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号：除了手机版本号，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，程序执行效果例如以下：

图 1  Python版控制台2048执行截图

     程序代码加上凝视大概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。以下说说我的编写思路，最后会给出源码。

2. 2048 实现思路

     2.1 游戏规则

     这个游戏可玩性非常好，简单的移动方向键让数字叠加，而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。同一时候每次移动方向键时，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，假设方格被数字填满了，那么就GameOver了。

    

     2.2 实现思路

     这个游戏的所有操作都是环绕着一个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），然后又一次计算这个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，以下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)，其第一个參数用来存储4*4矩阵中的某一行（列），第二个參数表示移动的方向（上下左右）。

     这样当左右移动方向键时，能够这样来计算矩阵：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，因为矩阵是按行存储的，不能直接处理矩阵中的列，能够通过变通採用上面的函数handle()。对于矩阵中每一列，先将其复制到一个列表中，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，其逻辑上等同于以下的代码操作。

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，请看以下几个样例：

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

    依据上面的介绍，实现handle函数是关键。细致观察叠加的过程，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，比如：

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) 查找同样且相邻的数字。假设找到，将当中一个翻倍，还有一个置0

（假设direction是'left'将左側翻倍，右側置0，假设direction为'right'，将右側翻倍，左側置0），

并返回True；否则，返回False。比如：

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()就非常好实现了，例如以下：

handle(row, direction):

          align(row, direction)

          result = addSame(row, direction)

          while result == True:

                    align(row, direction)

                    result = addSame(row, direction)

     以下结合一个实际样例再来看看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

终于得到的 x = [0, 0, 2, 8]

     

     最基本的部分已经说完了，以下就贴出代码吧，因为代码不多就直接贴出来吧。

3. 代码

    这些是所有代码，保存在单一文件里就可以执行，执行环境 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，比如[8,0,0,2]左对齐后[8,2,0,0]
        direction == 'right'：向右对齐，比如[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数字的一側补充0
        if direction == 'left':
                vList.extend(zeros)
        else:
                vList[:0] = zeros

def addSame(vList, direction):
        '''在列表查找同样且相邻的数字相加, 找到符合条件的返回True，否则返回False,同一时候还返回添加�的分数

        direction == 'left':从右向左查找，找到同样且相邻的两个数字，左側数字翻倍，右側数字置0
        direction == 'right':从左向右查找，找到同样且相邻的两个数字，右側数字翻倍，左側数字置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，得到终于的该行（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):
        '''依据移动方向又一次计算矩阵状态值，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):
                        # 将矩阵中一列拷贝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)