块整体上下左右移动
如果两个带有相同数字的方块在移动中碰撞，则它们会相加合并为一个新方块
每次出现方块移动时，都会有一个值为2或者4的新方块出现
初始开局时，4*4的方块，随机2个方块赋值2或者4
其中所出现的数字都是2的幂，2，4，8，16…

二、MVC设计

Model：无
View：终端界面（有时间再研究一下pyQt），打印二维列表，输入输出控制
Controller:二维列表-矩阵、数据控制、上下左右操作、计分机制、方块合并处理等等

三、核心函数

通过观察游戏界面，可知数据由二维数组（线性代数–方阵）存储，将上图映射到如下代码：

source = [
    [0, 0, 0, 0],
    [0, 0, 2, 2],
    [0, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, 0]
]

通过玩法规则第1条可知，方向键上下左右移动，四种移动必然存在相似的操作，祁天暄讲师通过分析向左移动来书写后续代码，我这里也会以向左移动来分析如何写后续的代码。

[0, 0, 2, 2]

取上述一行，按左方向键移动后，可以看到两个方块2持续左移（如果左边还有非0的方块，那么就会顶住该非0的方块），然后相撞变成方块4，因为有方块移动，所以随机挑选一个方块0进行填充成2（不限于当前行，也可能发生在其他行）：

本行规律：

[0, 0, 2, 2] >发生滑动> [2, 2, 0, 0] >相等相撞求和> [4, 0, 0, 0] >随机填充> [4, 0, 0, 2]

经过多局游戏结合上方的规律，可以得知以下规律：

[0, 0, 2, 2] >发生滑动> [2, 2, 0, 0] >相等相撞求和> [4, 0, 0, 0] >随机填充> [4, 0, 0, 2]
[4, 0, 2, 2] >发生滑动> [4, 2, 2, 0] >相等相撞求和> [4, 4, 0, 0] >随机填充> [4, 4, 0, 4]
[4, 4, 2, 2] >发生滑动，不动> [4, 4, 2, 2] >相等相撞求和> [8, 4, 0, 0] >随机填充> [4, 0, 0, 2]

1. 滑动处理

发生滑动的环节，可以得出一个规律，有0在非0元素的前方则必滑动，否则不动

[0, 0, 2, 2] >发生滑动> [2, 2, 0, 0]
[4, 0, 2, 2] >发生滑动> [4, 2, 2, 0]
[4, 4, 2, 2] >发生滑动，不动> [4, 4, 2, 2]

所以此处构造一个zero_to_end函数，功能就是将0移至末尾处，并保持非0元素应有的顺序，先看一下中规中矩的方式（冒泡式的移动，时间复杂度较高）：

def zero_to_end(list_data):
    for i in range(3, -1, -1):
        for j in range(i):
            if list_data[j] == 0:
                list_data[j], list_data[j + 1] = list_data[j + 1], list_data[j]

再看一下另一种写法（采用该函数，时间复杂度为O(n)）：

def zero_to_end(list_data):
    """
    重排序函数（核心算法）
    非0元素移至最前（保持顺序），0元素移至最后，充当中间人处理列表的角色
    :param list_data: list 一维列表
    :return: None
    """
    for i in range(3, -1, -1):
        if not list_data[i]:
            del list_data[i]
            list_data.append(0)

2. 相等相撞求和

经上一函数，每一行列表都被处理成：若干非0元素有序在前，若干0元素在后。

[2, 2, 0, 0] >相等相撞求和> [4, 0, 0, 0]
[4, 2, 2, 0] >相等相撞求和> [4, 4, 0, 0]
[4, 4, 2, 2] >相等相撞求和> [8, 4, 0, 0]

相等相撞求和这个过程肯定要统一函数处理，增加复用性，因此需要详细拆分该流程的细节：

[4, 2, 2, 0]
如果第1个元素等==第2个元素：
    则第1个元素 + 第2个元素，并赋给第1个元素的位置
    删除第2个元素
    末尾追加一个0
[4, 2, 2, 0]
如果第2个元素==第3个元素（符合条件）
    则第2个元素 + 第3个元素，并赋给第2个元素的位置[4, 4, 2, 0]
    删除第3个元素[4, 2, 0]
    末尾追加一个0[4, 2, 0, 0]
[4, 2, 0, 0]
如果第3个元素==第4个元素
    则第3个元素 + 第4个元素，并赋给第3个元素的位置
    删除第4个元素
    末尾追加一个0

也就是说，相邻且相等的两个元素相加，应赋值给前方位置的元素，然后删除后方位置的元素，删除了一个，肯定还要凑回去的，根据游戏规则，补0即可

其实上方的逻辑还可以进行优化，当检测到当前位置的元素为0时，直接打断循环即可（因为已经被zero_to_end函数处理过了），封装成merge_single函数如下：

def merge_single(list_data):
    """
    合并元素函数（核心算法）
    重排序后，左边两个相邻相同的非0元素相加，后方补0，并加分（可diy）
    如果两个相邻的元素不同或者为0，则不做其他操作
    :param list_data: list 一维列表
    :return: None
    """
    zero_to_end(list_data)  # 处理一维列表
    for i in range(3):
        if list_data[i] == 0: break  # 检测到当前位置为0，后方就不管了，直接打断
        if list_data[i] == list_data[i + 1]:
            list_data[i] *= 2  # 等价于 += list_data[i + 1]
            del list_data[i + 1]  # 删除 [i + 1]位置的元素
            list_data.append(0)  # 补0

有点不太放心，放一条数据进行测试：

[4, 4, 2, 2] >i = 0，相加> [8, 4, 2, 2] >删除i + 1位置> [8, 2, 2] >补0> [8, 2, 2, 0] 
>循环结束第1次，i = 1，又相加> [8, 4, 2, 0] >又删除i + 1位置> [8, 4, 0] >又补0> [8, 4, 0, 0]
> 循环结束第2次，i = 2，发现是0，直接跳出循环

3. 随机填充

玩法规则第3条，当游戏中，发生方块滑动时，在0元素区域随机抽取一个位置，随机赋值2或者4。

因此，先定义全局变量，一个存2和4的元组，通过random模块实现随机索引获取2或者4。

random_tuple = (2, 4)  # 初始添加的值、移动时添加的值

通过while循环不断寻找随机方格，直到发现该方格存储0，那么该方格将被赋予新值。

def random_site():
    """
    随机填充0元素函数（非核心）
    随机挑选0元素的位置，进行随机填充random_list中的任意一个元素
    可通过增删改变random_list中的元素，从而影响到随机填充的数字
    :return: None
    """
    random_list_len = len(random_tuple)
    while True:
        x = random.randint(0, 3)
        y = random.randint(0, 3)
        if after_source[x][y] == 0:
            after_source[x][y] = random_tuple[random.randint(0, random_list_len - 1)]
            break

四、附加功能函数

通过以上三步，成功的完成了2048的核心功能，接下来逐一部署2048的初始化、游戏操作、用户操作、打印等等函数。

1. 初始数据和矩阵比较

构造游戏初始数据，以全局变量表示：

score = 0  # 初始分数，后续累加即可
source = [
    [0, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, 0]
]

单纯的一个source表示数据可能还不够，我构造了两个4*4的矩阵，分别命名为before_source和after_source：

before_source = [
    [0, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, 0]
]  # 操作前的矩阵
after_source = [
    [0, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, 0]
]  # 操作后的矩阵（当前打印的矩阵）

这两个矩阵，用于用户操作前的一个比较（后台比较），假设用户进行左向移动，那么移动前的数据传给before_source，移动后（即每一行调用merge_single函数后）的数据传给after_source，after_source才是用户需要看的，两者在后台进行比较后，倘若不同，则说明发生了“方块移动”，那么就要调用随机填充的函数，如果相同，说明没有方块滑动，则不可随机填充。假如对以下的数据发起左移操作后，是不存在元素移动的，即不会调用随机填充：

[
    [4, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, 0],
    [2, 4, 2, 0],
    [8, 2, 0, 0]
]

根据上述分析，构造比较函数compare_matrix：

def compare_matrix():
    """
    二维数组比较
    操作前后的二维数组（矩阵）进行比较
    如果不相等，说明有元素可移动，当移动时调用random_site()函数
    """
    if not (before_source == after_source):
        random_site()

2. 矩阵数据打印

每次执行完移动操作后（无论是上下还是左右），肯定都要反馈给用户数据界面，因此需要构造打印矩阵的函数：

def print_list():
    """打印游戏过程中必看的矩阵信息"""
    for single_list in after_source:
        print(single_list)

3. main入口（框架搭建）

调用程序总该需要一个入口，构造main函数。

循环开始阶段，通过global关键字操作全局变量before_source，此处需要注意：应使用深拷贝（需要导入copy模块），将当前的数据拷贝给before_source，如果采取浅拷贝，操作after_source后，before_source也会跟随变化，这样就导致before_source恒等于after_source。

上下左右以input输入（w 、s、a、d）来进行移动，n表示主动认输，q表示退出游戏。

每次执行完移动操作后，都需要进行反馈数据界面，所以循环末尾需要调用print_list函数和打印当前分数：

def main():
    """程序入口：初始化 + 输入 + 输出"""
    while True:
        global before_source
        before_source = copy.deepcopy(after_source)
        key = input("键入：")
        if key == "a": pass
        if key == "d": pass
        if key == "w": pass
        if key == "s": pass
        if key == "n": pass
        if key == "q": break  
        print_list()
            
            
main()  # 调用main函数，即正常游戏的入口

当准备输入时，手动中止程序，会发现很烦人的红色报错：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-GlpgZPVR-1674483797911)(/home/ronan/.config/Typora/typora-user-images/image-20230123213355607.png)]

因此加上try和except简单的处理一下：

def main():
    """程序入口：初始化 + 输入 + 输出"""
    while True:
        try:
            key = input("键入：")
            global before_source
            before_source = copy.deepcopy(after_source)
            if key == "a": pass
            if key == "d": pass
            if key == "w": pass
            if key == "s": pass
            if key == "n": pass
            if key == "q": break
            print(f"当前分数：{score}")
            print_list()
        except KeyboardInterrupt:
            break
        
            
            
main()  # 调用main函数，即正常游戏的入口

4. 实现认输功能

构建forfeit函数，打印最终分数后，人为抛出KeyboardInterrupt异常，直接调到except执行break打断循环（为了不在打印最终得分后，执行后续两条语句）：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-JqFS4KKo-1674483797912)(/home/ronan/.config/Typora/typora-user-images/image-20230123214632123.png)]

def forfeit():
    """认输"""
    print(f"玩家已认输，最终得分：{score}")
    raise KeyboardInterrupt

5. 加分机制

每发生方块碰撞合并后，相加数字即为当局加分，比如初始为0，两个相邻的方块2碰撞合并后变成方块4，当前分数+4，即分数为4。

在merge_single函数中（参考2.2的函数），list_data.append(0)语句后添加下述代码：

global score
score += list_data[i]

即：

def merge_single(list_data):
    """
    合并元素函数（核心算法）
    重排序后，左边两个相邻相同的非0元素相加，后方补0，并加分（可diy）
    如果两个相邻的元素不同或者为0，则不做其他操作
    :param list_data: list 一维列表
    :return: None
    """
    zero_to_end(list_data)
    for i in range(3):
        if list_data[i] == 0: break
        if list_data[i] == list_data[i + 1]:
            list_data[i] *= 2
            del list_data[i + 1]
            list_data.append(0)
            global score
            score += list_data[i]

6. 游戏初始化

为了让游戏设置得灵活一点，增加全局变量init_count，表示初始方块需赋值2或者4的个数，通常为2。

init_count = 2  # 初始值的个数


def init():
    """
    游戏初始化
    :return: None
    """
    print(f"""当前分数：{score}\n操作方式：q退出 n认输
       w(上)
a(左)  s(下)  d(右)""")
    for i in range(init_count):  # 随机生成init_count个初始值
        random_site()
    print_list()

7. 各方向移动操作

首先要明确，核心函数中第2节的相等相撞合并函数，仅仅针对一维列表，而整个游戏以二维列表为主，因此需要复用该代码：

def merge():
    """合并操作，详见merge_single()函数"""
    for i in range(4):
        merge_single(after_source[i])

接下来逐一分析，左右上下操作如何实现…

（1）左（基础操作）

调用merge函数，完成滑动合并，然后比较前后矩阵相等来决定是否调用随机填充（即调用compare_matrix函数）

def left():
    """向左操作"""
    merge()

（2）右

最暴力无脑的办法就是复制上述函数代码，然后更改，但是我一直写这些简单清晰的函数，就是为了复用，所以这里应该想办法复用merge等代码，我以向左操作为基础，仅看merge函数，假设每一行都逆转，再进行向左的核心操作，再逆转回去，不就可以了吗，比如：

[0, 2, 2, 4]向右移动操作后变成[0, 0, 4, 4]
[0, 2, 2, 4] >逆转> [4, 2, 2, 0] >merge> [4, 4, 0, 0] >逆转> [0, 0, 4, 4]

因此代码如下：

def reverse():
    """逆转2048二维列表中的每一行一维列表"""
    for i in range(4):
        after_source[i].reverse()

def right():
    """向右操作"""
    reverse()
    merge()
    reverse()

（3）上

同样为了复用，以向左操作为基础，仅看merge函数，假设进行矩阵转置，然后调用merge操作，再转置，比如：

[0, 2, 0, 0]
[4, 2, 0, 0]
[0, 0, 4, 0]
[4, 0, 0, 0]
转置后
[0, 4, 0, 4]
[2, 2, 0, 0]
[0, 0, 4, 0]
[0, 0, 0, 0]
调用merge后
[8, 0, 0, 0]
[4, 0, 0, 0]
[4, 0, 0, 0]
[0, 0, 0, 0]
再转置回来，得到结果
[8, 4, 4, 0]
[0, 0, 0, 0]
[0, 0, 0, 0]
[0, 0, 0, 0]

因此代码如下（3种转置均可）：

def transposition():
    """二维列表转置（矩阵转置）"""
    for x in range(4):
        for y in range(x, 4):
            after_source[x][y], after_source[y][x] = after_source[y][x], after_source[x][y]

def transposition():
    """二维列表转置（矩阵转置）"""
    new_map = [list(item) for item in zip(*after_source)]
    after_source.clear()
    after_source.extend(new_map)

def transposition():
    """二维列表转置（矩阵转置）"""
    new_map = [list(item) for item in zip(*after_source)]
    after_source[:] = new_map

def up():
    """向上操作"""
    transposition()
    merge()
    transposition()

（3）下

根据上移和右移操作所得的灵感，同样是以左移为基础操作。假设进行矩阵转置，逆转后，调用merge操作，再逆转，再转置，比如：

[0, 2, 0, 0]
[4, 2, 0, 0]
[0, 0, 4, 0]
[4, 0, 0, 0]
转置后
[0, 4, 0, 4]
[2, 2, 0, 0]
[0, 0, 4, 0]
[0, 0, 0, 0]
逆转每一行后
[4, 0, 4, 0]
[0, 0, 2, 2]
[0, 4, 0, 0]
[0, 0, 0, 0]
调用merge后
[8, 0, 0, 0]
[4, 0, 0, 0]
[4, 0, 0, 0]
[0, 0, 0, 0]
再逆转回来
[0, 0, 0, 8]
[0, 0, 0, 4]
[0, 0, 0, 4]
[0, 0, 0, 0]
再转置回来，得到结果
[0, 0, 0, 0]
[0, 0, 0, 0]
[0, 0, 0, 0]
[8, 4, 4, 0]