如何構建一個多人(.io) Web 遊戲，第 2 部分

為少發表於2021-01-19
Web遊戲

原文：How to Build a Multiplayer (.io) Web Game, Part 2

探索 .io 遊戲背後的後端伺服器。

上篇：如何構建一個多人(.io) Web 遊戲，第 1 部分

在本文中，我們將看看為示例 io 遊戲提供支援的 Node.js 後端：

目錄

在這篇文章中，我們將討論以下主題：

  1. 伺服器入口(Server Entrypoint)：設定 Express 和 socket.io。
  2. 服務端 Game(The Server Game)：管理伺服器端遊戲狀態。
  3. 服務端遊戲物件(Server Game Objects)：實現玩家和子彈。
  4. 碰撞檢測(Collision Detection)：查詢擊中玩家的子彈。

1. 伺服器入口(Server Entrypoint)

我們將使用 Express（一種流行的 Node.js Web 框架）為我們的 Web 伺服器提供動力。我們的伺服器入口檔案 src/server/server.js 負責設定：

server.js, Part 1

const express = require('express');
const webpack = require('webpack');
const webpackDevMiddleware = require('webpack-dev-middleware');
const webpackConfig = require('../../webpack.dev.js');

// Setup an Express server
const app = express();
app.use(express.static('public'));

if (process.env.NODE_ENV === 'development') {
  // Setup Webpack for development
  const compiler = webpack(webpackConfig);
  app.use(webpackDevMiddleware(compiler));
} else {
  // Static serve the dist/ folder in production
  app.use(express.static('dist'));
}

// Listen on port
const port = process.env.PORT || 3000;
const server = app.listen(port);
console.log(`Server listening on port ${port}`);

還記得本系列第1部分中討論 Webpack 嗎？這是我們使用 Webpack 配置的地方。我們要麼

  • 使用 webpack-dev-middleware 自動重建我們的開發包，或者
  • 靜態服務 dist/ 資料夾，Webpack 在生產構建後將在該資料夾中寫入我們的檔案。

server.js 的另一個主要工作是設定您的 socket.io 伺服器，該伺服器實際上只是附加到 Express 伺服器上：

server.js, Part 2

const socketio = require('socket.io');
const Constants = require('../shared/constants');

// Setup Express
// ...
const server = app.listen(port);
console.log(`Server listening on port ${port}`);

// Setup socket.io
const io = socketio(server);

// Listen for socket.io connections
io.on('connection', socket => {
  console.log('Player connected!', socket.id);

  socket.on(Constants.MSG_TYPES.JOIN_GAME, joinGame);
  socket.on(Constants.MSG_TYPES.INPUT, handleInput);
  socket.on('disconnect', onDisconnect);
});

每當成功建立與伺服器的 socket.io 連線時，我們都會為新 socket 設定事件處理程式。
事件處理程式通過委派給單例 game 物件來處理從客戶端收到的訊息：

server.js, Part 3

const Game = require('./game');

// ...

// Setup the Game
const game = new Game();

function joinGame(username) {
  game.addPlayer(this, username);
}

function handleInput(dir) {
  game.handleInput(this, dir);
}

function onDisconnect() {
  game.removePlayer(this);
}

這是一個 .io 遊戲，因此我們只需要一個 Game 例項（“the Game”）- 所有玩家都在同一個競技場上玩！我們將在下一節中介紹該 Game類的工作方式。

2. 服務端 Game(The Server Game)

Game 類包含最重要的伺服器端邏輯。它有兩個主要工作：管理玩家和模擬遊戲。

讓我們從第一個開始：管理玩家。

game.js, Part 1

const Constants = require('../shared/constants');
const Player = require('./player');

class Game {
  constructor() {
    this.sockets = {};
    this.players = {};
    this.bullets = [];
    this.lastUpdateTime = Date.now();
    this.shouldSendUpdate = false;
    setInterval(this.update.bind(this), 1000 / 60);
  }

  addPlayer(socket, username) {
    this.sockets[socket.id] = socket;

    // Generate a position to start this player at.
    const x = Constants.MAP_SIZE * (0.25 + Math.random() * 0.5);
    const y = Constants.MAP_SIZE * (0.25 + Math.random() * 0.5);
    this.players[socket.id] = new Player(socket.id, username, x, y);
  }

  removePlayer(socket) {
    delete this.sockets[socket.id];
    delete this.players[socket.id];
  }

  handleInput(socket, dir) {
    if (this.players[socket.id]) {
      this.players[socket.id].setDirection(dir);
    }
  }

  // ...
}

在本遊戲中，我們的慣例是通過 socket.io socket 的 id 欄位來識別玩家（如果感到困惑，請參考 server.js）。
Socket.io 會為我們為每個 socket 分配一個唯一的 id，因此我們不必擔心。我將其稱為 player ID。

考慮到這一點，讓我們來看一下 Game 類中的例項變數：

  • sockets 是將 player ID 對映到與該玩家關聯的 socket 的物件。這樣一來，我們就可以通過玩家的 ID 持續訪問 sockets。
  • players 是將 player ID 對映到與該玩家相關聯的 Player 物件的物件。這樣我們就可以通過玩家的 ID 快速訪問玩家物件。
  • bullets 是沒有特定順序的 Bullet(子彈) 物件陣列。
  • lastUpdateTime 是上一次遊戲更新發生的時間戳。我們將看到一些使用。
  • shouldSendUpdate 是一個輔助變數。我們也會看到一些用法。

addPlayer()，removePlayer() 和 handleInput() 是在 server.js 中使用的非常不言自明的方法。如果需要提醒，請向上滾動檢視它！

constructor() 的最後一行啟動遊戲的更新迴圈（每秒 60 次更新）：

game.js, Part 2

const Constants = require('../shared/constants');
const applyCollisions = require('./collisions');

class Game {
  // ...

  update() {
    // Calculate time elapsed
    const now = Date.now();
    const dt = (now - this.lastUpdateTime) / 1000;
    this.lastUpdateTime = now;

    // Update each bullet
    const bulletsToRemove = [];
    this.bullets.forEach(bullet => {
      if (bullet.update(dt)) {
        // Destroy this bullet
        bulletsToRemove.push(bullet);
      }
    });
    this.bullets = this.bullets.filter(
      bullet => !bulletsToRemove.includes(bullet),
    );

    // Update each player
    Object.keys(this.sockets).forEach(playerID => {
      const player = this.players[playerID];
      const newBullet = player.update(dt);
      if (newBullet) {
        this.bullets.push(newBullet);
      }
    });

    // Apply collisions, give players score for hitting bullets
    const destroyedBullets = applyCollisions(
      Object.values(this.players),
      this.bullets,
    );
    destroyedBullets.forEach(b => {
      if (this.players[b.parentID]) {
        this.players[b.parentID].onDealtDamage();
      }
    });
    this.bullets = this.bullets.filter(
      bullet => !destroyedBullets.includes(bullet),
    );

    // Check if any players are dead
    Object.keys(this.sockets).forEach(playerID => {
      const socket = this.sockets[playerID];
      const player = this.players[playerID];
      if (player.hp <= 0) {
        socket.emit(Constants.MSG_TYPES.GAME_OVER);
        this.removePlayer(socket);
      }
    });

    // Send a game update to each player every other time
    if (this.shouldSendUpdate) {
      const leaderboard = this.getLeaderboard();
      Object.keys(this.sockets).forEach(playerID => {
        const socket = this.sockets[playerID];
        const player = this.players[playerID];
        socket.emit(
          Constants.MSG_TYPES.GAME_UPDATE,
          this.createUpdate(player, leaderboard),
        );
      });
      this.shouldSendUpdate = false;
    } else {
      this.shouldSendUpdate = true;
    }
  }

  // ...
}

update() 方法包含了最重要的伺服器端邏輯。讓我們按順序來看看它的作用：

  1. 計算自上次 update() 以來 dt 過去了多少時間。
  2. 如果需要的話，更新每顆子彈並銷燬它。稍後我們將看到這個實現 — 現在，我們只需要知道如果子彈應該被銷燬（因為它是越界的），那麼 bullet.update() 將返回 true。
  3. 更新每個玩家並根據需要建立子彈。稍後我們還將看到該實現 - player.update() 可能返回 Bullet 物件。
  4. 使用 applyCollisions() 檢查子彈與玩家之間的碰撞，該函式返回擊中玩家的子彈陣列。對於返回的每個子彈，我們都會增加發射它的玩家的得分（通過 player.onDealtDamage()），然後從我們的 bullets 陣列中刪除子彈。
  5. 通知並刪除任何死玩家。
  6. 每隔一次呼叫 update() 就向所有玩家傳送一次遊戲更新。前面提到的 shouldSendUpdate 輔助變數可以幫助我們跟蹤它。由於 update() 每秒鐘被呼叫60次，我們每秒鐘傳送30次遊戲更新。因此，我們的伺服器的 tick rate 是 30 ticks/秒(我們在第1部分中討論了 tick rate)。

為什麼只每隔一段時間傳送一次遊戲更新？ 節省頻寬。每秒30個遊戲更新足夠了！

那麼為什麼不只是每秒30次呼叫 update() 呢？ 以提高遊戲模擬的質量。呼叫 update() 的次數越多，遊戲模擬的精度就越高。不過，我們不想對 update() 呼叫太過瘋狂，因為那在計算上會非常昂貴 - 每秒60個是很好的。

我們的 Game 類的其餘部分由 update() 中使用的輔助方法組成：

game.js, Part 3

class Game {
  // ...

  getLeaderboard() {
    return Object.values(this.players)
      .sort((p1, p2) => p2.score - p1.score)
      .slice(0, 5)
      .map(p => ({ username: p.username, score: Math.round(p.score) }));
  }

  createUpdate(player, leaderboard) {
    const nearbyPlayers = Object.values(this.players).filter(
      p => p !== player && p.distanceTo(player) <= Constants.MAP_SIZE / 2,
    );
    const nearbyBullets = this.bullets.filter(
      b => b.distanceTo(player) <= Constants.MAP_SIZE / 2,
    );

    return {
      t: Date.now(),
      me: player.serializeForUpdate(),
      others: nearbyPlayers.map(p => p.serializeForUpdate()),
      bullets: nearbyBullets.map(b => b.serializeForUpdate()),
      leaderboard,
    };
  }
}

getLeaderboard() 非常簡單 - 它按得分對玩家進行排序，排在前5名，並返回每個使用者名稱和得分。

在 update() 中使用 createUpdate() 建立遊戲更新以傳送給玩家。它主要通過呼叫為 Player 和 Bullet 類實現的serializeForUpdate() 方法進行操作。還要注意，它僅向任何給定玩家傳送有關附近玩家和子彈的資料 - 無需包含有關遠離玩家的遊戲物件的資訊！

3. 服務端遊戲物件(Server Game Objects)

在我們的遊戲中，Players 和 Bullets 實際上非常相似：都是短暫的，圓形的，移動的遊戲物件。為了在實現 Players 和 Bullets 時利用這種相似性，我們將從 Object 的基類開始：

object.js

class Object {
  constructor(id, x, y, dir, speed) {
    this.id = id;
    this.x = x;
    this.y = y;
    this.direction = dir;
    this.speed = speed;
  }

  update(dt) {
    this.x += dt * this.speed * Math.sin(this.direction);
    this.y -= dt * this.speed * Math.cos(this.direction);
  }

  distanceTo(object) {
    const dx = this.x - object.x;
    const dy = this.y - object.y;
    return Math.sqrt(dx * dx + dy * dy);
  }

  setDirection(dir) {
    this.direction = dir;
  }

  serializeForUpdate() {
    return {
      id: this.id,
      x: this.x,
      y: this.y,
    };
  }
}

這裡沒有什麼特別的。這為我們提供了一個可以擴充套件的良好起點。讓我們看看 Bullet 類是如何使用 Object 的：

bullet.js

const shortid = require('shortid');
const ObjectClass = require('./object');
const Constants = require('../shared/constants');

class Bullet extends ObjectClass {
  constructor(parentID, x, y, dir) {
    super(shortid(), x, y, dir, Constants.BULLET_SPEED);
    this.parentID = parentID;
  }

  // Returns true if the bullet should be destroyed
  update(dt) {
    super.update(dt);
    return this.x < 0 || this.x > Constants.MAP_SIZE || this.y < 0 || this.y > Constants.MAP_SIZE;
  }
}

Bullet 的實現太短了!我們新增到 Object 的唯一擴充套件是：

  • 使用 shortid 包隨機生成子彈的 id。
  • 新增 parentID 欄位，這樣我們就可以追蹤哪個玩家建立了這個子彈。
  • 如果子彈超出範圍，在 update() 中新增一個返回值，值為 true(還記得在前一節中討論過這個問題嗎?)

前進到 Player：

player.js

const ObjectClass = require('./object');
const Bullet = require('./bullet');
const Constants = require('../shared/constants');

class Player extends ObjectClass {
  constructor(id, username, x, y) {
    super(id, x, y, Math.random() * 2 * Math.PI, Constants.PLAYER_SPEED);
    this.username = username;
    this.hp = Constants.PLAYER_MAX_HP;
    this.fireCooldown = 0;
    this.score = 0;
  }

  // Returns a newly created bullet, or null.
  update(dt) {
    super.update(dt);

    // Update score
    this.score += dt * Constants.SCORE_PER_SECOND;

    // Make sure the player stays in bounds
    this.x = Math.max(0, Math.min(Constants.MAP_SIZE, this.x));
    this.y = Math.max(0, Math.min(Constants.MAP_SIZE, this.y));

    // Fire a bullet, if needed
    this.fireCooldown -= dt;
    if (this.fireCooldown <= 0) {
      this.fireCooldown += Constants.PLAYER_FIRE_COOLDOWN;
      return new Bullet(this.id, this.x, this.y, this.direction);
    }
    return null;
  }

  takeBulletDamage() {
    this.hp -= Constants.BULLET_DAMAGE;
  }

  onDealtDamage() {
    this.score += Constants.SCORE_BULLET_HIT;
  }

  serializeForUpdate() {
    return {
      ...(super.serializeForUpdate()),
      direction: this.direction,
      hp: this.hp,
    };
  }
}

玩家比子彈更復雜，所以這個類需要儲存兩個額外的欄位。它的 update() 方法做了一些額外的事情，特別是在沒有剩餘 fireCooldown 時返回一個新發射的子彈（記得在前一節中討論過這個嗎?）它還擴充套件了 serializeForUpdate() 方法，因為我們需要在遊戲更新中為玩家包含額外的欄位。

擁有基 Object 類是防止程式碼重複的關鍵。例如，如果沒有 Object 類，每個遊戲物件都將擁有完全相同的 distanceTo() 實現，而在不同檔案中保持所有複製貼上實現的同步將是一場噩夢。隨著擴充套件 Object 的類數量的增加，這對於較大的專案尤其重要。

4. 碰撞檢測(Collision Detection)

剩下要做的就是檢測子彈何時擊中玩家！ 從 Game 類的 update() 方法中呼叫以下程式碼：

game.js

const applyCollisions = require('./collisions');

class Game {
  // ...

  update() {
    // ...

    // Apply collisions, give players score for hitting bullets
    const destroyedBullets = applyCollisions(
      Object.values(this.players),
      this.bullets,
    );
    destroyedBullets.forEach(b => {
      if (this.players[b.parentID]) {
        this.players[b.parentID].onDealtDamage();
      }
    });
    this.bullets = this.bullets.filter(
      bullet => !destroyedBullets.includes(bullet),
    );

    // ...
  }
}

我們需要實現一個 applyCollisions() 方法，該方法返回擊中玩家的所有子彈。幸運的是，這並不難，因為

  • 我們所有可碰撞的物件都是圓形，這是實現碰撞檢測的最簡單形狀。
  • 我們已經在上一節的 Object 類中實現了 distanceTo() 方法。

這是我們的碰撞檢測實現的樣子：

collisions.js

const Constants = require('../shared/constants');

// Returns an array of bullets to be destroyed.
function applyCollisions(players, bullets) {
  const destroyedBullets = [];
  for (let i = 0; i < bullets.length; i++) {
    // Look for a player (who didn't create the bullet) to collide each bullet with.
    // As soon as we find one, break out of the loop to prevent double counting a bullet.
    for (let j = 0; j < players.length; j++) {
      const bullet = bullets[i];
      const player = players[j];
      if (
        bullet.parentID !== player.id &&
        player.distanceTo(bullet) <= Constants.PLAYER_RADIUS + Constants.BULLET_RADIUS
      ) {
        destroyedBullets.push(bullet);
        player.takeBulletDamage();
        break;
      }
    }
  }
  return destroyedBullets;
}

這種簡單的碰撞檢測背後的數學原理是，兩個圓僅在其中心之間的距離≤半徑總和時才“碰撞”。
在這種情況下，兩個圓心之間的距離恰好是其半徑的總和：

在這裡，我們還需要注意其他幾件事：

  • 確保子彈不能擊中建立它的玩家。我們通過對照 player.id 檢查 bullet.parentID 來實現。
  • 當子彈與多個玩家同時碰撞時，確保子彈在邊緣情況下僅“命中”一次。我們使用 break 語句來解決這個問題：一旦找到與子彈相撞的玩家，我們將停止尋找並繼續尋找下一個子彈。
我是為少。
微信：uuhells123。
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