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書名： Python AI游戲編程入門：基于Pygame和PyTorch
作者名：肖凱
本章字數： 1819字
更新時間： 2024-10-25 14:10:49

2.3　面向對象編程

2.2節中實現井字棋游戲的代碼體現了一種面向過程的編程設計思路。例如，從接收玩家輸入到判斷勝負，再到顯示新的棋盤，將整體游戲邏輯根據相應過程拆開，然后分別用函數實現每個過程的邏輯。當程序功能非常簡單時，基于過程的設計思路沒什么問題。但當程序功能越來越復雜時，我們需要一種更靈活的設計思路，也就是面向對象編程，其英文名為Object-Oriented Programming，通常縮寫為OOP。

面向對象編程的主要觀點是不應該將程序拆分為若干過程，而應該將其拆分為自然對象的模型。面向對象編程涉及幾個關鍵概念，包括類、對象、組件、屬性和行為。我們分別來解釋這些關鍵概念。類可以看作一張藍圖或圖紙，代表了抽象概念，而對象是具體的事物。類和對象的關系是抽象和具體的關系，就好比漢字“馬”所代表的抽象概念，和一匹正在草原上奔跑的駿馬所代表的具體事物的關系。戰國時期所說的“白馬非馬”的故事，就包含抽象和具體的關系。

一個復雜的類可能是由多個組件構成的。例如，汽車是由發動機、車身、底盤等組件構成的，而這些組件本身也是類，如發動機類、車身類或底盤類。類是有屬性的，屬性是類的數據特征，例如馬是有顏色的，顏色是馬這個類的屬性，如果具體到作為對象的一匹馬，則有的馬是白色的，有的馬是黑色的。不同的具體的馬作為對象，可以有不同的屬性值。

類也是有行為的。行為定義了類可以做什么事（具有什么功能），例如馬可以奔跑，這是馬的一種功能。

面向對象編程的設計思路體現了一種模塊化建造、分而治之的思想，就像造汽車，工廠根據不同部件的關聯程度將汽車分成幾個模塊，分發到不同的車間來建造。例如發動機車間專門造發動機，車身車間專門造車身，底盤車間專門造底盤，總裝車間根據接口將它們組裝起來，各車間只需專注自己的模塊的建造，互不干擾。而且在研發新款車型時，可能只需要更改底盤，而老款的發動機仍可以使用。面向對象編程的優點歸納如下。

■ 分別用類來封裝各自的數據和函數，代碼相對獨立，更容易修改和管理。

■ 讓設計思路更清晰，編程更高效，代碼更容易理解且不容易出錯。

■ 可以直接使用現成的類，代碼能更好地重用。

這里還是以2.2節的井字棋游戲為例進行說明。在面向對象編程的設計思路下，游戲本身是一個類，某個特定的游戲是一個對象，它是這個類的具體實例。游戲類包括一個重要的組件，也就是棋盤類。棋盤類包含兩個屬性，也就是棋盤大小和棋盤空間本身。棋盤類也包括若干函數，例如顯示棋盤信息函數、判斷勝負函數等。作為游戲類的組件，棋盤類還有一個屬性，即當前需要落子的玩家。另外游戲類也包括若干函數，例如處理玩家輸入的函數等。

我們可以根據游戲邏輯，將游戲程序用類圖的形式進行重新設計。圖2-4所示為設計好的游戲類Game和棋盤類Board的類圖。類圖中顯示了各個類中包含的屬性和函數。它可以讓我們更清楚地檢查類的設計，以及類之間的關系。

圖2-4

下面我們根據面向對象編程的設計思路來修改原有的代碼。首先定義棋盤類，也就是Board類。在初始化函數中定義兩個屬性，分別是棋盤大小屬性size，以及棋子信息屬性pieces。

class Board:
　
    def __init__(self,size):
        self.size=size
self.pieces = ['.'] * size * size

Board類有顯示棋盤的函數show。

    def show(self):
        print("\n")
        print("%s|%s|%s"%(self.pieces[0],self.pieces[1],self.pieces[2]))
        print("-+-+-")
        print("%s|%s|%s"%(self.pieces[3],self.pieces[4],self.pieces[5]))
        print("-+-+-")
print("%s|%s|%s"%(self.pieces[6],self.pieces[7],self.pieces[8]))

Board類也有用于判斷有沒有空白位置可以落子的hasMovesLeft函數。

    def hasMovesLeft(self):
return'.'inself.pieces

Board類還需要有一個用于判斷當前落子位置是否符合游戲規則的isMoveValid函數，以及用于落子后修改棋子信息的setMove函數。因為用戶的輸入是二維的坐標數據，所以需要建立一個輔助函數locToMove，負責將輸入從二維的棋盤坐標轉換為一維的列表索引。

    def locToMove(self,loc):
        return int(loc[1]+loc[0]*self.size)
    def isMoveValid(self,loc):
        move = self.locToMove(loc)
        if self.pieces[move]=='.':
            return True
        else:
            return False
    def setMove(self,loc,player):
            move = self.locToMove(loc)
self.pieces[move]=player

Board類當然也包括判斷棋局勝負的hasWon函數。這里的實現邏輯和2.2節中代碼顯示的一樣。

    def hasWon(self,player):
        winningSet = [player in range(self.size)]
        row1 = self.pieces[:3]
        row2 = self.pieces[3:6]
        row3 = self.pieces[6:]
        if winningSet in [row1,row2,row3]:
            return True
        col1=[self.pieces[0],self.pieces[3],self.pieces[6]]
        col2=[self.pieces[1],self.pieces[4],self.pieces[7]]
        col3=[self.pieces[2],self.pieces[5],self.pieces[8]]
        if winningSet in [col1,col2,col3]:
            return True
        diag1=[self.pieces[0],self.pieces[4],self.pieces[8]]
        diag2=[self.pieces[6],self.pieces[4],self.pieces[2]]
        if winningSet in [diag1,diag2]:
            return True
return False

然后在Board類基礎上構造游戲類，即Game類。Game類的初始化函數中包括當前玩家屬性currentPlayer，以及前面定義好的Board類，將其實例化，把生成的棋盤對象作為Game類的一個組件。

class Game:
　
    def __init__(self,boardSize,startPlayer):
        self.currentPlayer = startPlayer
        self.board=Board(boardSize)
        print("井字棋游戲開始")
        print("規則：三子連成直線即勝利")
print("X先手,O后手")

Game類中包括輪換玩家的getNextPlayer函數。

    @staticmethod
    def getNextPlayer(currentPlayer):
    if currentPlayer=='X':
            return'O'
        else:
return'X'

Game類中還包括處理玩家輸入的getPlayerMove函數。

    def getPlayerMove(self):
        while(True):
            userMove=input(f'\n玩家{self.currentPlayer}輸入棋盤坐標(坐標取值0,1,2):X,Y?')
            userMoveLoc=[int(char) for char in userMove.split(',')]
            if self.board.isMoveValid(userMoveLoc):
                self.board.setMove(userMoveLoc,self.currentPlayer)
break

然后將完整的游戲邏輯整合到play函數中。

    def play(self):
        self.board.show()
        while self.board.hasMovesLeft():
            self.getPlayerMove()
            self.board.show()
            if self.board.hasWon(self.currentPlayer):
                print('\n玩家'+self.currentPlayer+'勝利!')
                break
self.currentPlayer=self.getNextPlayer(self.currentPlayer)

最終的main入口非常簡潔。我們只需要將Game類實例化，生成game對象，再調用其play函數即可。在代碼重構過程中，我們將原本零散的代碼進行了劃分，按類進行重構，使其邏輯層次更為清晰、更容易理解。完整的代碼可以參見第2章的對應代碼文件tic_human_class.py。

if __name__ == '__main__':
　
    game = Game(boardSize=3,startPlayer='X')
game.play()

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