【闲暇一写】用Python编写2048游戏(命令行版)

情债

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是我很久前学习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：

1. source = [
2.     [0, 0, 0, 0],
3.     [0, 0, 2, 2],
4.     [0, 0, 0, 0],
5.     [0, 0, 0, 0]
6. ]

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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。

1. [0, 0, 2, 2]

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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：

1. [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]

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经过多局游戏结合上方的规律，可以得知以下规律：

1. [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]
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]
3. [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]

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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

1. [0, 0, 2, 2] >发生滑动> [2, 2, 0, 0]
2. [4, 0, 2, 2] >发生滑动> [4, 2, 2, 0]
3. [4, 4, 2, 2] >发生滑动，不动> [4, 4, 2, 2]

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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）：

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

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再看一下另一种写法（采用该函数，时间复杂度为O(n)）：

1. def zero_to_end(list_data):
2.     """
3.     重排序函数（核心算法）
4.     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
5.     :param list_data: list 一维列表
6.     :return: None
7.     """
8.     for i in range(3, -1, -1):
9.         if not list_data[i]:
10.             del list_data[i]
11.             list_data.append(0)

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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。

1. [2, 2, 0, 0] >相等相撞求和> [4, 0, 0, 0]
2. [4, 2, 2, 0] >相等相撞求和> [4, 4, 0, 0]
3. [4, 4, 2, 2] >相等相撞求和> [8, 4, 0, 0]

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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：

1. [4, 2, 2, 0]
2. 如果第1个元素等==第2个元素：
3.     则第1个元素 + 第2个元素，并赋给第1个元素的位置
4.     删除第2个元素
5.     末尾追加一个0
6. [4, 2, 2, 0]
7. 如果第2个元素==第3个元素（符合条件）
8.     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]
9.     删除第3个元素[4, 2, 0]
10.     末尾追加一个0[4, 2, 0, 0]
11. [4, 2, 0, 0]
12. 如果第3个元素==第4个元素
13.     则第3个元素 + 第4个元素，并赋给第3个元素的位置
14.     删除第4个元素
15.     末尾追加一个0

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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：

1. def merge_single(list_data):
2.     """
3.     合并元素函数（核心算法）
4.     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）
5.     如果两个相邻的元素不同或者为0，则不做其他操作
6.     :param list_data: list 一维列表
7.     :return: None
8.     """
9.     zero_to_end(list_data)  # 处理一维列表
10.     for i in range(3):
11.         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
12.         if list_data[i] == list_data[i + 1]:
13.             list_data[i] *= 2  # 等价于 += list_data[i + 1]
14.             del list_data[i + 1]  # 删除 [i + 1]位置的元素
15.             list_data.append(0)  # 补0

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有点不太放心，放一条数据进行测试：

1. [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]
2. >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]
3. > 循环结束第2次，i = 2，发现是0，直接跳出循环

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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。

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

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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。

1. def random_site():
2.     """
3.     随机填充0元素函数（非核心）
4.     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
5.     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
6.     :return: None
7.     """
8.     random_list_len = len(random_tuple)
9.     while True:
10.         x = random.randint(0, 3)
11.         y = random.randint(0, 3)
12.         if after_source[x][y] == 0:
13.             after_source[x][y] = random_tuple[random.randint(0, random_list_len - 1)]
14.             break

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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：

1. score = 0  # 初始分数，后续累加即可
2. source = [
3.     [0, 0, 0, 0],
4.     [0, 0, 0, 0],
5.     [0, 0, 0, 0],
6.     [0, 0, 0, 0]
7. ]

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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：

1. before_source = [
2.     [0, 0, 0, 0],
3.     [0, 0, 0, 0],
4.     [0, 0, 0, 0],
5.     [0, 0, 0, 0]
6. ]  # 操作前的矩阵
7. after_source = [
8.     [0, 0, 0, 0],
9.     [0, 0, 0, 0],
10.     [0, 0, 0, 0],
11.     [0, 0, 0, 0]
12. ]  # 操作后的矩阵（当前打印的矩阵）

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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：

1. [
2.     [4, 0, 0, 0],
3.     [0, 0, 0, 0],
4.     [2, 4, 2, 0],
5.     [8, 2, 0, 0]
6. ]

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根据上述分析，构造比较函数compare_matrix：

1. def compare_matrix():
2.     """
3.     二维数组比较
4.     操作前后的二维数组（矩阵）进行比较
5.     如果不相等，说明有元素可移动，当移动时调用random_site()函数
6.     """
7.     if not (before_source == after_source):
8.         random_site()

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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：

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

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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：

1. def main():
2.     """程序入口：初始化 + 输入 + 输出"""
3.     while True:
4.         global before_source
5.         before_source = copy.deepcopy(after_source)
6.         key = input("键入：")
7.         if key == "a": pass
8.         if key == "d": pass
9.         if key == "w": pass
10.         if key == "s": pass
11.         if key == "n": pass
12.         if key == "q": break  
13.         print_list()
14.             
15.             
16. main()  # 调用main函数，即正常游戏的入口

复制代码

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：

1. def main():
2.     """程序入口：初始化 + 输入 + 输出"""
3.     while True:
4.         try:
5.             key = input("键入：")
6.             global before_source
7.             before_source = copy.deepcopy(after_source)
8.             if key == "a": pass
9.             if key == "d": pass
10.             if key == "w": pass
11.             if key == "s": pass
12.             if key == "n": pass
13.             if key == "q": break
14.             print(f"当前分数：{score}")
15.             print_list()
16.         except KeyboardInterrupt:
17.             break
18.         
19.             
20.             
21. main()  # 调用main函数，即正常游戏的入口

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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)]

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

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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：

1. global score
2. score += list_data[i]

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即：

1. def merge_single(list_data):
2.     """
3.     合并元素函数（核心算法）
4.     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）
5.     如果两个相邻的元素不同或者为0，则不做其他操作
6.     :param list_data: list 一维列表
7.     :return: None
8.     """
9.     zero_to_end(list_data)
10.     for i in range(3):
11.         if list_data[i] == 0: break
12.         if list_data[i] == list_data[i + 1]:
13.             list_data[i] *= 2
14.             del list_data[i + 1]
15.             list_data.append(0)
16.             global score
17.             score += list_data[i]

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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。

1. init_count = 2  # 初始值的个数
4. def init():
5.     """
6.     游戏初始化
7.     :return: None
8.     """
9.     print(f"""当前分数：{score}\n操作方式：q退出 n认输
10.        w(上)
11. a(左)  s(下)  d(右)""")
12.     for i in range(init_count):  # 随机生成init_count个初始值
13.         random_site()
14.     print_list()

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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：

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

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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）

1. def left():
2.     """向左操作"""
3.     merge()

复制代码

（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：

1. [0, 2, 2, 4]向右移动操作后变成[0, 0, 4, 4]
2. [0, 2, 2, 4] >逆转> [4, 2, 2, 0] >merge> [4, 4, 0, 0] >逆转> [0, 0, 4, 4]

复制代码

因此代码如下：

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

复制代码

1. def right():
2.     """向右操作"""
3.     reverse()
4.     merge()
5.     reverse()

复制代码

（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：

1. [0, 2, 0, 0]
2. [4, 2, 0, 0]
3. [0, 0, 4, 0]
4. [4, 0, 0, 0]
5. 转置后
6. [0, 4, 0, 4]
7. [2, 2, 0, 0]
8. [0, 0, 4, 0]
9. [0, 0, 0, 0]
10. 调用merge后
11. [8, 0, 0, 0]
12. [4, 0, 0, 0]
13. [4, 0, 0, 0]
14. [0, 0, 0, 0]
15. 再转置回来，得到结果
16. [8, 4, 4, 0]
17. [0, 0, 0, 0]
18. [0, 0, 0, 0]
19. [0, 0, 0, 0]

复制代码

因此代码如下（3种转置均可）：

1. def transposition():
2.     """二维列表转置（矩阵转置）"""
3.     for x in range(4):
4.         for y in range(x, 4):
5.             after_source[x][y], after_source[y][x] = after_source[y][x], after_source[x][y]
7. def transposition():
8.     """二维列表转置（矩阵转置）"""
9.     new_map = [list(item) for item in zip(*after_source)]
10.     after_source.clear()
11.     after_source.extend(new_map)
13. def transposition():
14.     """二维列表转置（矩阵转置）"""
15.     new_map = [list(item) for item in zip(*after_source)]
16.     after_source[:] = new_map

复制代码

1. def up():
2.     """向上操作"""
3.     transposition()
4.     merge()
5.     transposition()

复制代码

（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：

1. [0, 2, 0, 0]
2. [4, 2, 0, 0]
3. [0, 0, 4, 0]
4. [4, 0, 0, 0]
5. 转置后
6. [0, 4, 0, 4]
7. [2, 2, 0, 0]
8. [0, 0, 4, 0]
9. [0, 0, 0, 0]
10. 逆转每一行后
11. [4, 0, 4, 0]
12. [0, 0, 2, 2]
13. [0, 4, 0, 0]
14. [0, 0, 0, 0]
15. 调用merge后
16. [8, 0, 0, 0]
17. [4, 0, 0, 0]
18. [4, 0, 0, 0]
19. [0, 0, 0, 0]
20. 再逆转回来
21. [0, 0, 0, 8]
22. [0, 0, 0, 4]
23. [0, 0, 0, 4]
24. [0, 0, 0, 0]
25. 再转置回来，得到结果
26. [0, 0, 0, 0]
27. [0, 0, 0, 0]
28. [0, 0, 0, 0]
29. [8, 4, 4, 0]

复制代码

因此代码如下：

1. def down():
2.     """向下操作"""
3.     transposition()
4.     reverse()
5.     merge()
6.     reverse()
7.     transposition()

复制代码

五、最终代码

1. """    2048 GAME"""import randomimport copyscore = 0  # 分数init_count = 2  # 初始值的个数before_source = [
2.     [0, 0, 0, 0],
3.     [0, 0, 0, 0],
4.     [0, 0, 0, 0],
5.     [0, 0, 0, 0]
6. ]  # 操作前的矩阵
7. after_source = [
8.     [0, 0, 0, 0],
9.     [0, 0, 0, 0],
10.     [0, 0, 0, 0],
11.     [0, 0, 0, 0]
12. ]  # 操作后的矩阵（当前打印的矩阵）random_tuple = (2, 4)  # 初始添加的值、移动时添加的值# Controller层def zero_to_end(list_data):
13.     """
14.     重排序函数（核心算法）
15.     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
16.     :param list_data: list 一维列表
17.     :return: None
18.     """
19.     for i in range(3, -1, -1):
20.         if not list_data[i]:
21.             del list_data[i]
22.             list_data.append(0)def merge_single(list_data):
23.     """
24.     合并元素函数（核心算法）
25.     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）
26.     如果两个相邻的元素不同或者为0，则不做其他操作
27.     :param list_data: list 一维列表
28.     :return: None
29.     """
30.     zero_to_end(list_data)
31.     for i in range(3):
32.         if list_data[i] == 0: break
33.         if list_data[i] == list_data[i + 1]:
34.             list_data[i] *= 2
35.             del list_data[i + 1]
36.             list_data.append(0)
37.             global score
38.             score += list_data[i]def random_site():
39.     """
40.     随机填充0元素函数（非核心）
41.     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
42.     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
43.     :return: None
44.     """
45.     random_list_len = len(random_tuple)
46.     while True:
47.         x = random.randint(0, 3)
48.         y = random.randint(0, 3)
49.         if after_source[x][y] == 0:
50.             after_source[x][y] = random_tuple[random.randint(0, random_list_len - 1)]
51.             breakdef merge():
52.     """合并操作，详见merge_single()函数"""
53.     for i in range(4):
54.         merge_single(after_source[i])def reverse():
55.     """逆转2048二维列表中的每一行一维列表"""
56.     for i in range(4):
57.         after_source[i].reverse()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 compare_matrix():
58.     """
59.     二维数组比较
60.     操作前后的二维数组（矩阵）进行比较
61.     如果不相等，说明有元素可移动，当移动时调用random_site()函数
62.     """
63.     if not (before_source == after_source):
64.         random_site()def left():
65.     """向左操作"""
66.     merge()def right():
67.     """向右操作"""
68.     reverse()
69.     merge()
70.     reverse()def up():
71.     """向上操作"""
72.     transposition()
73.     merge()
74.     transposition()def down():
75.     """向下操作"""
76.     transposition()
77.     reverse()
78.     merge()
79.     reverse()
80.     transposition()# View层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()def print_list():
81.     """打印游戏过程中必看的矩阵信息"""
82.     for single_list in after_source:
83.         print(single_list)def forfeit():
84.     """认输"""
85.     print(f"玩家已认输，最终得分：{score}")
86.     raise KeyboardInterruptdef main():    """程序入口：初始化 + 输入 + 输出"""    init()    while True:        try:            global before_source            before_source = copy.deepcopy(after_source)            key = input("键入：")            if key == "a": left()            if key == "d": right()            if key == "w": up()            if key == "s": down()            if key == "n": forfeit()            if key == "q": break            compare_matrix()            print(f"当前分数：{score}")            print_list()        except KeyboardInterrupt:            breakmain()

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来源:https://www.cnblogs.com/qinyu6/p/17736405.html
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