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Python 练习 —— 2048

1. 引言

     2048 这段时间火的不行啊,大家都纷纷仿造,“百家争鸣”,于是出现了各种技术版本:除了手机版本,还有C语言版、Qt版、Web版、java版、C#版等,刚好我接触Python不久,于是弄了个Python版——控制台的2048,正好熟悉下Python语法,程序运行效果如下:

图 1  Python版控制台2048运行截图

     程序代码加上注释大概150行左右,利用了一些Python内置数据类型的操作节省了不少代码量。下面说说我的编写思路,最后会给出源代码

2. 2048 实现思路

2.1 游戏规则

     这个游戏可玩性很好,简单的移动方向键让数字叠加,并且获得这些数字每次叠加后的得分,当出现2048这个数字时游戏胜利。同时每次移动方向键时,都会在这个4*4的方格矩阵的空白区域随机产生一个数字2或者4,如果方格被数字填满了,那么就GameOver了。

 2.2 实现思路

     这个游戏的全部操作都是围绕着一个4*4的矩阵进行,每次从用户界面获取用户的操作(即移动方向),然后重新计算这个4*4矩阵的状态,最后刷新用户界面显示4*4矩阵的最新状态,不断的循环这个过程,直到出现2048或没有空白方块了,下面是一个处理流程示意图:

     我写的是控制台程序,没有UI界面,因此用字符(W/S/A/D)代表方向键的输入,以数字0代表空白方格。接下来是计算部分,以向左移动为例,4*4矩阵在接收到向左移动的指令后,应该将每行的数字向左叠加, 将一行的叠加操作定义为函数 handle(list, direction),其第一个参数用来存储4*4矩阵中的某一行(列),第二个参数表示移动的方向(上下左右)。

     这样当左右移动方向键时,可以这样来计算矩阵:遍历矩阵的每行,并将每行的数字沿左或右进行叠加操作。

for row in matrix:

         handle(row, direction)

     对于上下移动方向键时,由于矩阵是按行存储的,不能直接处理矩阵中的列,可以通过变通采用上面的函数handle()。对于矩阵中每一列,先将其拷贝到一个列表中,然后调用handle()函数对该列表进行叠加处理,最后再将叠加后的新列表拷贝回原始矩阵中其所在的列,其逻辑上等同于下面的代码操作。

for col in matrix:

          handle(col, direction)

     handle(row, direction)函数的作用是沿指定方向叠加一行中的数字,请看下面几个例子:

移动方向

移动前

移动后

handle(x, 'left')

x = [0, 2, 2, 2]

x = [4, 2, 0, 0]

handle(x, 'left')

x = [2, 4, 2, 2]

x = [2, 8, 0, 0]

handle(x, 'right')

x = [2, 4, 2, 2]

x = [0, 0, 2, 8]

实现 handle(row, direction) 函数

    根据上面的介绍,实现handle函数是关键。仔细观察叠加的过程,其都是由两个子过程组成的:

(1) align(row, direction)   沿direction方向对齐列表row中的数字,例如:

x = [0, 4, 0, 2]

align(x, 'left')  后 x = [4, 2, 0, 0]

在 align(x, 'right') 后 x = [0, 0, 4, 2]

(2) addSame(row, direction) 查找相同且相邻的数字。如果找到,将其中一个翻倍,另一个置0

(如果direction是'left'将左侧翻倍,右侧置0,如果direction为'right',将右侧翻倍,左侧置0),

并返回True;否则,返回False。例如:

x = [2, 2, 2, 2]

addSame(x, 'left') 后 x = [4, 0, 2, 2]      返回 True

再 addSame(x, 'left') 后 x = [4, 0, 4, 0]   返回 True

再 addSame(x, 'left') 后 x = [4, 0, 4, 0]   返回 False 

     有了上面两个子函数,应该不难实现。有了这两个子函数,函数handle()就很好实现了,如下:

handle(row, direction):

          align(row, direction)

          result = addSame(row, direction)

          while result == True:

                    align(row, direction)

                    result = addSame(row, direction)

     下面结合一个实际例子再来看看handle函数的处理过程:

x = [2, 4, 2, 2]

调用 handle(x, 'right'),变量 x 变化过程:

align(x, 'right')          ->     [2, 4, 2, 2]

addSame(x, 'right')   ->     [2, 4, 0, 4]     ->     return True

align(x, 'right')          ->     [0, 2, 4, 4]    

addSame(x, 'right')   ->     [0, 2, 0, 8]     ->     return True

align(x, 'right')          ->     [0, 0, 2, 8]    

addSame(x, 'right')   ->     [0, 0, 2, 8]     ->     return False

最终得到的 x = [0, 0, 2, 8]

     最主要的部分已经说完了,下面就贴出代码吧,由于代码不多就直接贴出来吧。

3. 代码 这些是全部代码,保存在单一文件中即可运行,运行环境 Python3.0+

# -*- coding:UTF-8 -*-
#! /usr/bin/python3

import random

v = [[0, 0, 0, 0],
     [0, 0, 0, 0],
     [0, 0, 0, 0],
     [0, 0, 0, 0]]

def display(v, score):
        '''显示界面

        '''
        print('{0:4} {1:4} {2:4} {3:4}'.format(v[0][0], v[0][1], v[0][2], v[0][3]))
        print('{0:4} {1:4} {2:4} {3:4}'.format(v[1][0], v[1][1], v[1][2], v[1][3]))
        print('{0:4} {1:4} {2:4} {3:4}'.format(v[2][0], v[2][1], v[2][2], v[2][3]))
        print('{0:4} {1:4} {2:4} {3:4}'.format(v[3][0], v[3][1], v[3][2], v[3][3]), 
'    Total score: ', score)

def init(v):
        '''随机分布网格值
        
        '''
        for i in range(4):
                v[i] = [random.choice([0, 0, 0, 2, 2, 4]) for x in v[i]]

def align(vList, direction):
        '''对齐非零的数字

        direction == 'left':向左对齐,例如[8,0,0,2]左对齐后[8,2,0,0]
        direction == 'right':向右对齐,例如[8,0,0,2]右对齐后[0,0,8,2]
        '''

        # 移除列表中的0
        for i in range(vList.count(0)):
                vList.remove(0)
        # 被移除的0
        zeros = [0 for x in range(4 - len(vList))]
        # 在非0数字的一侧补充0
        if direction == 'left':
                vList.extend(zeros)
        else:
                vList[:0] = zeros
        
def addSame(vList, direction):
        '''在列表查找相同且相邻的数字相加, 找到符合条件的返回True,否则返回False,同时还返回增加的分数
        
        direction == 'left':从右向左查找,找到相同且相邻的两个数字,左侧数字翻倍,右侧数字置0
        direction == 'right':从左向右查找,找到相同且相邻的两个数字,右侧数字翻倍,左侧数字置0
        '''
        score = 0
        if direction == 'left':
                for i in [0, 1, 2]:
                        if vList[i] == vList[i+1] != 0: 
                                vList[i] *= 2
                                vList[i+1] = 0
                                score += vList[i]
                                return {'bool':True, 'score':score}
        else:
                for i in [3, 2, 1]:
                        if vList[i] == vList[i-1] != 0:
                                vList[i-1] *= 2
                                vList[i] = 0
                                score += vList[i-1]
                                return {'bool':True, 'score':score}
        return {'bool':False, 'score':score}

def handle(vList, direction):
        '''处理一行(列)中的数据,得到最终的该行(列)的数字状态值, 返回得分

        vList: 列表结构,存储了一行(列)中的数据
        direction: 移动方向,向上和向左都使用方向'left',向右和向下都使用'right'
        '''
        totalScore = 0
        align(vList, direction)
        result = addSame(vList, direction)
        while result['bool'] == True:
                totalScore += result['score']
                align(vList, direction)
                result = addSame(vList, direction)
        return totalScore
        

def operation(v):
        '''根据移动方向重新计算矩阵状态值,并记录得分
        '''
        totalScore = 0
        gameOver = False
        direction = 'left'
        op = input('operator:')
        if op in ['a', 'A']:    # 向左移动
                direction = 'left'
                for row in range(4):
                        totalScore += handle(v[row], direction)
        elif op in ['d', 'D']:  # 向右移动
                direction = 'right'
                for row in range(4):
                        totalScore += handle(v[row], direction)
        elif op in ['w', 'W']:  # 向上移动
                direction = 'left'
                for col in range(4):
                        # 将矩阵中一列复制到一个列表中然后处理
                        vList = [v[row][col] for row in range(4)]
                        totalScore += handle(vList, direction)
                        # 从处理后的列表中的数字覆盖原来矩阵中的值
                        for row in range(4):
                                v[row][col] = vList[row]
        elif op in ['s', 'S']:  # 向下移动
                direction = 'right'
                for col in range(4):
                        # 同上
                        vList = [v[row][col] for row in range(4)]
                        totalScore += handle(vList, direction)
                        for row in range(4):
                                v[row][col] = vList[row]
        else:
                print('Invalid input, please enter a charactor in [W, S, A, D] or the lower')
                return {'gameOver':gameOver, 'score':totalScore}

        # 统计空白区域数目 N
        N = 0
        for q in v:
            N += q.count(0)
        # 不存在剩余的空白区域时,游戏结束
        if N == 0:
                gameOver = True
                return {'gameOver':gameOver, 'score':totalScore}

        # 按2和4出现的几率为3/1来产生随机数2和4
        num = random.choice([2, 2, 2, 4]) 
        # 产生随机数k,上一步产生的2或4将被填到第k个空白区域
        k = random.randrange(1, N+1)
        n = 0
        for i in range(4):
                for j in range(4):
                        if v[i][j] == 0:
                                n += 1
                                if n == k:
                                        v[i][j] = num
                                        break

        return {'gameOver':gameOver, 'score':totalScore}

init(v)
score = 0
print('Input:W(Up) S(Down) A(Left) D(Right), press <CR>.')
while True:
        display(v, score)
        result = operation(v)
        if result['gameOver'] == True:
                print('Game Over, You failed!')
                print('Your total score:', score)
        else:
                score += result['score']
                if score >= 2048:
                        print('Game Over, You Win!!!')
                        print('Your total score:', score)

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