计算物理期末作业

用Python编写贪吃蛇游戏
沙磊 2016301020179

一．介绍：一个完善的贪吃蛇游戏肯定会达到几点要求，比如吃掉每一个食物，和在将屏幕填满之前不会蛇头撞上自己的的蛇身等。那么想要让贪吃蛇真的很贪吃，让它将屏幕内所有食物吃光，并且华丽丽的将屏幕铺满，从而成功结束游戏，我们首先会想到这一定是程序实现的，第二个想到的是写程序该怎么实现，用什么算法。毫无疑问，我们肯定用的是Python。

二.正文：直接写完美版本不是什么好出路，因为完美版本往往要考虑很多东西，直接上来就写这个肯定漏洞百出。我们先写一个可以运行起来的贪吃蛇游戏，仅仅是让程序控制贪吃蛇运动起来，去吃食物，然后再去想其他部分。

三.代码：

coding: utf-8

import curses
from curses import KEY_RIGHT, KEY_LEFT, KEY_UP, KEY_DOWN
from random import randint

蛇运动的场地长宽

HEIGHT = 10
WIDTH = 20
FIELD_SIZE = HEIGHT * WIDTH

蛇头总是位于snake数组的第一个元素

HEAD = 0

用来代表不同东西的数字，由于矩阵上每个格子会处理成到达食物的路径长度，

因此这三个变量间需要有足够大的间隔(>HEIGHT*WIDTH)

FOOD = 0
UNDEFINED = (HEIGHT + 1) * (WIDTH + 1)
SNAKE = 2 * UNDEFINED

由于snake是一维数组，所以对应元素直接加上以下值就表示向四个方向移动

LEFT = -1
RIGHT = 1
UP = -WIDTH
DOWN = WIDTH

错误码

ERR = -1111

用一维数组来表示二维的东西

board表示蛇运动的矩形场地

初始化蛇头在(1,1)的地方，第0行，HEIGHT行，第0列，WIDTH列为围墙，不可用

初始蛇长度为1

board = [0] * FIELD_SIZE
snake = [0] * (FIELD_SIZE+1)
snake[HEAD] = 1*WIDTH+1
snake_size = 1

与上面变量对应的临时变量，蛇试探性地移动时使用

tmpboard = [0] * FIELD_SIZE
tmpsnake = [0] * (FIELD_SIZE+1)
tmpsnake[HEAD] = 1*WIDTH+1
tmpsnake_size = 1

food:食物位置(0~FIELD_SIZE-1),初始在(3, 3)

best_move: 运动方向

food = 3 * WIDTH + 3
best_move = ERR

运动方向数组

mov = [LEFT, RIGHT, UP, DOWN]

接收到的键 和 分数

key = KEY_RIGHT
score = 1 #分数也表示蛇长

检查一个cell有没有被蛇身覆盖，没有覆盖则为free，返回true

def is_cell_free(idx, psize, psnake):
#return not (idx in psnake[:]) #错！psnake后面还有很多没用上的单元
for i in xrange(psize):
if idx == psnake[i]: return False
return True

检查某个位置idx是否可向move方向运动

def is_move_possible(idx, move):
flag = False
if move == LEFT:
flag = True if idx%WIDTH > 1 else False
elif move == RIGHT:
flag = True if idx%WIDTH < (WIDTH-2) else False
elif move == UP:
flag = True if idx > (2*WIDTH-1) else False # 即idx/WIDTH > 1
elif move == DOWN:
flag = True if idx < (FIELD_SIZE-2*WIDTH) else False # 即idx/WIDTH < HEIGHT-2
return flag

重置board

board_refresh后，UNDEFINED值都变为了到达食物的路径长度

如需要还原，则要重置它

def board_reset(psnake, psize, pboard):
for i in xrange(FIELD_SIZE):
# f.write('hello ' + str(len(pboard)) +' ' +str(i)+'\n')
if i == food:
pboard[i] = FOOD
elif is_cell_free(i, psize, psnake): # 该位置为空
pboard[i] = UNDEFINED
else: # 该位置为蛇身
pboard[i] = SNAKE

def board_refresh(pfood, psnake, pboard):

board_changed = True

found = False

while board_changed: # 一直更新board，直到每个格子上的数都对应到达食物的步数，不能再改变为止

board_changed = False

for i in xrange(FIELD_SIZE):

if pboard[i] < SNAKE:

min = pboard[i]

for j in xrange(4):

if is_move_possible(i, mov[j]) and pboard[i+mov[j]] < min:

min = pboard[i+mov[j]]

if pboard[i] > min+1:

pboard[i] = min + 1

board_changed = True

if ~board_changed: break # 不再改变，退出

board_changed = False

for i in xrange(FIELD_SIZE-1, -1, -1): # [FIELD_SIZE-1, 0]

if pboard[i] < SNAKE:

min = pboard[i]

for j in xrange(4):

if is_move_possible(i, mov[j]) and pboard[i+mov[j]] < min:

min = pboard[i+mov[j]]

if pboard[i] > min+1:

pboard[i] = min + 1

board_changed = True

for i in xrange(4):

if is_move_possible(psnake[HEAD], mov[i]) and pboard[psnake[HEAD]+mov[i]]

flag = True

return flag

广度优先搜索遍历整个board，

计算出board中每个非SNAKE元素到达食物的路径长度

def board_refresh(pfood, psnake, pboard):
queue = []
queue.append(pfood)
inqueue = [0] * FIELD_SIZE
found = False
# while循环结束后，除了蛇的身体，
# 其它每个方格中的数字代码从它到食物的路径长度
#f.write('bfs begin:\n')
while len(queue)!=0:
idx = queue.pop(0)
if inqueue[idx] == 1: continue
#f.write(str(idx)+'\n')
inqueue[idx] = 1
for i in xrange(4):
if is_move_possible(idx, mov[i]):
if idx + mov[i] == psnake[HEAD]:
found = True
if pboard[idx+mov[i]] < SNAKE: # 如果该点不是蛇的身体

                if pboard[idx+mov[i]] > pboard[idx]+1:
                    pboard[idx+mov[i]] = pboard[idx] + 1
                if inqueue[idx+mov[i]] == 0:
                    queue.append(idx+mov[i])

#f.write('bfs end\n')
#f.write('found: ' + str(found) +'\n')
return found

从蛇头开始，根据board中元素值，

从蛇头周围4个领域点中选择最短路径

def choose_shortest_safe_move(psnake, pboard):
best_move = ERR
min = SNAKE
for i in xrange(4):
if is_move_possible(psnake[HEAD], mov[i]) and pboard[psnake[HEAD]+mov[i]] min = pboard[psnake[HEAD]+mov[i]]
best_move = mov[i]
return best_move

从蛇头开始，根据board中元素值，

从蛇头周围4个领域点中选择最远路径

def choose_longest_safe_move(psnake, pboard):
best_move = ERR
max = -1
for i in xrange(4):
if is_move_possible(psnake[HEAD], mov[i]) and pboard[psnake[HEAD]+mov[i]]max:
max = pboard[psnake[HEAD]+mov[i]]
best_move = mov[i]
return best_move

检查是否可以追着蛇尾运动，即蛇头和蛇尾间是有路径的

为的是避免蛇头陷入死路

虚拟操作，在tmpboard,tmpsnake中进行

def is_tail_inside():
global tmpboard, tmpsnake, food, tmpsnake_size
tmpboard[tmpsnake[tmpsnake_size-1]] = 0 # 虚拟地将蛇尾变为食物(因为是虚拟的，所以在tmpsnake,tmpboard中进行)
tmpboard[food] = SNAKE # 放置食物的地方，看成蛇身
result = board_refresh(tmpsnake[tmpsnake_size-1], tmpsnake, tmpboard) # 求得每个位置到蛇尾的路径长度
for i in xrange(4): # 如果蛇头和蛇尾紧挨着，则返回False。即不能follow_tail，追着蛇尾运动了
if is_move_possible(tmpsnake[HEAD], mov[i]) and tmpsnake[HEAD]+mov[i]==tmpsnake[tmpsnake_size-1] and tmpsnake_size>3:
result = False
return result

让蛇头朝着蛇尾运行一步

不管蛇身阻挡，朝蛇尾方向运行

def follow_tail():
global tmpboard, tmpsnake, food, tmpsnake_size
tmpsnake_size = snake_size
tmpsnake = snake[:]
board_reset(tmpsnake, tmpsnake_size, tmpboard) # 重置虚拟board
tmpboard[tmpsnake[tmpsnake_size-1]] = FOOD # 让蛇尾成为食物
tmpboard[food] = SNAKE # 让食物的地方变成蛇身
board_refresh(tmpsnake[tmpsnake_size-1], tmpsnake, tmpboard) # 求得各个位置到达蛇尾的路径长度
tmpboard[tmpsnake[tmpsnake_size-1]] = SNAKE # 还原蛇尾

# return choose_longest_safe_move(tmpsnake, tmpboard) # 返回运行方向(让蛇头运动1步)
return choose_longest_safe_move(tmpsnake, tmpboard)

在各种方案都不行时，随便找一个可行的方向来走(1步),

def any_possible_move():
global food , snake, snake_size, board
best_move = ERR
board_reset(snake, snake_size, board)
board_refresh(food, snake, board)
min = SNAKE

for i in xrange(4):
    if is_move_possible(snake[HEAD], mov[i]) and board[snake[HEAD]+mov[i]]<min:
        min = board[snake[HEAD]+mov[i]]
        best_move = mov[i]
return best_move

def shift_array(arr, size):
for i in xrange(size, 0, -1):
arr[i] = arr[i-1]

def new_food():
global food, snake_size
if snake_size >= FIELD_SIZE-1: return
cell_free = False
while not cell_free:
w = randint(1, WIDTH-2)
h = randint(1, HEIGHT-2)
food = h * WIDTH + w
cell_free = is_cell_free(food, snake_size, snake)
win.addch(food/WIDTH, food%WIDTH, '@')

真正的蛇在这个函数中，朝pbest_move走1步

def make_move(pbest_move):
global key, snake, board, snake_size, score
shift_array(snake, snake_size)
snake[HEAD] += pbest_move

# 按esc退出，getch同时保证绘图的流畅性，没有它只会看到最终结果
win.timeout(10)
event = win.getch()
key = key if event == -1 else event
if key == 27: return

p = snake[HEAD]
win.addch(p/WIDTH, p%WIDTH, '*')


# 如果新加入的蛇头就是食物的位置
# 蛇长加1，产生新的食物，重置board(因为原来那些路径长度已经用不上了)
if snake[HEAD] == food:
    board[snake[HEAD]] = SNAKE # 新的蛇头
    snake_size += 1
    score += 1
    if snake_size < FIELD_SIZE: new_food()
    #board_reset(snake, board) # 
    #return True
else: # 如果新加入的蛇头不是食物的位置
    board[snake[HEAD]] = SNAKE # 新的蛇头
    board[snake[snake_size]] = UNDEFINED # 蛇尾变为空格
    win.addch(snake[snake_size]/WIDTH, snake[snake_size]%WIDTH, ' ')
    #return False
# test 打印tmpboard
for i in xrange(HEIGHT):
    for j in xrange(WIDTH):
        k = board[i*WIDTH+j]
        f.write(str(k)+' ')
    f.write('\n')
# print symbol
for i in xrange(HEIGHT):
    for j in xrange(WIDTH):
        k = board[i*WIDTH+j]
        if k == UNDEFINED:
            f.write('# ')
        elif k == SNAKE:
            if i*WIDTH+j == snake[HEAD]:
                f.write('+ ') # 蛇头
            elif i*WIDTH+j == snake[snake_size-1]:
                f.write('- ') # 蛇尾
            else:
                f.write('* ')
        else:
            f.write(str(k)+' ')
    f.write('\n')
f.write('\n')

虚拟地运行一次，然后在调用处检查这次运行可否可行

可行才真实运行。

虚拟运行吃到食物后，得到虚拟下蛇在board的位置

def virtual_shortest_move():
global snake, board, snake_size, tmpsnake, tmpboard, tmpsnake_size, food
#f.write('i am in virtual\n')
tmpsnake_size = snake_size
tmpsnake = snake[:] # 如果直接tmpsnake=snake，则两者指向同一处内存
tmpboard = board[:] # board中已经是各位置到达食物的路径长度了，不用再计算
board_reset(tmpsnake, tmpsnake_size, tmpboard)

# test 打印tmpboard
# for i in xrange(HEIGHT):
#     for j in xrange(WIDTH):
#         k = tmpboard[i*WIDTH+j]
#         f.write(str(k)+' ')
#     f.write('\n')

food_eated = False
while not food_eated:
    board_refresh(food, tmpsnake, tmpboard)    
    move = choose_shortest_safe_move(tmpsnake, tmpboard)
    shift_array(tmpsnake, tmpsnake_size)
    tmpsnake[HEAD] += move # 在蛇头前加入一个新的位置
    #f.write('snake head: '+str(tmpsnake[HEAD])+'\n')
    # 如果新加入的蛇头的位置正好是食物的位置
    # 则长度加1，重置board，食物那个位置变为蛇的一部分(SNAKE)
    if tmpsnake[HEAD] == food:
        tmpsnake_size += 1
        board_reset(tmpsnake, tmpsnake_size, tmpboard) # 虚拟运行后，蛇在board的位置(label101010)
        tmpboard[food] = SNAKE
        food_eated = True
    else: # 如果蛇头不是食物的位置，则新加入的位置为蛇头，最后一个变为空格
        tmpboard[tmpsnake[HEAD]] = SNAKE
        tmpboard[tmpsnake[tmpsnake_size]] = UNDEFINED
#f.write('i am out virtual\n')

def find_safe_way():
global snake, board
safe_move = ERR
# 虚拟地运行一次，因为已经确保蛇与食物间有路径，所以执行有效
# 运行后得到虚拟下蛇在board中的位置，即tmpboard，见label101010
virtual_shortest_move() # 该函数唯一调用处
if is_tail_inside(): # 如果虚拟运行后，蛇头蛇尾间有通路，则选最短路运行(1步)
return choose_shortest_safe_move(snake, board)
safe_move = follow_tail() # 否则虚拟地follow_tail 1步，如果可以做到，返回true
return safe_move

curses.initscr()
win = curses.newwin(HEIGHT, WIDTH, 0, 0)
win.keypad(1)
curses.noecho()
curses.curs_set(0)
win.border(0)
win.nodelay(1)
win.addch(food/WIDTH, food%WIDTH, '@')

f = file('log', 'w')

while key != 27:
win.border(0)
win.addstr(0, 2, 's:' + str(score) + ' ')
#win.addstr(0, WIDTH/2-3, ' SNAKE ')
win.timeout(10)
# 接收键盘输入，同时也使显示流畅
event = win.getch()
key = key if event == -1 else event
if snake_size >= FIELD_SIZE: continue
# 重置矩阵
board_reset(snake, snake_size, board)

# 如果蛇可以吃到食物，board_refresh返回true
# 并且board中除了蛇身(=SNAKE)，其它的元素值表示从该点运动到食物的最短路径长
if board_refresh(food, snake, board):
    best_move  = find_safe_way() # find_safe_way的唯一调用处
    f.write('find safe way: ' + str(best_move) + '\n')
else:
    best_move = follow_tail()
    f.write('follow tail: ' + str(best_move) +'\n')

if best_move == ERR:
    best_move = any_possible_move()
    f.write('any possible move: ' + str(best_move) + '\n')
# 上面一次思考，只得出一个方向，运行一步
if best_move != ERR: make_move(best_move)   
else: break        

f.close()
curses.endwin()
print("\nScore - " + str(score))

四、致谢

感谢杜威同学的帮助。感谢蔡浩老师。