用四个整数编写一个贪吃蛇游戏

Posted 2022-06-04 CSDN资讯

作者 | Andrei Cioban

译者 | 弯月

出品 | CSDN（ID：CSDNnews）

记得上次编写贪吃蛇游戏还是很多年以前的事，如今我打算尽己所能，在一些很特别的方面做到极致：

• 将游戏的地图保存到一个uint32_t中，其中的1表示蛇的身体。因此整个地图包括4x8个位置。

• 用另一个unit64_t作为方向数组，这样可以实现蛇的移动，还可以保持不断增长的身体的位置。

• 在另一个uint32_t中使用几个5比特数据来保存head（蛇头）、tail（蛇尾）、apple（苹果）和length（当前长度）。还有两个比特用来保存键盘输入。

• 用一个8比特变量（uint8_t）作为循环变量。

因为标准C没有提供键盘交互功能，因此必须依赖于curses，所以如果你想编译该程序，请确保计算机上安装了该库。如果你使用的是正确的操作系统，很可能curses已经存在了。如若不然，你可以使用任何包管理器进行安装。

不幸的是，curses本身需要消耗内存，但毕竟处理各种转义字符和底层函数很麻烦，我不想自己实现。这种做法也许有点算作弊。

在阅读本文之前，请记住文中的代码仅供娱乐，只是一个练习。出于前面提到的限制，本文会编写大量晦涩的宏来进行位操作，还会使用全局变量、重复使用同一个计数器，等等。这些都不是易读代码的最佳实践。

代码

完整的代码，请参见GitHub：

git clone [e-mail]:nomemory/integers-snake.git 

编译和运行：

gcc -Wall snake.c -lcurses && ./a.out

内存布局

首先定义4个整数，用于保存所有游戏数据：

uint32_t map = ...;

uint32_t vars = ...;

uint64_t shape = ...;

int8_t i = ...;    

map

map变量负责屏幕显示。map变量有32比特，利用curses渲染成4x8的方格：

访问每个比特并设置0或1，需要使用下面的宏：

#define s_is_set(b) ((map&(1<<(b)))!=0) // checks if the b bit from the map is set to 1
#define s_tog(b) (map^=(1<<(b))) // toggles the b bit of the map (currently not used)
#define s_set_0(b) (map&=~(1<<b)) // sets to 0 the b bit from the map
#define s_set_1(b) (map|=(1<<b)) // sets to 1 the b bit from the map

vars

vars是一个32位整数，用于保存下面的数据：

• hpos （比特0~4）表示蛇头的位置，表示为从map的最低位开始的偏移量；

• tpos（比特5~9）表示蛇尾的位置，表示为从map的最低位开始的偏移量；

• len（比特10~14）表示蛇的长度；

• apos（比特15~19）表示苹果的位置，表示为从map的最低位开始的偏移量；

• chdir（比特20~21）表示表示最后一次按下的键，2个比特足够了，因为只需要四个方向键；

• 其余的比特没有使用。我们也可以把循环计数器的uint8_t放在这儿，但为了简单起见，我还是使用了单独的变量。

我们定义了以下的宏来访问hpos、hpos等。这些宏就像是针对每个段的getter/setter一样。

#define s_mask(start,len) (s_ls_bits(len)<<(start)) // creates a bitmask of len starting from position start
#define s_prep(y,start,len) (((y)&s_ls_bits(len))<<(start)) // prepares the mask


// Gets the the 'len' number of bits, starting from position 'start' of 'y'
#define s_get(y,start,len) (((y)>>(start))&s_ls_bits(len)) 
// Sets the the 'len' number of bits, starting from position 'start' of 'y' to the value 'bf'
#define s_set(x,bf,start,len) (x=((x)&~s_mask(start,len))|s_prep(bf,start,len))


#define s_hpos s_get(vars,0,5) // gets the last 5 bits of 'vars', which corresponds to s_hpos
#define s_tpos s_get(vars,5,5) // sets the last 5 bits of 'vars', which corresonds to s_hpos
#define s_len s_get(vars,10,5)
#define s_apos s_get(vars,15,5)
#define s_chdir s_get(vars,20,2)
#define s_hpos_set(pos) s_set(vars,pos,0,5)
#define s_tpos_set(pos) s_set(vars,pos,5,5)
#define s_len_set(len) s_set(vars,len,10,5)
#define s_apos_set(app) s_set(vars,app,15,5)
#define s_chdir_set(cdir) s_set(vars,cdir,20,2)
#define s_len_inc s_len_set(s_len+1)

更多有关宏背后的技巧，请参见这篇文章：https://www.coranac.com/documents/working-with-bits-and-bitfields/

shape

shape用来保存蛇的每一节的方向。每个方向2比特就足够了，所以一共可以保存32个方向：

方向的意义用下面的宏表示：

#define SU 0 //UP                       
#define SD 1 //DOWN                  
#define SL 2 //LEFT                
#define SR 3 //RIGHT

每次蛇在map的方格中移动时，我们需要使用下述宏循环这些方向：

#define s_hdir ((shape>>(s_len*2)&3)) // retrieves the head direction (based on s_slen)
#define s_tdir (shape&3) // retrieves the last 2 bits which corresponds to the tail
#define s_hdir_set(d) s_set(shape,d,s_len*2,2) // sets the head direction
#define s_tdir_set(d) s_set(shape,d,0,2) // sets the tail direction 
// Macros for changing the shape each time the snake moves
#define s_shape_rot(nd) do  shape>>=2; s_hdir_set(nd);  while(0); 
#define s_shape_add(nd) do  s_len_inc; shape<<=2; s_tdir_set(nd);  while(0);

当蛇移动且没有吃掉苹果时，我们调用s_shape_rot宏，删除最后一个方向，然后添加一个新的蛇头（根据s_chdir）。

这么看来，蛇的行为有点像队列：

当蛇移动并吃掉一个苹果时，我们调用s_shape_add，仅增加长度，并添加一个新的蛇尾s_tdir。

主循环

主循环如下所示。

// Some macros to make the code more readable
// (or unreadable depending on you)
#define s_init do  srand(time(0)); initscr(); keypad(stdscr, TRUE); cbreak(); noecho();  while(0);
#define s_exit(e) do  endwin(); exit(e);  while(0);
#define s_key_press(k1, k2) if (s_hdir==k2) break; s_chdir_set(k1); break;


int main(void) 
    s_init; // initialize the curses context
    rnd_apple(); // creates a random position for the apple
    while(1) 
        show_map(); // renders the map on screen
        timeout(80); // getch() timeouts after waiting for user input
        switch (getch()) 
            case KEY_UP :  s_key_press(SU, SD) ; 
            case KEY_DOWN :  s_key_press(SD, SU) ;
            case KEY_LEFT :  s_key_press(SL, SR) ;
            case KEY_RIGHT :  s_key_press(SR, SL) ;
            case 'q' : exit(0); // Quits the game
        
        move_snake(); // The snake moves inside the grid
        s_shape_rot(s_chdir); // The shape is getting updated
        napms(200); // frame rate :))
    
    s_exit(0); // games exits

每当某个键按下时，就展开s_key_press，检查移动是否允许，然后更新s_chdir（使用s_chdir_set）。

s_key_press有两个输入参数的作用是去除相反方向。例如，如果蛇当前向右移动（SR），那么SL就是不可能的输入，从而中断switch语句。

移动蛇的函数

move_snake()中实现了大部分逻辑：

#define s_next_l s_mask5(s_hpos+1) // incrementing the offset to go right
#define s_next_r s_mask5(s_hpos-1) // decrementing the offset to go left
#define s_next_u s_mask5(s_hpos+8) // change row up, by adding 8 positions to the offset
#define s_next_d s_mask5(s_hpos-8) // change row down, by removing 8 positions from the offset


// Check if a left movement is possible. 
static void check_l()  if ((s_mod_p2(s_next_l,8) < s_mod_p2(s_hpos,8)) || s_is_set(s_next_l)) s_exit(-1); 
// Check if a right movement is possible. 
static void check_r()  if ((s_mod_p2(s_next_r,8) > s_mod_p2(s_hpos,8)) || s_is_set(s_next_r)) s_exit(-1); 
// Check if a up movement is possible
static void check_u()  if ((s_next_u < s_hpos) || s_is_set(s_next_u)) s_exit(-1); 
// Check if a down movement is possible
static void check_d()  if ((s_next_d > s_hpos) || s_is_set(s_next_d)) s_exit(-1); 
static void move_snake() 
    if (s_hdir==SL)  check_l(); s_hpos_set(s_hpos+1);  
    else if (s_hdir==SR)  check_r(); s_hpos_set(s_hpos-1);  
    else if (s_hdir==SU)  check_u(); s_hpos_set(s_hpos+8); 
    else if (s_hdir==SD)  check_d(); s_hpos_set(s_hpos-8); 
    // Sets the bit based on the current s_hdir and s_hpos
    s_set_1(s_hpos);
    // If an apple is eaten
    if (s_apos==s_hpos) 
        // We generate another apple so we don't starve
        rnd_apple();
        // Append to the tail
        s_shape_add(s_tdir);
        // We stop clearning the tail bit
        return;
    
    // Clear the tail bit
    s_set_0(s_tpos);
    // Update the t_pos so we can clear the next tail bit when the snake moves
    if (s_tdir==SL)  s_tpos_set(s_tpos+1);  
    else if (s_tdir==SR)  s_tpos_set(s_tpos-1);  
    else if (s_tdir==SU)  s_tpos_set(s_tpos+8);  
    else if (s_tdir==SD)  s_tpos_set(s_tpos-8); 

为了验证蛇是否可以在方格中移动，我们实现了check_*()函数：

• check_l()检查蛇的X坐标（s_hpos % 8）是否大于上一个位置的X坐标；

• check_r()检查蛇的X坐标（s_hpos % 8）是否小于上一个位置的X坐标；

• check_u()和check_d()的原理相同，检查增加s_hpos是否会导致溢出。如果溢出，表明移动超出了方格边界。这里溢出当做一个特性使用。

显示蛇的函数

这是需要实现的最后一个函数：

static void show_map() 
    clear();
    i=32;
    while(i-->0)  // !! Trigger warning for sensitive people, incoming '-->0'
        // If the bit is an apple, we render the apple '@'
        if (i==s_apos)  addch('@'); addch(' '); 
        // We draw either the snake bit ('#') or the empty bit ('.')
        else  addch(s_is_set(i) ? '#':'.'); addch(' '); 
        // We construct the grid by inserting a new line
        if (!s_mod_p2(i,8))  addch('\\n'); 
    ;

宏展开之后

所有宏展开之后，代码如下所示：

uint32_t map = 0x700;
uint32_t vars = 0x20090a;
uint64_t shape = 0x2a;
int8_t i = 0;
static void rnd_apple() 
    i = (rand()&(32 -1));
    while(((map&(1<<(i)))!=0)) i = (rand()&(32 -1));
    (vars=((vars)&~(((1<<(5))-1)<<(15)))|(((i)&((1<<(5))-1))<<(15)));

static void show_map() 
    wclear(stdscr);
    i=32;
    while(i-->0) 
        if (i==(((vars)>>(15))&((1<<(5))-1)))  waddch(stdscr,'@'); waddch(stdscr,' '); 
        else  waddch(stdscr,((map&(1<<(i)))!=0) ? '#':'.'); waddch(stdscr,' '); 
        if (!(i&(8 -1)))  waddch(stdscr,'\\n'); 
    ;

static void check_l()  if ((((((((vars)>>(0))&((1<<(5))-1))+1)&0x1f)&(8 -1)) < ((((vars)>>(0))&((1<<(5))-1))&(8 -1))) || ((map&(1<<((((((vars)>>(0))&((1<<(5))-1))+1)&0x1f))))!=0)) do  endwin(); exit(-1);  while(0);; 
static void check_r()  if ((((((((vars)>>(0))&((1<<(5))-1))-1)&0x1f)&(8 -1)) > ((((vars)>>(0))&((1<<(5))-1))&(8 -1))) || ((map&(1<<((((((vars)>>(0))&((1<<(5))-1))-1)&0x1f))))!=0)) do  endwin(); exit(-1);  while(0);; 
static void check_u()  if (((((((vars)>>(0))&((1<<(5))-1))+8)&0x1f) < (((vars)>>(0))&((1<<(5))-1))) || ((map&(1<<((((((vars)>>(0))&((1<<(5))-1))+8)&0x1f))))!=0)) do  endwin(); exit(-1);  while(0);; 
static void check_d()  if (((((((vars)>>(0))&((1<<(5))-1))-8)&0x1f) > (((vars)>>(0))&((1<<(5))-1))) || ((map&(1<<((((((vars)>>(0))&((1<<(5))-1))-8)&0x1f))))!=0)) do  endwin(); exit(-1);  while(0);; 
static void move_snake() 
    if (((shape>>((((vars)>>(10))&((1<<(5))-1))*2)&3))==2)  check_l(); (vars=((vars)&~(((1<<(5))-1)<<(0)))|((((((vars)>>(0))&((1<<(5))-1))+1)&((1<<(5))-1))<<(0))); 
    else if (((shape>>((((vars)>>(10))&((1<<(5))-1))*2)&3))==3)  check_r(); (vars=((vars)&~(((1<<(5))-1)<<(0)))|((((((vars)>>(0))&((1<<(5))-1))-1)&((1<<(5))-1))<<(0))); 
    else if (((shape>>((((vars)>>(10))&((1<<(5))-1))*2)&3))==0)  check_u(); (vars=((vars)&~(((1<<(5))-1)<<(0)))|((((((vars)>>(0))&((1<<(5))-1))+8)&((1<<(5))-1))<<(0))); 
    else if (((shape>>((((vars)>>(10))&((1<<(5))-1))*2)&3))==1)  check_d(); (vars=((vars)&~(((1<<(5))-1)<<(0)))|((((((vars)>>(0))&((1<<(5))-1))-8)&((1<<(5))-1))<<(0))); 
    (map|=(1<<(((vars)>>(0))&((1<<(5))-1))));
    if ((((vars)>>(15))&((1<<(5))-1))==(((vars)>>(0))&((1<<(5))-1))) 
        rnd_apple();
        do  (vars=((vars)&~(((1<<(5))-1)<<(10)))|((((((vars)>>(10))&((1<<(5))-1))+1)&((1<<(5))-1))<<(10))); shape<<=2; (shape=((shape)&~(((1<<(2))-1)<<(0)))|((((shape&3))&((1<<(2))-1))<<(0)));  while(0);;
        return;
    
    (map&=~(1<<(((vars)>>(5))&((1<<(5))-1))));
    if ((shape&3)==2)  (vars=((vars)&~(((1<<(5))-1)<<(5)))|((((((vars)>>(5))&((1<<(5))-1))+1)&((1<<(5))-1))<<(5))); 
    else if ((shape&3)==3)  (vars=((vars)&~(((1<<(5))-1)<<(5)))|((((((vars)>>(5))&((1<<(5))-1))-1)&((1<<(5))-1))<<(5))); 
    else if ((shape&3)==0)  (vars=((vars)&~(((1<<(5))-1)<<(5)))|((((((vars)>>(5))&((1<<(5))-1))+8)&((1<<(5))-1))<<(5))); 
    else if ((shape&3)==1)  (vars=((vars)&~(((1<<(5))-1)<<(5)))|((((((vars)>>(5))&((1<<(5))-1))-8)&((1<<(5))-1))<<(5))); 





int main(void) 
    do  srand(time(0)); initscr(); keypad(stdscr, 1); cbreak(); noecho();  while(0);;
    rnd_apple();
    while(1) 
        show_map();
        wtimeout(stdscr,80);
        switch (wgetch(stdscr)) 
            case 0403 :  if (((shape>>((((vars)>>(10))&((1<<(5))-1))*2)&3))==1) break; (vars=((vars)&~(((1<<(2))-1)<<(20)))|(((0)&((1<<(2))-1))<<(20))); break; ;
            case 0402 :  if (((shape>>((((vars)>>(10))&((1<<(5))-1))*2)&3))==0) break; (vars=((vars)&~(((1<<(2))-1)<<(20)))|(((1)&((1<<(2))-1))<<(20))); break; ;
            case 0404 :  if (((shape>>((((vars)>>(10))&((1<<(5))-1))*2)&3))==3) break; (vars=((vars)&~(((1<<(2))-1)<<(20)))|(((2)&((1<<(2))-1))<<(20))); break; ;
            case 0405 :  if (((shape>>((((vars)>>(10))&((1<<(5))-1))*2)&3))==2) break; (vars=((vars)&~(((1<<(2))-1)<<(20)))|(((3)&((1<<(2))-1))<<(20))); break; ;
            case 'q' : exit(0);
        
        move_snake();
        do  shape>>=2; (shape=((shape)&~(((1<<(2))-1)<<((((vars)>>(10))&((1<<(5))-1))*2)))|((((((vars)>>(20))&((1<<(2))-1)))&((1<<(2))-1))<<((((vars)>>(10))&((1<<(5))-1))*2)));  while(0);;
        napms(200);
    
    do  endwin(); exit(0);  while(0);;

上述代码非常难懂，上下滚动屏幕甚至会感到头晕。

感想

这个练习很有趣。完整的代码在此（https://github.com/nomemory/integers-snake/blob/main/snake.c），大约100行，只用了四个整数。

如果在你的终端上蛇跑得太快，可以尝试增加s_napms。

*本文由CSDN翻译，未经授权，禁止转载。

原文链接：https://www.andreinc.net/2022/05/01/4-integers-are-enough-to-write-a-snake-game