2048 是 20 岁的 Gabriele Cirulli 开发的一款数字游戏，曾风靡一时。这次实验我们用 200 行 Python 代码，在终端环境中实现一个 2048 规则的小游戏。

实验楼上已有的 2048 课程：

GO 语言开发 2048
网页版 2048
C 语言制作 2048
游戏玩法可以在这里亲自体验：）

2048 原版游戏地址：http://gabrielecirulli.github.io/2048
本节实验中将学习和实践以下知识点：

Python 基本知识
curses 终端图形编程库
random 随机数模块
collections 容器数据类型库
状态机的概念
本课程通过 Python 实现了一个在终端上运行的 2048 小游戏，体现了 Python 语法的简洁和强大。适合已经有 Python 基础，想要通过挑战进一步提高自己 Python 编码能力的同学。
本实验完整代码可以通过以下命令获取：

wget https://labfile.oss.aliyuncs.com/courses/368/2048.py

实验步骤
在 /home/shiyanlou/ 目录下创建游戏文件 2048.py

首先导入需要的包：

curses 用来在终端上显示图形界面

import curses

random 模块用来生成随机数

from random import randrange, choice

collections 提供了一个字典的子类 defaultdict。可以指定 key 值不存在时，value 的默认值。

from collections import defaultdict

Python 实现 2048 游戏
主逻辑
用户行为
所有的有效输入都可以转换为"上，下，左，右，游戏重置，退出"这六种行为，用 actions 表示

actions = [‘Up’, ‘Left’, ‘Down’, ‘Right’, ‘Restart’, ‘Exit’]

有效输入键是最常见的 W（上），A（左），S（下），D（右），R（重置），Q（退出），这里要考虑到大写键开启的情况，获得有效键值列表：

ord() 函数以一个字符作为参数，返回参数对应的 ASCII 数值，便于和后面捕捉的键位关联

letter_codes = [ord(ch) for ch in ‘WASDRQwasdrq’]
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将输入与行为进行关联：

actions_dict = dict(zip(letter_codes, actions * 2))

actions_dict 的输出结果为

{87: ‘Up’, 65: ‘Left’, 83: ‘Down’, 68: ‘Right’, 82: ‘Restart’, 81: ‘Exit’, 119: ‘Up’, 97: ‘Left’, 115: ‘Down’, 100: ‘Right’, 114: ‘Restart’, 113: ‘Exit’}
copy
状态机
处理游戏主逻辑的时候我们会用到一种十分常用的技术：状态机，或者更准确的说是有限状态机（FSM）

你会发现 2048 游戏很容易就能分解成几种状态的转换。

2.1-1

state 存储当前状态， state_actions 这个词典变量作为状态转换的规则，它的 key 是状态，value 是返回下一个状态的函数：

Init: init()
Game
Game: game()
Game
Win
GameOver
Exit
Win: lambda: not_game(‘Win’)
Init
Exit
Gameover: lambda: not_game(‘Gameover’)
Init
Exit
Exit: 退出循环
状态机会不断循环，直到达到 Exit 终结状态结束程序。

下面我们来理清主逻辑的代码： （代码不完整的地方会在后面补全）

init函数用来初始化我们的游戏棋盘，使游戏变成初始状态。

初始化棋盘

def init():
    ''' 初始化游戏棋盘 '''
    return 'Game'

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not_game函数表示的是游戏结束时的状态。游戏结束时，只有胜利和失败两种结果。在展示这两种结果的同时，我们还需要为玩家提供“Restart”和“Exit”功能。

def not_game(state):
    '''展示游戏结束界面。
    读取用户输入得到 action，判断是重启游戏还是结束游戏
    '''
    # defaultdict 参数是 callable 类型，所以需要传一个函数
    responses = defaultdict(lambda: state)
    # 在字典中新建两个键值对
    responses['Restart'], responses['Exit'] = 'Init', 'Exit'
    return responses[action]

copy
这里 defaultdict 作用是生成一个特殊的字典 responses。
在普通的字典里，我们都知道如果使用字典里不存在的 key 来取 value，程序就会报错。
但在 defaultdict 生成的特殊字典里，如果要取的 key 不存在，程序不仅不会报错，还能取到一个我们设定的默认 value 值。
也就是说，在 responses 这个特殊字典里，responses[action] 在 action 为 ‘Restart’ 、‘Exit’ 这两种行为时分别对应 ‘Init’ 和 ‘Exit’ 状态。
在 keyaction 为 actions = [‘Up’, ‘Left’, ‘Down’, ‘Right’, ‘Restart’, ‘Exit’] 中的其他行为时，对应的都是默认的 valuestate。

这样一来，在游戏结束界面，玩家输入 r 和 q 以外的键位都不能对游戏界面造成影响。

（如果对 defaultdict 的作用仍感到疑惑，可以自己在新建一个 py 文件试试）

game函数表示的是游戏进行时的状态，在不重新开始或退出的情况下，只要游戏没有胜利或失败，就会一直处于游戏状态。

游戏状态

def game():
    '''画出当前棋盘状态
    读取用户输入得到 action
    '''
    if action == 'Restart':
        return 'Init'
    if action == 'Exit':
        return 'Exit'
    # if 成功移动了一步:
        if 游戏胜利了:
            return 'Win'
        if 游戏失败了:
            return 'Gameover'
    return 'Game'

copy
这里同样会获取用户输入得到 action。
当 action 为 ‘Restart’、'Exit’时会执行“Restart”、“Exit”功能。
不同的是，当 action 为 ‘Up’、‘Left’、‘Down’、‘Right’ 行为时，棋盘会进行相应移动一次，然后判断游戏是否结束。如果结束就返回相应的结束状态，没有结束就返回状态 ‘Game’，表示还在游戏进行状态。

状态机循环

state_actions = {
        'Init': init,
        'Win': lambda: not_game('Win'),
        'Gameover': lambda: not_game('Gameover'),
        'Game': game
}

state = 'Init'

# 状态机开始循环
while state != 'Exit':
    state = state_actions[state]()

copy
这里我们先定义了一个字典 state_actions，让 Init、Win、Gameover、Game 四个状态作为 key 对应四个函数作为 value。
因为字典 state_actionsvalue 里函数的返回值为 Init、Win、Gameover、Game、Exit中的一个。
所以状态机会一直循环，直到 state 等于 Exit 时退出。

这些就是主逻辑的主要代码：

def main(stdscr):

def init():
    # 初始化游戏棋盘
    return 'Game'

def not_game(state):
    '''画出 GameOver 或者 Win 的界面
    读取用户输入得到 action，判断是重启游戏还是结束游戏
    '''
    # 默认是当前状态，没有'Restart'或'Exit'行为就会一直保持当前状态
    responses = defaultdict(lambda: state)
    # 新建键值对，将行为和状态对应
    responses['Restart'], responses['Exit'] = 'Init', 'Exit'
    return responses[action]

def game():
    # 画出当前棋盘状态
    # 读取用户输入得到 action
    if action == 'Restart':
        return 'Init'
    if action == 'Exit':
        return 'Exit'
    # if 成功移动了一步:
        if 游戏胜利了:
            return 'Win'
        if 游戏失败了:
            return 'Gameover'
    return 'Game'


state_actions = {
        'Init': init,
        'Win': lambda: not_game('Win'),
        'Gameover': lambda: not_game('Gameover'),
        'Game': game
}

state = 'Init'

# 状态机开始循环
while state != 'Exit':
    state = state_actions[state]()

用户输入处理
阻塞＋循环，直到获得用户有效输入才返回对应行为：

def get_user_action(keyboard):
char = “N”
while char not in actions_dict:
# 返回按下键位的 ASCII　码值
char = keyboard.getch()
# 返回输入键位对应的行为
return actions_dict[char]

创建棋盘
初始化棋盘的参数，可以指定棋盘的高和宽以及游戏胜利条件，默认是最经典的 4x4 ～ 2048。

class GameField(object):
def init(self, height=4, width=4, win=2048):
self.height = height # 高
self.width = width # 宽
self.win_value = 2048 # 过关分数
self.score = 0 # 当前分数
self.highscore = 0 # 最高分
self.reset() # 棋盘重置

棋盘操作
随机生成一个 2 或者 4
def spawn(self):
# 从 100 中取一个随机数，如果这个随机数大于 89，new_element 等于 4，否则等于 2
new_element = 4 if randrange(100) > 89 else 2
# 得到一个随机空白位置的元组坐标
(i,j) = choice([(i,j) for i in range(self.width) for j in range(self.height) if self.field[i][j] == 0])
self.field[i][j] = new_element
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按照游戏规则，这里需要在棋盘中随机找到一个空白的位置，并在这个位置上随机生成一个 2 或 4。
于是，我们用到了 random 库的 randrange 和 choice 方法。randrange 用法参考上面代码块中的注释。
choice 方法会从一个非空的序列（list、str、tuple 等）中随机返回一个元素。可是我们需要知道象征着棋盘的这个二维数组的 i 和 j 才能确定棋盘上的位置。
因此，在上面的代码中，我们往 choice 方法中传入一个列表，并在列表生成式中将二维数组变成一个以 (i,j) 为元素的列表，同时排除掉非零的位置。

重置棋盘
def reset(self):
# 更新分数
if self.score > self.highscore:
self.highscore = self.score
self.score = 0
# 初始化游戏开始界面
self.field = [[0 for i in range(self.width)] for j in range(self.height)]
self.spawn()
self.spawn()
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reset 方法在棋盘初始化的时候被调用。它的主要作用是将棋盘所有位置元素复原为 0，然后再在随机位置生成游戏初始的数值。

一行向左合并
(注：这一操作是在 move 内定义的，拆出来是为了方便阅读)

def move_row_left(row):
def tighten(row):
‘’‘把零散的非零单元挤到一块’’’
# 先将非零的元素全拿出来加入到新列表
new_row = [i for i in row if i != 0]
# 按照原列表的大小，给新列表后面补零
new_row += [0 for i in range(len(row) - len(new_row))]
return new_row

def merge(row):
    '''对邻近元素进行合并'''
    pair = False
    new_row = []
    for i in range(len(row)):
        if pair:
            # 合并后，加入乘 2 后的元素在 0 元素后面
            new_row.append(2 * row[i])
            # 更新分数
            self.score += 2 * row[i]
            pair = False
        else:
            # 判断邻近元素能否合并
            if i + 1 < len(row) and row[i] == row[i + 1]:
                pair = True
                # 可以合并时，新列表加入元素 0
                new_row.append(0)
            else:
                # 不能合并，新列表中加入该元素
                new_row.append(row[i])
    # 断言合并后不会改变行列大小，否则报错
    assert len(new_row) == len(row)
    return new_row
# 先挤到一块再合并再挤到一块
return tighten(merge(tighten(row)))

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矩阵转置与矩阵逆转
加入这两个操作可以大大节省我们的代码量，减少重复劳动。

矩阵转置：

矩阵转置

对于像我们棋盘一样，4 × 4 的二维矩阵，我们可以直接利用 Python 内置的 zip(*) 方法来进行矩阵转置。

def transpose(field):
return [list(row) for row in zip(*field)]
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矩阵逆转（不是逆矩阵）：

这里只是将矩阵的每一行倒序，和逆矩阵的概念无关。

def invert(field):
return [row[::-1] for row in field]
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棋盘走一步
通过对矩阵进行转置与逆转，可以直接从左移得到其余三个方向的移动操作

(注：这里省略 move 函数里的部分代码)

def move(self, direction):
# 创建 moves 字典，把不同的棋盘操作作为不同的 key，对应不同的方法函数
moves = {}
moves[‘Left’] = lambda field: [move_row_left(row) for row in field]
moves[‘Right’] = lambda field: invert(moves’Left’)
moves[‘Up’] = lambda field: transpose(moves’Left’)
moves[‘Down’] = lambda field: transpose(moves’Right’)
# 判断棋盘操作是否存在且可行
if direction in moves:
if self.move_is_possible(direction):
self.field = movesdirection
self.spawn()
return True
else:
return False
copy
在 moves 字典中有 Left、Right、Up、Down 四个 key 对应四种棋盘操作。
我们先判断传进来作为 key 的 direction 操作是否存在 move 字典中。如果存在的话，我们再用 move_is_possible 方法判断这个操作是否能在棋盘执行。
这两个判断都通过后，就会对棋盘进行相应移动操作。
这里的难点在于理解矩阵转置和逆转后和原矩阵的关系。如果想不明白，可以在纸上画出变化前后的矩阵对比。

判断输赢
def is_win(self):
# 任意一个位置的数大于设定的 win 值时，游戏胜利
return any(any(i >= self.win_value for i in row) for row in self.field)

def is_gameover(self):
# 无法移动和合并时，游戏失败
return not any(self.move_is_possible(move) for move in actions)
copy
在 is_win 函数方法中，我们使用了 Python 内置的 any 函数，any 接收一个可迭代对象作为参数(iterable),返回 bool 值。
这里的 any 里面嵌套了另一个 any，里层的 any 传入了每一行的元素并依次比较这一行的每个元素与 self.win_value 的大小，如果有任何一个元素大于 self.win_value，就返回 True,否则返回 False；外层的 any 传入的是矩阵每一行元素在内层 any 里处理后返回的 bool 值，如果有任何一个 bool 值为 True，外层的 any 就返回 True。

is_gameover 函数用来判断游戏是否结束。当上下左右四个方向都不能移动时，游戏结束。

判断能否移动
def move_is_possible(self, direction):
‘’‘传入要移动的方向
判断能否向这个方向移动
‘’’
def row_is_left_movable(row):
‘’‘判断一行里面能否有元素进行左移动或合并
‘’’
def change(i):
# 当左边有空位（0），右边有数字时，可以向左移动
if row[i] == 0 and row[i + 1] != 0:
return True
# 当左边有一个数和右边的数相等时，可以向左合并
if row[i] != 0 and row[i + 1] == row[i]:
return True
return False
return any(change(i) for i in range(len(row) - 1))

# 检查能否移动（合并也可以看作是在移动）
check = {}
# 判断矩阵每一行有没有可以左移动的元素
check['Left']  = lambda field: any(row_is_left_movable(row) for row in field)
# 判断矩阵每一行有没有可以右移动的元素。这里只用进行判断，所以矩阵变换之后，不用再变换复原
check['Right'] = lambda field: check['Left'](invert(field))

check['Up']    = lambda field: check['Left'](transpose(field))

check['Down']  = lambda field: check['Right'](transpose(field))

# 如果 direction 是“左右上下”即字典 check 中存在的操作，那就执行它对应的函数
if direction in check:
    # 传入矩阵，执行对应函数
    return check[direction](self.field)
else:
    return False

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在 move_is_possible 函数中，我们只用实现判断能否向左移动的代码，然后同样利用矩阵的转置和逆转来转换矩阵，完成能否向其他方向移动的判断。

绘制游戏界面
（注：这一步是在棋盘类内定义的）

def draw(self, screen):
help_string1 = ‘(W)Up (S)Down (A)Left (D)Right’
help_string2 = ’ ®Restart (Q)Exit’
gameover_string = ’ GAME OVER’
win_string = ’ YOU WIN!’

# 绘制函数
def cast(string):
    # addstr() 方法将传入的内容展示到终端
    screen.addstr(string + '\n')

# 绘制水平分割线的函数
def draw_hor_separator():
    line = '+' + ('+------' * self.width + '+')[1:]
    cast(line)

# 绘制竖直分割线的函数
def draw_row(row):
    cast(''.join('|{: ^5} '.format(num) if num > 0 else '|      ' for num in row) + '|')

# 清空屏幕
screen.clear()
# 绘制分数和最高分
cast('SCORE: ' + str(self.score))
if 0 != self.highscore:
    cast('HIGHSCORE: ' + str(self.highscore))

# 绘制行列边框分割线
for row in self.field:
    draw_hor_separator()
    draw_row(row)
draw_hor_separator()

# 绘制提示文字
if self.is_win():
    cast(win_string)
else:
    if self.is_gameover():
        cast(gameover_string)
    else:
        cast(help_string1)
cast(help_string2)

copy
这部分代码的关键在于 cast 函数。在 draw 函数传入的 screen 参数表示绘画的窗体对象，这里我们先记住 screen.addstr() 的作用是绘制字符，screen.clear() 的作用是清空屏幕，达到刷新的目的。在下一部分主逻辑后面，我们再结合两部分内容来理解 curses 库的用法。

完成主逻辑
完成以上工作后，我们就可以补完主逻辑了！

def main(stdscr):
def init():
# 重置游戏棋盘
game_field.reset()
return ‘Game’

def not_game(state):
    # 根据状态画出游戏的界面
    game_field.draw(stdscr)
    # 读取用户输入得到 action，判断是重启游戏还是结束游戏
    action = get_user_action(stdscr)
    # 如果没有 'Restart' 和 'Exit' 的 action，将一直保持现有状态
    responses = defaultdict(lambda: state)
    responses['Restart'], responses['Exit'] = 'Init', 'Exit'
    return responses[action]

def game():
    # 根据状态画出游戏的界面
    game_field.draw(stdscr)
    # 读取用户输入得到 action
    action = get_user_action(stdscr)

    if action == 'Restart':
        return 'Init'
    if action == 'Exit':
        return 'Exit'
    if game_field.move(action):  # move successful
        if game_field.is_win():
            return 'Win'
        if game_field.is_gameover():
            return 'Gameover'
    return 'Game'


state_actions = {
        'Init': init,
        'Win': lambda: not_game('Win'),
        'Gameover': lambda: not_game('Gameover'),
        'Game': game
    }
# 使用颜色配置默认值
curses.use_default_colors()

# 实例化游戏界面对象并设置游戏获胜条件为 2048
game_field = GameField(win=2048)


state = 'Init'

# 状态机开始循环
while state != 'Exit':
    state = state_actions[state]()

curses.wrapper(main)
copy
这里的主要内容在实验的开始就分析过了。
所以我们来结合上一部分出现的 screen.addstr() 和 screen.clear() 理解 curses 库的用法。

首先， curses.wrapper 函数会激活并初始化终端进入 ‘curses 模式’。
在这个模式下会禁止输入的字符显示在终端上、禁止终端程序的行缓冲（line buffering），即字符在输入时就可以使用，不需要遇到换行符或回车。

接着，curses.wrapper 函数需要传一个函数作为参数，这个传进去的函数必须满足第一个参数为主窗体（main window） stdscr。
在前面的代码里，可以看到我们给 curses.wrapper(main) 的 main 函数中传入了一个 stdscr。

最后，stdscr 作为 window.addstr(str)、window.clear() 方法的调用需要窗体对象（window object），在 game_field.draw(stdscr) 中传入 draw 方法中。

运行
最后在终端运行：

$ python3 2048.py

2.8-1

（注：如果你在实验中遇到问题，可以通过对比实验开始给出的参考代码查错。）

实验总结
这次实验我们用 Python 的 curses 库在终端实现了一个 2048 规则的图形界面小游戏。学习了 random 库函数 randrange、choice 和 collections 中 defaultdict 特殊字典的使用。

在实验过程中，我们仅部分使用了面向对象的开发方法。 下面为大家提供使用面向对象重构这次实验内容后的代码，作为实验的补充和思考。

用面向对象方法重构代码
Author: protream

-- coding: utf-8 --

import random
import curses
from itertools import chain

class Action(object):

UP = 'up'
LEFT = 'left'
DOWN = 'down'
RIGHT = 'right'
RESTART = 'restart'
EXIT = 'exit'

letter_codes = [ord(ch) for ch in 'WASDRQwasdrq']
actions = [UP, LEFT, DOWN, RIGHT, RESTART, EXIT]
actions_dict = dict(zip(letter_codes, actions * 2))

def __init__(self, stdscr):
    self.stdscr = stdscr

def get(self):
    char = "N"
    while char not in self.actions_dict:
        char = self.stdscr.getch()
    return self.actions_dict[char]

class Grid(object):

def __init__(self, size):
    self.size = size
    self.cells = None
    self.reset()

def reset(self):
    self.cells = [[0 for i in range(self.size)] for j in range(self.size)]
    self.add_random_item()
    self.add_random_item()

def add_random_item(self):
    empty_cells = [(i, j) for i in range(self.size) for j in range(self.size) if self.cells[i][j] == 0]
    (i, j) = random.choice(empty_cells)
    self.cells[i][j] = 4 if random.randrange(100) >= 90 else 2

def transpose(self):
    self.cells = [list(row) for row in zip(*self.cells)]

def invert(self):
    self.cells = [row[::-1] for row in self.cells]

@staticmethod
def move_row_left(row):
    def tighten(row):
        new_row = [i for i in row if i != 0]
        new_row += [0 for i in range(len(row) - len(new_row))]
        return new_row

    def merge(row):
        pair = False
        new_row = []
        for i in range(len(row)):
            if pair:
                new_row.append(2 * row[i])
                # self.score += 2 * row[i]
                pair = False
            else:
                if i + 1 < len(row) and row[i] == row[i + 1]:
                    pair = True
                    new_row.append(0)
                else:
                    new_row.append(row[i])
        assert len(new_row) == len(row)
        return new_row
    return tighten(merge(tighten(row)))

def move_left(self):
    self.cells = [self.move_row_left(row) for row in self.cells]

def move_right(self):
    self.invert()
    self.move_left()
    self.invert()

def move_up(self):
    self.transpose()
    self.move_left()
    self.transpose()

def move_down(self):
    self.transpose()
    self.move_right()
    self.transpose()

@staticmethod
def row_can_move_left(row):
    def change(i):
        if row[i] == 0 and row[i + 1] != 0:
            return True
        if row[i] != 0 and row[i + 1] == row[i]:
            return True
        return False
    return any(change(i) for i in range(len(row) - 1))

def can_move_left(self):
    return any(self.row_can_move_left(row) for row in self.cells)

def can_move_right(self):
    self.invert()
    can = self.can_move_left()
    self.invert()
    return can

def can_move_up(self):
    self.transpose()
    can = self.can_move_left()
    self.transpose()
    return can

def can_move_down(self):
    self.transpose()
    can = self.can_move_right()
    self.transpose()
    return can

class Screen(object):

help_string1 = '(W)up (S)down (A)left (D)right'
help_string2 = '     (R)Restart (Q)Exit'
over_string = '           GAME OVER'
win_string = '          YOU WIN!'

def __init__(self, screen=None, grid=None, score=0, best_score=0, over=False, win=False):
    self.grid = grid
    self.score = score
    self.over = over
    self.win = win
    self.screen = screen
    self.counter = 0

def cast(self, string):
    self.screen.addstr(string + '\n')

def draw_row(self, row):
    self.cast(''.join('|{: ^5}'.format(num) if num > 0 else '|     ' for num in row) + '|')

def draw(self):
    self.screen.clear()
    self.cast('SCORE: ' + str(self.score))
    for row in self.grid.cells:
        self.cast('+-----' * self.grid.size + '+')
        self.draw_row(row)
    self.cast('+-----' * self.grid.size + '+')

    if self.win:
        self.cast(self.win_string)
    else:
        if self.over:
            self.cast(self.over_string)
        else:
            self.cast(self.help_string1)

    self.cast(self.help_string2)

class GameManager(object):

def __init__(self, size=4, win_num=2048):
    self.size = size
    self.win_num = win_num
    self.reset()

def reset(self):
    self.state = 'init'
    self.win = False
    self.over = False
    self.score = 0
    self.grid = Grid(self.size)
    self.grid.reset()

@property
def screen(self):
    return Screen(screen=self.stdscr, score=self.score, grid=self.grid, win=self.win, over=self.over)

def move(self, direction):
    if self.can_move(direction):
        getattr(self.grid, 'move_' + direction)()
        self.grid.add_random_item()
        return True
    else:
        return False

@property
def is_win(self):
    self.win = max(chain(*self.grid.cells)) >= self.win_num
    return self.win

@property
def is_over(self):
    self.over = not any(self.can_move(move) for move in self.action.actions)
    return self.over

def can_move(self, direction):
    return getattr(self.grid, 'can_move_' + direction)()

def state_init(self):
    self.reset()
    return 'game'

def state_game(self):
    self.screen.draw()
    action = self.action.get()

    if action == Action.RESTART:
        return 'init'
    if action == Action.EXIT:
        return 'exit'
    if self.move(action):
        if self.is_win:
            return 'win'
        if self.is_over:
            return 'over'
    return 'game'

def _restart_or_exit(self):
    self.screen.draw()
    return 'init' if self.action.get() == Action.RESTART else 'exit'

def state_win(self):
    return self._restart_or_exit()

def state_over(self):
    return self._restart_or_exit()

def __call__(self, stdscr):
    curses.use_default_colors()
    self.stdscr = stdscr
    self.action = Action(stdscr)
    while self.state != 'exit':
        self.state = getattr(self, 'state_' + self.state)()

if name == ‘main’:
curses.wrapper(GameManager())
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用面向对象方法实现的代码后，在游戏运行时 SCORE 始终为 0，大家可以思考一下如何修改代码以实现正确的计分。

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