H5游戏开发：贪吃蛇 - 悟空前端
贪吃蛇的经典玩法有两种：
- 积分闯关
- 一吃到底
第一种是笔者小时候在掌上游戏机最先体验到的（不小心暴露了年龄），具体玩法是蛇吃完一定数量的食物后就通关，通关后速度会加快；第二种是诺基亚在1997年在其自家手机上安装的游戏，它的玩法是吃到没食物为止。笔者要实现的就是第二种玩法。
MVC设计模式
基于贪吃蛇的经典，笔者在实现它时也使用一种经典的设计模型：MVC（即：Model – View – Control）。游戏的各种状态与数据结构由 Model 来管理；View 用于显示 Model 的变化；用户与游戏的交互由 Control 完成（Control 提供各种游戏API接口）。
Model 是游戏的核心也是本文的主要内容；View 会涉及到部分性能问题；Control 负责业务逻辑。 这样设计的好处是： Model完全独立，View 是 Model 的状态机，Model 与 View 都由 Control 来驱动。
Model
看一张贪吃蛇的经典图片。
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贪吃蛇有四个关键的参与对象：
- 蛇（snake）
- 食物（food）
- 墙（bounds）
- 舞台（zone）
舞台是一个 m * n 的矩阵（二维数组），矩阵的索引边界是舞台的墙，矩阵上的成员用于标记食物和蛇的位置。
空舞台如下：
[
[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0],
[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0],
[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0],
[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0],
[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0],
[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0],
[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0],
[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0],
[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0],
[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0],
]
食物（F）和蛇（S）出现在舞台上：
[
[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0],
[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0],
[0,0,F,0,0,0,0,0,0,0],
[0,0,0,S,S,S,S,0,0,0],
[0,0,0,0,0,0,S,0,0,0],
[0,0,0,0,S,S,S,0,0,0],
[0,0,0,0,S,0,0,0,0,0],
[0,0,0,0,S,0,0,0,0,0],
[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0],
[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0],
]
由于操作二维数组不如一维数组方便，所以笔者使用的是一维数组， 如下：
[
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,F,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,S,S,S,S,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,S,0,0,0,
0,0,0,0,S,S,S,0,0,0,
0,0,0,0,S,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,S,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
]
舞台矩阵上蛇与食物只是舞台对二者的映射，它们彼此都有独立的数据结构：
- 蛇是一串坐标索引链表；
- 食物是一个指向舞台坐标的索引值。
蛇的活动
蛇的活动有三种，如下：
- 移动（move）
- 吃食（eat）
- 碰撞（collision）
移动
蛇在移动时，内部发生了什么变化？
蛇链表在一次移动过程中做了两件事：向表头插入一个新节点，同时剔除表尾一个旧节点。用一个数组来代表蛇链表，那么蛇的移动就是以下的伪代码：
function move(next) {
snake.pop() & snake.unshift(next);
}
数组作为蛇链表合适吗？ 这是笔者最开始思考的问题，毕竟数组的 unshift & pop 可以无缝表示蛇的移动。不过，方便不代表性能好，unshift 向数组插入元素的时间复杂度是 O(n)， pop 剔除数组尾元素的时间复杂度是 O(1)。
蛇的移动是一个高频率的动作，如果一次动作的算法复杂度为 O(n) 并且蛇的长度比较大，那么游戏的性能会有问题。笔者想实现的贪吃蛇理论上讲是一条长蛇，所以笔者在本文章的回复是 —— 数组不适合作为蛇链表。
蛇链表必须是真正的链表结构。 链表删除或插入一个节点的时间复杂度为O(1)，用链表作为蛇链表的数据结构能提高游戏的性能。javascript 没有现成的链表结构，笔者写了一个叫 Chain 的链表类，Chain 提供了 unshfit & pop。以下伪代码是创建一条蛇链表：
let snake = new Chain();
吃食 & 碰撞
「吃食」与「碰撞」区别在于吃食撞上了「食物」，碰撞撞上了「墙」。笔者认为「吃食」与「碰撞」属于蛇一次「移动」的三个可能结果的两个分支。蛇移动的三个可能结果是：「前进」、「吃食」和「碰撞」。
回头看一下蛇移动的伪代码：
function move(next) {
snake.pop() & snake.unshift(next);
}
代码中的 next 表示蛇头即将进入的格子的索引值，只有当这个格子是0时蛇才能「前进」，当这个格子是 S 表示「碰撞」自己，当这个格子是 F表示吃食。
好像少了撞墙？ 笔者在设计过程中，并没有把墙设计在舞台的矩阵中，而是通过索引出界的方式来表示撞墙。简单地说就是 next === -1 时表示出界和撞墙。
以下伪代码表示蛇的整上活动过程：
// B 表示撞墙 let cell = -1 === next ? B : zone[next]; switch(cell) { // 吃食 case F: eat(); break; // 撞到自己 case S: collision(S); break; // 撞墙 case B: collision(B): break; // 前进 default: move; }
随机投食
随机投食是指随机挑选舞台的一个索引值用于映射食物的位置。这似乎很简单，可以直接这样写：
// 伪代码
food = Math.random(zone.length) >> 0;
如果考虑到投食的前提 —— 不与蛇身重叠，你会发现上面的随机代码并不能保证投食位置不与蛇身重叠。由于这个算法的安全性带有赌博性质，且把它称作「赌博算法」。为了保证投食的安全性，笔者把算法扩展了一下：
// 伪代码 function feed() { let index = Math.random(zone.length) >> 0; // 当前位置是否被占用 return zone[index] === S ? feed() : index; } food = feed();
上面的代码虽然在理论上可以保证投食的绝对安全，不过笔者把这个算法称作「不要命的赌徒算法」，因为上面的算法有致命的BUG —— 超长递归 or 死循环。
为了解决上面的致命问题，笔者设计了下面的算法来做随机投食：
// 伪代码 function feed() { // 未被占用的空格数 let len = zone.length - snake.length; // 无法投食 if(len === 0) return ; // zone的索引 let index = 0, // 空格计数器 count = 0, // 第 rnd 个空格子是最终要投食的位置 rnd = Math.random() * count >> 0 + 1; // 累计空格数 while(count !== rnd) { // 当前格子为空，count总数增一 zone[index++] === 0 && ++count; } return index - 1; } food = feed();
这个算法的平均复杂度为 O(n/2)。由于投食是一个低频操作，所以 O(n/2)的复杂度并不会带来任何性能问题。不过，笔者觉得这个算法的复杂度还是有点高了。回头看一下最开始的「赌博算法」，虽然「赌博算法」很不靠谱，但是它有一个优势 —— 时间复杂度为 O(1)。
「赌博算法」的靠谱概率 = (zone.length – snake.length) / zone.length。snake.length 是一个动态值，它的变化范围是：0 ~ zone.length。推导出「赌博算法」的平均靠谱概率是：
「赌博算法」平均靠谱概率 = 50%
看来「赌博算法」还是可以利用一下的。于是笔者重新设计了一个算法：
// 伪代码 function bet() { let rnd = Math.random() * zone.length >> 0; return zone[rnd] === 0 ? rnd : -1; } function feed() { ... } food = bet(); if(food === -1) food = feed();
新算法的平均复杂度可以有效地降低到 O(n/4)，人生有时候需要点运气 : )。
View
在 View 可以根据喜好选择一款游戏渲染引擎，笔者在 View 层选择了 PIXI 作为游戏游戏渲染引擎。
View 的任务主要有两个：
- 绘制游戏的界面；
- 渲染 Model 里的各种数据结构
也就是说 View 是使用渲染引擎还原设计稿的过程。本文的目的是介绍「贪吃蛇」的实现思路，如何使用一个渲染引擎不是本文讨论的范畴，笔者想介绍的是：「如何提高渲染的效率」。
在 View 中显示 Model 的蛇可以简单地如以下伪代码：
// 清空 View 上的蛇 view.snake.clean(); model.snake.forEach( (node) => { // 创建 View 上的蛇节点 let viewNode = createViewNode(node); // 并合一条新蛇 view.snake.push(viewNode); } );
上面代码的时间复杂度是 O(n)。上面介绍过蛇的移动是一个高频的活动，我们要尽量避免高频率地运行 O(n) 的代码。来分析蛇的三种活动：「移动」，「吃食」，「碰撞」。
首先，Model 发生了「碰撞」，View 应该是直接暂停渲染 Model 里的状态，游戏处在死亡状态，接下来的事由 Control 处理。
Model 中的蛇（链表）在一次「移动」过程中做了两件事：向表头插入一个新节点，同时剔除表尾一个旧节点；蛇（链表）在一次「吃食」过程中只做一件事：向表头插入一个新节点。
如果在 View 中对 Model 的蛇链表做差异化检查，View 只增量更新差异部分的话，算法的时间复杂度即可降低至 O(1) ~ O(2) 。以下是优化后的伪代码：
let snakeA = model.snake, snakeB = view.snake; // 增量更新尾部 while(snakeB.length <= snakeA.length) { headA = snakeA.next(); // 头节点匹配 if(headA.data === headB.data) break; // 不匹配 else { // 向snakeB插入头节点 if(snakeA.HEAD === headA.index) { snakeB.unshift(headA.data); } // 向snakeB插入第二个节点 else snakeB.insertAfter(0, headA.data); } } // 增量更新头部 let tailA = snakeA.last(), tailB; while(snakeB.length !== 0) { tailB = snakeB.last(); // 尾节点匹配 if(tailA.data === tailB.data) break; // 不匹配 else snakeB.pop(); }
Control
Control 主要做 3 件事：
- 游戏与用户的互动
- 驱动 Model
- 同步 View 与 Model
「游戏与用户的互动」是指向外提供游戏过程需要使用到的 APIs 与 各类事件。笔者规划的 APIs 如下：
| name | type | deltail |
|---|---|---|
| init | method | 初始化游戏 |
| start | method | 开始游戏 |
| restart | method | 重新开始游戏 |
| pause | method | 暂停 |
| resume | method | 恢复 |
| turn | method | 控制蛇的转向。如：turn(“left”) |
| destroy | method | 销毁游戏 |
| speed | property | 蛇的移动速度 |
事件如下：
| name | detail |
|---|---|
| countdown | 倒时计 |
| eat | 吃到食物 |
| before-eat | 吃到食物前触发 |
| gameover | 游戏结束 |
事件统一挂载在游戏实例下的 event 对象下。
snake.event.on("countdown", (time) => console.log("剩余时间：", time));
「驱动 Model 」只做一件事 —— 将 Model 的蛇的方向更新为用户指定的方向。 「同步 View 与 Model 」也比较简单，检查 Model 是否有更新，如果有更新通知 View 更新游戏界面。
结语
想要贪吃蛇项目源码的加→
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