简单贪吃蛇小游戏的设计与实现

文章目录

1、知识预备
- 1.1 WIN32 API
- - 1.1.1 什么是WIN32 API
  - 1.1.2 了解部分WIN32 API
  - - 1.1.2.1 控制台坐标
    - 1.1.2.2 控制台光标
    - 1.1.2.3 获取键盘按键情况
- 2.1 宽字符
- - 2.1.1 C语言的国际化
  - 2.1.2 宽字符的打印
2、贪吃蛇游戏设计
- 2.1 游戏开始
- 2.2 游戏运行
- - 2.2.1 更新分数
  - 2.2.2 按键检测
  - 2.2.3 蛇的移动
- 2.3 游戏结束
- 2.4 游戏主逻辑的实现
3、游戏最终效果

1、知识预备

1.1 WIN32 API

1.1.1 什么是WIN32 API

众所周知，Windows是一个操作系统，但同时它也是一个很大的服务中心，包含各种各样的服务，这些服务实质上就是函数，而由于这些函数服务的对象是应用程序,即Application,所以便把这些服务称为Appliication Programming Interface，简称API。WIN32 API 即Windows32位平台下的应用程序编程接口。

1.1.2 了解部分WIN32 API

1.1.2.1 控制台坐标

我们这个简单贪吃蛇小游戏的实现，是在控制台窗口中实现的，那么如何在VS中调出控制台窗口呢？

我们首先开启调试，将正常情况下的Windows终端打开，然后在最上端按鼠标右键转到设置，如下所示：
在这里插入图片描述

打开设置窗口后，找到这个选项：
在这里插入图片描述
将其由Windows终端改为Windows控制台主机，然后保存更改，这样之后无论是程序的调试还是正常执行，都是使用控制台窗口。至于为什么要使用控制台窗口，这是因为无论是之后所介绍的API的使用，还是想要对窗口大小、名称进行相应设置，都需要在控制台窗口中才可以完成。

在这里插入图片描述

这样，我们就成功打开了控制台窗口。

考虑到后续的游戏设计，此处大家必须对整个控制台的位置坐标有一个基本的了解。
整个控制台，左上角为0行0列，注意横为行，纵为列，其中，行代表的是纵坐标，列代表的是横坐标，所以画成一个坐标系的话就是这样：

在这里插入图片描述
那我们是如何去管理控制台的这些具体位置呢?
这就涉及到WIN32 API中定义的一个结构体COORD，表示一个字符在控制台屏幕上的坐标。

typedef struct _COORD {
SHORT X;
SHORT Y;
} COORD, *PCOORD;

我们可以看到,这个结构体中有两个成员变量,一个代表横坐标x,另一个代表纵坐标y,即控制台中的横纵坐标

1.1.2.2 控制台光标

我们去定位控制台的坐标,想要实现在特定的坐标处打印相应的内容,这实际上是通过定位光标实现的.
WIN32 API中有为控制台的光标专门封装了一个结构体,用来管理光标的相应信息.

CONSOLE_CURSOR_INFO
这个结构体，包含有关控制台光标的信息
typedef struct _CONSOLE_CURSOR_INFO {
DWORD dwSize;
BOOL bVisible;
} CONSOLE_CURSOR_INFO, *PCONSOLE_CURSOR_INFO;
注：
dwSize是用来设置光标填充字符单元格的百分比的，此值介于1到100之间，从单元格底部的水平线条到完全填充单元格。
bVisible恰如其名，是用来控制光标是否可见，类型是BOOL类型，因此true为可见，false为不可见。

那我们如何获得控制台上的光标信息，又如何对这个光标信息进行修改，更重要的是如何对这个光标进行定位呢？

这就涉及到句柄的问题了。
句柄实质上就是一个用来标识对象或者项目的标识符，从用途上讲，获得了相应设备的句柄，我们就可以通过这个句柄对相应的设备进行操作。最常见的标准设备有两种：键盘和屏幕(即控制台窗口)。键盘对应标准输入，而屏幕则对应标准错误和标准输出。

要想获得句柄，就要使用一个专门用于获取句柄的函数：

HANDLE WINAPI GetStdHandle(
In DWORD nStdHandle
);
其中函数参数可取以下三种：
STD_INPUT_HANDLE 用于读取键盘的输入
STD_OUTPUT_HANDLE 用于输出，即对控制台进行相应的控制
STD_ERROR_HANDLE 标准错误设备

返回值类型HANDLE实质上是void* 类型，只不过被重命名了。

在这里插入图片描述

获取句柄的实例：

在这里插入图片描述

成功获取了句柄之后，我们就可以对控制台的光标进行相应的设置了。

在这里插入图片描述

除了调整光标的填充度和可见度，我们还可以设置光标的位置。

在这里插入图片描述

在后接的游戏涉及中，我们需要频繁设置光标位置，因此我们将光标位置设置的相关程序封装成一个函数SetPos.

在这里插入图片描述

1.1.2.3 获取键盘按键情况

SHORT GetAsyncKeyState(
int vKey
);

我们使用GetAsyncKeyState这个函数来实时获取键盘的按键情况.
使用这个函数时,我们需要将键盘按键对应的虚拟值传递给函数,对于不同的按键状态,函数会有不同情况的返回值进行对应.
返回值是一个16位的short类型数据.如果最高位是1,说明按键的状态是按下;如果最高位是0,说明按键的状态是抬起.而要判断按键是否按过(即按下后松手弹起),则通过最低位来进行判断,如果最低位被置为1,则说明按过;如果最低位是0,则说明没有按过.

我们在贪吃蛇小游戏中,要判断的是这个按键是否按过,因此我们需要对这个函数返回值的最低位进行判断.由于按键是否按过在贪吃蛇游戏中需要频繁进行判断,即需要频繁调用该函数,同时需要频繁对该函数的返回值进行判断,因此我们将这个判断的流程写成一个宏函数.

在这里插入图片描述

相关参考:

WINDOWS下的虚拟键码表
GetStdHandle
GetConsoleCursorInfo
SetConsoleCursorInfo
SetConsoleCursorPosition
GetAsyncKeyState

2.1 宽字符

2.1.1 C语言的国际化

C语言字符默认是采用ASCII编码的，而ASCII字符集采用的是单字节编码，且只使用了单字节中的低七位，最高位是没有使用的，这样总共能编码128个字符。但是在一些欧洲国家的语言中，128个字符是不够用的，因此一些欧洲国家就决定，再利用单字节中闲置的最高位进行编码，这样总共能编码256个字符，基本够用了。

但是对于亚洲国家而言，这显然是不够的，比如说中国，光汉字就多达十万左右。一个字节最多只能表示256个字符，所以必须用多个字节进行表示。比如，简体中文常见的编码方式GB2312，就是使用两个字节表示一个汉字，这样理论上最多可以表示65536个字符，满足日常的需求已经足够了。

而为了更好地适应C语言的国际化，C语言的标准中不断加入了国际化的支持。比如：加入了宽字符类型wchar_t 以及宽字符的输入和输出函数；还加入了locale.h头文件，其中提供了程序员针对特定地区调整程序行为的函数。

setlocale函数
char *setlocale(int category, const char *locale)
setlocale函数用来使程序行为本地化，可以针对一个类项进行修改，也可以针对所有类项。
该函数中的第一个参数就是要修改的类项，不同的类项名称不同，如果要修改所有类项，则使用LC_ALL。
该函数的第二个参数只有两种取值“C”和“”（即空字符串），当取值为"C"时，库函数按照默认方式执行；而当取值为“”时，便会切换到本地模式，程序会适应本地环境。注意，程序会默认执setlocale(LC_ALL,“C”)。

2.1.2 宽字符的打印

对于宽字符类型的数据，我们需要使用宽字符打印函数wprintf进行打印，不过宽字符类型的数据无论是定义还是打印时都需要加上一个字符L。需要注意的是，要想正常实现宽字符的输入和输出，我们首先得使用setlocale函数，配置本地化。

在这里插入图片描述
前面提到了控制台窗口的坐标，那么一个宽字符在控制台窗口中占几行几列呢？
一个普通的char类型字符，即单字节字符，在控制台窗口中占一行一列；而一个二字节大小的宽字符，在控制台窗口中占一行两列。也就是说，宽字符相比于单字节字符，在横坐标，即x轴方向上多占一个单位，而在纵坐标，即y轴方向上，二者相同。

相关参考：
setlocale函数详解

2、贪吃蛇游戏设计

2.1 游戏开始

我们最终要呈现的游戏效果如下所示：

这是第一个界面：

在这里插入图片描述

这是第二个界面：

在这里插入图片描述

这是第三个界面，同时也是我们的游戏界面：

在这里插入图片描述
第三个界面中，右侧文字为游戏说明文字，而左侧界面就是游戏界面，游戏界面可以分为三部分：墙体、蛇身和食物——这三种符号均用宽字符的形式进行打印。

所以，贪吃蛇游戏开始的设计流程如下：

首先，我们要调整控制台窗口。我们设想贪吃蛇的游戏地图大小为56 * 26，即横坐标方向上有28个方块（墙体），纵坐标方向上有26个方块，考虑到除墙体外，还有额外的文字说明，所以我们将控制台的窗口设置为100 * 30.
其次，在整个的游戏过程中，光标需要隐藏，防止光标对游戏效果造成影响。
最后，便是三个界面的依次打印，前两个界面打印完后，都需要添加system(“pasue”)和system(“cls”) 这两条语句，以实现按任意键继续以及清屏的功能。

整个游戏开始逻辑的代码如下：

在这里插入图片描述

考虑到游戏程序的编写过程中，需要频繁设置光标位置（即定位坐标），所以我们将光标位置的设置封装为一个函数。

在这里插入图片描述

前两个界面的代码实现如下：

在这里插入图片描述

第三个界面，我们要完成3个任务：打印地图、打印蛇以及打印第一个食物。

地图的打印，程序很简单，关键是要对于相关坐标计算清楚。控制台窗口行列，即纵横坐标，均从0开始，即0行0列开始，而要打印的墙体是宽字符，所以一个墙体，在纵坐标上占一个单位，在横坐标上占两个单位。所以地图的相应坐标范围应为：横坐标为0~55，纵坐标为0 ~ 25.

在这里插入图片描述

接下来，便是蛇的打印。

在贪吃蛇中，我们使用什么结构来实现蛇呢?我们很容易能将蛇的一节节身体联想为单链表的一个个结点，因此我们使用链表这种数据结构来实现贪吃蛇。

首先，我们要将蛇身的结点封装成一个结构体，如下所示：

在这里插入图片描述

同时，贪吃蛇游戏中的这条贪吃蛇还会涉及到很多其它量：蛇走的方向、蛇走的快慢、蛇要吃的食物、每个食物的分数、所吃食物的总得分以及整个游戏的状态（比如说，蛇撞墙了，那么此时状态应为异常，即游戏应该终止）。

我们可以看到这一条贪吃蛇涉及到很多很多的量，为了便于管理和维护，我们将这些量全都封装到一个结构体中。

在这里插入图片描述

同时，我们将代表蛇身和食物的符号定义为标识符常量，方便程序的阅读。

在这里插入图片描述

这样，我们相关的准备工作便已进行完毕，可以开始蛇身的初始化以及打印。

我们知道，贪吃蛇游戏刚进入时，会在一定位置提供给你一条具有一定长度的蛇，所以我们要确定这个位置和长度。

一定的起始位置不妨定义为标识符常量：

在这里插入图片描述
蛇身的初始长度不妨定义为5，即包含5个链表结点。

注意：这里将POS_X定义为10，即定义为偶数，是有缘由的。因为无论是蛇身、墙体还是食物，都是宽字符，在横坐标上占两个单位，而横坐标从0开始，所以墙体相应的横坐标为0 ~ 1，2 ~ 3，…,54 ~ 55,我们可以发现，都是偶数开始的。而我们蛇身在横坐标上也是占两个单位，故蛇身的横向移动也是两个单位两个单位移动的，如果蛇身的起始位置不为偶数，那么撞墙时，就会出现蛇头一半在墙内，一半在墙外的情况，而这并不是我们所希望的.我们希望，蛇撞墙，便是蛇头与某个墙完全重合，故我们将蛇身的起始位置设为偶数。既然蛇身的起始位置为偶数，那么食物的横坐标起始位置也得为偶数，这样蛇才算完全吃到食物，而不会蛇头一半在食物里，一半在食物外。

初始化并打印贪吃蛇的相关代码如下：

在这里插入图片描述

打印完蛇身，最后要进行的是食物的打印。我们希望食物的生成是完全随机的，所以食物的横纵坐标我们使用rand函数进行生成，但同时，食物的坐标也有诸多限制——食物必须得在地图内且不能与墙重合，而且食物也不能与蛇身重合，最重要的是，食物的起始横坐标必须为偶数。

食物打印的代码如下所示：

在这里插入图片描述

通过以上这些过程，我们已成功实现游戏欢迎界面、游戏说明界面以及实际游戏界面中地图、蛇和食物的打印，即贪吃蛇游戏的开始流程GameStart设计完毕。

2.2 游戏运行

先观察一下我们的游戏界面：

在这里插入图片描述
游戏界面右方有一些信息，这些信息可以分为两类：一类是游戏的帮助信息（游戏规则的说明），另一类则是得分的记录，包括总得分和每个食物的分数。游戏的帮助信息只需要打印一次，而分数则需要不断更新。

所以，在正式进入游戏之前，我们还需要打印游戏的帮助信息，这个我们将其封装为一个函数。

在这里插入图片描述

现在，便正式进入游戏的模块。
游戏的模块可以分为三部分：分数的更新、按键的检测和蛇的移动。考虑到游戏模块是需要不断进行的，因此我们将整个游戏模块放在do-while循环中。

2.2.1 更新分数

更新分数的实现逻辑较为简单，将分数重新打印即可。

在这里插入图片描述但有一点需要注意，分数的更新，即重新打印，必须能够做到将上一次的分数完全覆盖，否则分数会出错。比如说，前一次的分数为10，后一次的分数为5，如果不做相应处理，而是直接打印，实际上显示的分数则为50，这就是没有完全覆盖带来的后果。这种情况，要想完全覆盖，可以在打印时设置数字所占的位数，以实现完全覆盖。正如上述代码，第二个printf函数中，我将数字所占位数设置为2（多的位数会自动补空格），并且设置为左对齐。

2.2.2 按键检测

在进行蛇的移动之前，我们首先要进行按键检测，因为有一些按键会对蛇的移动产生影响。

在讲述具体的程序之前，我们先将检测按键是否按过的程序定义为一个宏函数：

在这里插入图片描述
如果相应的按键按过，那么这个宏函数的结果为1，否则为0

接下来进行按键检测。我们有以下按键需要检测：

控制蛇上下左右移动的四个方向按键
控制蛇加速的F1键，控制蛇减速的F2键
游戏暂停的空格键，游戏退出的ESC键

方向键以及暂停、退出键的检测

在这里插入图片描述

注意上述方向的调整，方向不能任意变化，要确保蛇不会自己吃自己。
按空格键，游戏暂停；再按空格键，游戏继续。

加速与减速的设计：

蛇走的快慢，是通过睡眠时间的长短来调控的。由于我们将蛇走的逻辑设计为先睡一段时间再走，所以睡眠时间长，蛇走得就慢，睡眠时间短，蛇走得就快。

我们以睡眠时间来标记速度的挡位，总共分为7挡：50，100，150，200，250，300，350
其中200ms是初始挡位，即蛇的起始速度，从此速度开始，可以分别加速三档和减速三档。加速到50ms时，无法再加速，只能减速；减速到350ms时，无法再减速，只能加速。

不同的速度下，对应一个食物的分数也不同——速度快，食物分数高；速度慢，食物分数低。每加一次速，单个食物分数增加5分；每减一次速，单个食物分数减少5分。

具体的代码实现如下：

在这里插入图片描述

2.2.3 蛇的移动

按键检测完之后，就是蛇的移动。

在这里插入图片描述

蛇的移动该如何实现呢？
蛇身是由链表实现的，我们可以将蛇即将移动到的下一个位置看作一个蛇身结点，即重新malloc一个蛇身结点，而这个蛇身结点中，存储的是下一个位置的横纵坐标。在这种情况下，蛇的移动就变成了链表的头插与尾删，再将重新得到的链表遍历打印，即实现蛇走一步。

但是，我们还要考虑到蛇行进过程中的特殊情况。
如果蛇走到的下一个位置是食物，那么蛇吃食物，蛇身需要变长一节；如果蛇走到的下一个位置是墙体，蛇撞墙，游戏终止；如果蛇走到的下一个位置是蛇身的一节，蛇吃自己，那么游戏也要终止。
所以，根据蛇下一个位置坐标的情况，我们需要做出不同的处理，所以我们有以下的函数设计：

在这里插入图片描述