鹿角虫驿站
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贪吃蛇项目实验报告参考模板
2025-05-16

实验题目：贪吃蛇游戏的设计与实现 #

贪吃蛇是一款经典的休闲小游戏，玩家通过键盘方向键控制蛇在封闭空间内移动，吃掉随机出现的食物，蛇身随之增长，得分提升。若蛇头碰到墙壁或自身，游戏结束。本实验旨在使用C++实现一个基于字符界面的贪吃蛇游戏，锻炼面向对象设计、事件驱动、文件操作等编程能力。

  • 界面需求：包括欢迎界面、游戏主界面、帮助说明界面、游戏结束界面。
  • 游戏逻辑：
    • 蛇自动前进，方向可由键盘控制。
    • 吃到食物后蛇身增长，得分增加，食物重新随机出现。
    • 撞墙或自咬判定游戏结束。
  • 文件操作：最高分持久化保存与读取。
  • 装饰与美观：字符画装饰，彩色显示。
  • 操作提示：支持加速/减速、退出、重开等快捷键。

采用面向对象和模块化设计，主要模块如下：

  • 实体类：Snake（蛇）、Apple（食物）
  • 场景类：MenuScene（菜单）、GameScene（游戏主场景）、HelpScene（帮助）、ScoreScene（结束/分数）
  • 工具与配置：GameConfig（全局配置）、util.h（工具函数）
  • 输入输出：KeyListener（键盘监听）、Outputer（屏幕输出）
  • 主控：SceneManager（场景切换）、main.cpp（主循环）
SceneManager
   |
   +-- MenuScene  (游戏欢迎界面)
   +-- GameScene  (游戏主界面)
   +-- HelpScene  (帮助说明界面)
   +-- ScoreScene (游戏结算界面)

GameScene
   |
   +-- Snake
   +-- Apple

全局：Outputer（屏幕输出）、KeyListener（键盘输入）、GameConfig（配置）
  • 场景管理：所有界面均为Scene派生类，统一接口，便于切换和扩展。
  • 事件驱动：主循环分离输入、更新、绘制，输入异步监听，事件队列驱动。
  • 缓冲区绘制：所有输出先写入缓冲区，最后统一渲染，防止闪烁。
  • 数据结构：蛇身用std::deque<POINT>，便于头尾操作。
  • 文件操作：最高分读写采用简单文本文件，保证跨平台兼容性。
  • 主循环负责处理输入、更新当前场景、绘制并渲染。
  • 场景切换由SceneManager统一管理，支持菜单、游戏、帮助、分数等界面自由切换。
  • 蛇的每一节用POINT表示，deque存储身体。
  • 每帧根据当前方向移动蛇头，吃到食物时不移除尾部，实现生长。
  • 方向变更通过事件队列，防止连续反向。
  • 食物位置随机生成，确保不与蛇身重叠。
  • 吃到食物后，分数增加，蛇身增长，食物重新生成。
  • 判断蛇头是否碰到边界或自身，若是则游戏结束，切换到分数界面。
  • KeyListener独立线程监听键盘，支持方向、加速、减速、退出等操作。
  • Outputer负责字符缓冲区管理，支持彩色输出和多字节字符。
  • 菜单、帮助、分数等界面用ConsoleTextBuilder构建美观文本。
  • 最高分保存在save.txt，游戏结束时自动更新。

游戏主循环是整个贪吃蛇程序的核心，负责驱动游戏的输入处理、逻辑更新和界面渲染。其结构和工作流程直接决定了游戏的响应速度、流畅性和可维护性。

主循环位于main.cpp，伪代码结构如下：

while (程序未退出) {
    1. 处理输入事件
    2. 更新当前场景（游戏状态）
    3. 渲染数据到屏幕
      - 清空屏幕缓冲区
      - 绘制当前场景内容到缓冲区
      - 渲染缓冲区到屏幕
    4. 控制帧率（延时）
}

  1. 处理输入事件

    • 通过KeyListener模块在独立线程中监听键盘输入，将按键信息放入事件队列。
    • 主循环每帧从队列中取出事件，分发给当前场景处理（如方向变更、菜单选择等）。

  2. 更新当前场景

    • 当前激活的Scene对象（如GameScene）根据输入和内部状态进行逻辑更新。
    • 在GameScene中，主要包括蛇的移动、食物判定、碰撞检测、分数更新等。

  3. 清空屏幕缓冲区

    • 调用Outputer的清空方法，准备新一帧的绘制。

  4. 绘制当前场景内容

    • 当前场景将所有需要显示的内容（地图、蛇、食物、分数等）写入Outputer的缓冲区。
    • 绘制采用字符和颜色，保证界面美观。

  5. 渲染缓冲区到屏幕

    • Outputer统一将缓冲区内容输出到控制台，避免闪烁和撕裂。

  6. 控制帧率

    • 通过std::this_thread::sleep_for等方式延时，保证游戏速度恒定，避免CPU占用过高。
    • 支持动态调整帧率（如F1/F2加速减速）。
  • 高内聚低耦合：输入、逻辑、绘制分离，便于维护和扩展。
  • 响应及时：异步输入监听，保证操作流畅。
  • 易于扩展：场景切换机制可方便添加新界面或玩法。
  • 美观流畅：缓冲区绘制避免闪烁，提升用户体验。
// 主游戏循环
while (GameConfig::GetGameRunning()) {
  auto start_time = std::chrono::steady_clock::now();  ///< 记录帧开始时间。

  // 处理所有待处理的按键事件
  while (keyListener.getNextEvent(event)) {
    scene_manager.on_input(event);  ///< 将输入事件传递给当前场景。
  }

  scene_manager.on_update();  ///< 更新当前场景逻辑。

  screen->clearBuffer();    ///< 绘制前清空屏幕缓冲区。
  scene_manager.on_draw();  ///< 通知当前场景进行绘制。
  screen->render();         ///< 将屏幕缓冲区内容渲染到控制台。

  auto end_time = std::chrono::steady_clock::now();  ///< 记录帧结束时间。
  auto delta_time = end_time - start_time;           ///< 计算帧耗时。
  DWORD ms = std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(delta_time)
                  .count();  ///< 转换为毫秒。

  // 若帧渲染过快，则休眠以维持目标FPS。
  DWORD target_fps = GameConfig::GetFPS();
  if (ms < 1000 / target_fps) {
    Sleep(1000 / target_fps - ms);  ///< 暂停以维持目标FPS。
  }
}

游戏主循环是贪吃蛇程序的“心脏”，它协调了输入、逻辑和输出的有序进行。良好的主循环设计不仅保证了游戏的流畅性和稳定性，也为后续功能扩展和维护打下了坚实基础。

以下是结合你提供的Scene.h和SceneManager.h源码后的深刻剖析，建议作为“3.4 场景管理机制剖析”小节，插入到实验报告“实现过程”部分，紧接在“3.3 游戏主循环剖析”之后。

在本项目中，场景管理机制是实现多界面（如菜单、游戏、帮助、分数）灵活切换和逻辑解耦的核心。其设计基于抽象基类Scene和管理器SceneManager，实现了高内聚、低耦合的架构。

Scene类（见Scene.h）是所有具体场景的抽象基类，定义了游戏场景的统一接口。其主要职责和设计要点如下：

  • 生命周期管理：
    • on_enter()：场景被激活时调用，用于初始化资源或状态。
    • on_exit()：场景被切换或销毁时调用，用于清理资源。
  • 输入与逻辑处理：
    • on_process(const KeyEvent&)：处理输入事件（如按键）。
    • on_update()：每帧更新场景内部逻辑（如动画、计时、状态变化）。
  • 绘制接口：
    • on_draw()：每帧负责将场景内容绘制到屏幕。

优点分析：

  • 统一接口，便于主循环和场景管理器调用。
  • 强制派生类实现所有核心方法，保证各场景行为一致。
  • 生命周期钩子（enter/exit）便于资源安全管理。

示例结构：

class Scene {
 public:
  virtual void on_enter() = 0;
  virtual void on_process(const KeyEvent& event) = 0;
  virtual void on_update() = 0;
  virtual void on_draw() = 0;
  virtual void on_exit() = 0;
  virtual ~Scene() = default;
};

SceneManager（见SceneManager.h）负责场景的切换、当前场景的维护，以及将输入、更新、绘制等操作委托给当前活动场景。其主要设计要点如下：

  • 场景切换：
    • 通过set_current_scene(Scene*)或switch_to(SceneType)切换当前场景。
    • 切换时自动调用旧场景的on_exit()和新场景的on_enter()，确保资源安全释放与初始化。
  • 操作委托：
    • on_input(const KeyEvent&)、on_update()、on_draw()等方法，均直接调用当前场景的对应方法，实现主循环与具体场景的解耦。
  • 场景类型枚举：
    • 使用SceneType枚举标识不同场景，便于切换和管理。

优点分析：

  • 主循环只需与SceneManager交互，无需关心具体场景细节，提升了代码的可维护性和扩展性。
  • 场景切换自动管理生命周期，防止资源泄漏或未初始化。
  • 支持多种场景灵活扩展，便于后续添加新功能界面。

核心结构示例：

class SceneManager {
 public:
  enum class SceneType { Menu, Game, Help, Score };
  void set_current_scene(Scene* scene);
  void switch_to(SceneType type);
  void on_update();
  void on_input(const KeyEvent& event);
  void on_draw();
 private:
  Scene* m_current_scene = nullptr;
};

主循环每帧只需调用SceneManager的on_input()、on_update()和on_draw()，所有具体逻辑都由当前场景实现。切换场景时，SceneManager自动完成资源的清理与初始化，保证程序稳定运行。

流程示意：

  1. 用户操作或游戏状态触发场景切换（如菜单进入游戏）。
  2. SceneManager调用旧场景on_exit()，再调用新场景on_enter()。
  3. 主循环继续调用on_update()、on_draw()，但实际执行的是新场景的逻辑。

通过Scene和SceneManager的设计，项目实现了高内聚、低耦合的多场景管理架构。每个场景只需关注自身逻辑，主循环和场景切换则由管理器统一调度。这不仅提升了代码的可读性和可维护性，也为后续功能扩展和界面美化提供了坚实基础。

// Snake::update()
if (!m_dir_deque.empty()) {
  m_direction = m_dir_deque.front();
  m_dir_deque.pop_front();
}
m_body_deque.push_back(m_head_pos);  // 头变身体
m_head_pos.x += m_direction.x;
m_head_pos.y += m_direction.y;
if (!m_eat_apple) {
  m_tail_pos = m_body_deque.front();
  m_body_deque.pop_front(); // 移除尾巴
} else {
  m_eat_apple = false; // 吃到食物则不移除尾巴
}

// Apple::RanApple
m_pos.x = randint(minX, maxX);
m_pos.y = randint(minY, maxY);

// GameScene
bool checkLose() {
  if (!m_snake) return false;
  if (m_snake->checkIfEatBody()) {
    // 蛇是否吃到身体由蛇自己的成员函数来判断
    return true;
  }
  const POINT& head_pos = m_snake->getHeadPos();
  if (head_pos.x <= 0 || head_pos.y <= 0 || head_pos.x >= m_board_width - 1 ||
      head_pos.y >= m_board_height - 1) {  // 边界从0开始计数
    return true;
  }
  return false;
}

// KeyListener
void listenLoop() {
  // 独立线程监听按键，事件入队
  while (m_running) {
    for (int vkCode = 1; vkCode < 256; ++vkCode) {  // 检查常用键码
      bool isPressed = (GetAsyncKeyState(vkCode) & 0x8000) != 0;
      std::lock_guard<std::mutex> lock(m_queueMutex);  // 加锁保护共享资源
      if (isPressed && !m_lastKeyState[vkCode]) {
        m_eventQueue.push(
            KeyEvent(KeyEventType::PRESSED, vkCode, getKeyName(vkCode)));
      } else if (!isPressed && m_lastKeyState[vkCode]) {
        m_eventQueue.push(
            KeyEvent(KeyEventType::RELEASED, vkCode, getKeyName(vkCode)));
      }
      m_lastKeyState[vkCode] = isPressed;
    }
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(10));  // 降低CPU开销
  }
}

// Outputer::render
for (int y = 0; y < m_height; ++y)
  for (int x = 0; x < m_width; ++x)
    full_screen_output_buffer += screen_buffer_cells_[y][x];
std::cout << full_screen_output_buffer << std::flush;
  • 界面切换：菜单、帮助、游戏、分数界面均可正常切换。
  • 蛇移动：方向键控制灵敏，蛇自动前进。
  • 吃食物：吃到食物蛇身增长，分数增加，食物重新生成。
  • 碰撞检测：撞墙或自咬游戏结束，分数界面显示。
  • 文件操作：最高分可正确保存与读取。
  • 加速减速：F1/F2可调整游戏速度，分数效率随速度变化。
  • 美观性：字符画、彩色输出正常，界面美观。
  • 极限操作：连续快速按键、极限加速减速、极短时间内多次切换界面，程序稳定无崩溃。
  • 文件缺失：无save.txt时自动创建，最高分初始化为0。
  • 深刻理解了面向对象设计和模块化编程思想。
  • 掌握了事件驱动、多线程输入监听、缓冲区绘制等高级编程技巧。
  • 熟悉了C++文件操作、字符界面美化、跨平台兼容性处理。
  • 体会到良好代码结构对后期维护和扩展的重要性。
  • 多线程输入监听：需要处理线程安全，防止事件丢失或冲突。
  • 字符界面美化：多字节字符、彩色输出、缓冲区管理等细节繁琐。
  • 碰撞检测：边界和自咬判定需细致，避免误判。
  • 场景切换：资源释放与初始化需谨慎，防止内存泄漏。
  • 可扩展更多玩法（如障碍物、关卡、皮肤等）。（需要突破控制台的限制）
  • 支持自定义地图、分辨率、按键设置。（需要突破控制台的限制）
  • 增加音效、动画等提升体验。（需要突破控制台的限制）
  • 代码可进一步抽象和优化，提升可读性和复用性。
  • 主要代码文件结构、类图、流程图（可参考你的需求文档和结构图）。
  • 关键代码片段与注释。
  • 测试截图或运行效果图。
贪吃蛇项目实验报告参考模板
https://changlecat.me/posts/greedy_snake_report_template/
作者
Changle_cat
发布于
2025-05-16
关于前端协作，AI的建议