为少：如何构建一个多人(.io) Web 游戏，第 2 部分

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为少：如何构建一个多人(.io) Web 游戏，第 2 部分

作者：为少时间：2021-01-30 18:10

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

探索 .io 游戏背后的后端服务器。

上篇：如何构建一个多人(.io) Web 游戏，第 1 部分

在本文中，我们将看看为示例 io 游戏提供支持的 Node.js 后端：

1. 服务器入口(Server Entrypoint)

我们将使用 Express（一种流行的 Node.js Web 框架）为我们的 Web 服务器提供动力。我们的服务器入口文件 src/server/server.js 负责设置：

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}`);

还记得本系列第1部分中讨论 Webpack 吗？这是我们使用 Webpack 配置的地方。我们要么

使用 webpack-dev-middleware 自动重建我们的开发包，或者
静态服务 dist/ 文件夹，Webpack 在生产构建后将在该文件夹中写入我们的文件。

server.js 的另一个主要工作是设置您的 socket.io 服务器，该服务器实际上只是附加到 Express 服务器上：

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);
});

每当成功建立与服务器的 socket.io 连接时，我们都会为新 socket 设置事件处理程序。
事件处理程序通过委派给单例 game 对象来处理从客户端收到的消息：

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);
}

这是一个 .io 游戏，因此我们只需要一个 Game 实例（“the Game”）- 所有玩家都在同一个竞技场上玩！我们将在下一节中介绍该 Game类的工作方式。

2. 服务端 Game(The Server Game)

Game 类包含最重要的服务器端逻辑。它有两个主要工作：管理玩家和模拟游戏。

让我们从第一个开始：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);
    }
  }

  // ...
}

在本游戏中，我们的惯例是通过 socket.io socket 的 id 字段来识别玩家（如果感到困惑，请参考 server.js）。
Socket.io 会为我们为每个 socket 分配一个唯一的 id，因此我们不必担心。我将其称为 player ID。

考虑到这一点，让我们来看一下 Game 类中的实例变量：

sockets 是将 player ID 映射到与该玩家关联的 socket 的对象。这样一来，我们就可以通过玩家的 ID 持续访问 sockets。
players 是将 player ID 映射到与该玩家相关联的 Player 对象的对象。这样我们就可以通过玩家的 ID 快速访问玩家对象。
bullets 是没有特定顺序的 Bullet(子弹) 对象数组。
lastUpdateTime 是上一次游戏更新发生的时间戳。我们将看到一些使用。
shouldSendUpdate 是一个辅助变量。我们也会看到一些用法。

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，请向上滚动查看它！

constructor() 的最后一行启动游戏的更新循环（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服务器端逻辑。让我们按顺序来看看它的作用：

计算自上次 update() 以来 dt 过去了多少时间。
如果需要的话，更新每颗子弹并销毁它。稍后我们将看到这个实现 — 现在，我们只需要知道如果子弹应该被销毁（因为它是越界的），那么 bullet.update() 将返回 true。
更新每个玩家并根据需要创建子弹。稍后我们还将看到该实现 - player.update() 可能返回 Bullet 对象。
使用 applyCollisions() 检查子弹与玩家之间的碰撞，该函数返回击中玩家的子弹数组。对于返回的每个子弹，我们都会增加发射它的玩家的得分（通过 player.onDealtDamage()），然后从我们的 bullets 数组中删除子弹。
通知并删除任何死玩家。
每隔一次调用 update() 就向所有玩家发送一次游戏更新。前面提到的 shouldSendUpdate 辅助变量可以帮助我们跟踪它。由于 update() 每秒钟被调用60次，我们每秒钟发送30次游戏更新。因此，我们的服务器的 tick rate 是 30 ticks/秒(我们在第1部分中讨论了 tick rate)。

为什么只每隔一段时间发送一次游戏更新？ 节省带宽。每秒30个游戏更新足够了！

那么为什么不只是每秒30次调用 update() 呢？ 以提高游戏模拟的质量。调用 update() 的次数越多，游戏模拟的精度就越高。不过，我们不想对 update() 调用太过疯狂，因为那在计算上会非常昂贵 - 每秒60个是很好的。

我们的 Game 类的其余部分由 update() 中使用的辅助方法组成：

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() 非常简单 - 它按得分对玩家进行排序，排在前5名，并返回每个用户名和得分。

在 update() 中使用 createUpdate() 创建游戏更新以发送给玩家。它主要通过调用为 Player 和 Bullet 类实现的serializeForUpdate() 方法进行操作。还要注意，它仅向任何给定玩家发送有关附近玩家和子弹的数据 - 无需包含有关远离玩家的游戏对象的信息！

3. 服务端游戏对象(Server Game Objects)

在我们的游戏中，Players 和 Bullets 实际上非常相似：都是短暂的，圆形的，移动的游戏对象。为了在实现 Players 和 Bullets 时利用这种相似性，我们将从 Object 的基类开始：

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,
    };
  }
}

这里没有什么特别的。这为我们提供了一个可以扩展的良好起点。让我们看看 Bullet 类是如何使用 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 的实现太短了!我们添加到 Object 的唯一扩展是：

使用 shortid 包随机生成子弹的 id。
添加 parentID 字段，这样我们就可以追踪哪个玩家创建了这个子弹。
如果子弹超出范围，在 update() 中添加一个返回值，值为 true(还记得在前一节中讨论过这个问题吗?)

前进到 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,
    };
  }
}

玩家比子弹更复杂，所以这个类需要存储两个额外的字段。它的 update() 方法做了一些额外的事情，特别是在没有剩余 fireCooldown 时返回一个新发射的子弹（记得在前一节中讨论过这个吗?）它还扩展了 serializeForUpdate() 方法，因为我们需要在游戏更新中为玩家包含额外的字段。

拥有基 Object 类是防止代码重复的关键。例如，如果没有 Object 类，每个游戏对象都将拥有完全相同的 distanceTo() 实现，而在不同文件中保持所有复制粘贴实现的同步将是一场噩梦。随着扩展 Object 的类数量的增加，这对于较大的项目尤其重要。

4. 碰撞检测(Collision Detection)

剩下要做的就是检测子弹何时击中玩家！从 Game 类的 update() 方法中调用以下代码：

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),
    );

    // ...
  }
}

我们需要实现一个 applyCollisions() 方法，该方法返回击中玩家的所有子弹。幸运的是，这并不难，因为

我们所有可碰撞的对象都是圆形，这是实现碰撞检测的最简单形状。
我们已经在上一节的 Object 类中实现了 distanceTo() 方法。

这是我们的碰撞检测实现的样子：

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;
}

这种简单的碰撞检测背后的数学原理是，两个圆仅在其中心之间的距离≤半径总和时才“碰撞”。
在这种情况下，两个圆心之间的距离恰好是其半径的总和：

在这里，我们还需要注意其他几件事：

确保子弹不能击中创建它的玩家。我们通过对照 player.id 检查 bullet.parentID 来实现。
当子弹与多个玩家同时碰撞时，确保子弹在边缘情况下仅“命中”一次。我们使用 break 语句来解决这个问题：一旦找到与子弹相撞的玩家，我们将停止寻找并继续寻找下一个子弹。

我是为少。
微信：uuhells123。
公众号：黑客下午茶。
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