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浅谈多人游戏原理和简单实现

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一、我的游戏史


我最开始接触游戏要从一盘300游戏的光碟说起，那是家里买DVD送的，《魂斗罗》、《超级马里奥》天天玩。自从买回来后，我就经常和姐姐因为抢电视机使用权而大打出手。有次她把遥控器藏到了沙发的夹层里，被我妈一屁股做成了两半，我和我姐喜提一顿暴打。那顿是我挨得最狠的，以至于现在回想起来，屁股还条件反射的隐隐作痛。


后来我骗我妈说我要学习英语、练习打字以后成为祖国的栋梁之才！让她给我买台小霸王学习机（游戏机），在我一哭二闹三上吊胡搅蛮缠的攻势下，我妈妥协了。就此我接触到了FC游戏。现在还能记得我和朋友玩激龟快打，满屋子的小朋友在看的场景。经常有家长在我家门口喊他家小孩吃饭。那时候我们县城里面有商店卖游戏卡，小卡一张5块钱，一张传奇卡25-40块不等（所谓传奇卡就是角色扮演，带有存档的游戏），每天放学都要去商店去看看，有没有新的游戏卡，买不起，就看下封面过过瘾。我记得我省吃俭用一个多月，买了两张卡：《哪吒传奇》和《重装机兵》那是真的上瘾，没日没夜的玩。


再然后我接触到了手机游戏，记得那时候有个软件叫做冒泡游戏（我心目的中的Stream），里面好多游戏，太吸引我了。一个游戏一般都是几百KB，最大也就是几MB，不过那时候流量很贵，1块钱1MB，并且！一个月只有30Mb。我姑父是收手机的，我在他那里搞到了一部半智能手机，牌子我现在还记得：诺基亚N70，那时候我打开游戏就会显示一杯冒着热气的咖啡，我很喜欢这个图标，因为看见它意味着我的游戏快加载完成了，没想到，十几年后我们会再次相遇，哈哈哈哈。我当时玩了一款网游叫做：《幻想三国》，第一回接触网游简直惊呆了，里面好多人都是其他玩的家，这太有趣了。并且我能在我的手机上看到其他玩家，能够看到他们的行为动作，这太神奇了！！！我也一直思考这到底是怎么实现的！


最后是电脑游戏，单机：《侠盗飞车》、《植物大战僵尸》、《虐杀原型》；网游：《DNF》、《CF》、《LOL》、《梦幻西游》我都玩过。


不过那个疑问一直没有解决，也一值留在我心中 —— 在网络游戏中，是如何实时更新其他玩家行为的呢？


二、解惑


在我进入大学后，我选择了软件开发专业，真巧！再次遇到了那个冒着热气的咖啡图标，这时我才知道它叫做——Java。我很认真的去学，希望有一天能够做一款游戏！


参加工作后，我并没有如愿以偿，我成为了一名Java开发程序员，但是我在日常的开发的都是web应用，接触到大多是HTTP请求，它是种请求-响应协议模式。这个问题也还是想不明白，难道每当其他玩家做一个动作都需要发送一次HTTP请求？然后响应给其他玩家。这样未免效率也太低了吧，如果一个服务器中有几千几万人，那么服务器得承受多大压力呀！一定不是这样的！！！


直到我遇到了Websocket，这是一种长连接，而HTTP是一种短连接，顿时这个问题我就想明白了。在此二者的区别我就不过多赘述了。详细请看我的另一篇文章


知道了这个知识后，我终于能够大致明白了网络游戏的基本原理。原来网络游戏是由客户端和服务器端组成的，客户端就是我们下载到电脑或者手机上的应用，而服务器端就是把其他玩家连接起来的中转站，还有一点需要说明的是，网络游戏是分房间的，这个房间就相当于一台服务器。首先，在玩家登陆客户端并选择房间建立长连接后，A玩家做出移动的动作，随即会把这个动作指令上传给服务器，然后服务器再将指令广播到房间中的其他玩家的客户端来操作A的角色，这样就可以实现实时更新其他玩家行为。


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三、简单实现


客户端和服务端在处理指令时，方法必须是配套的。比如说，有新的玩家连接到服务器，那么服务器就应当向其它客户端广播创建一个新角色的指令，客户端在接收到该指令后，执行客户端创建角色的方法。
为了方便演示，这里需要定义两个HTML来表示两个不同的客户端不同的玩家，这两套客户端代码除了玩家的信息不一样，其它完全一致！！！


3.1 客户端实现步骤


我在这里客户端使用HTML+JQ实现


客户端——1代码：


（1）创建画布

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
    <title>Canvas Game</title>
    <style>
        canvas {
            border: 1px solid black;
        }
    </style>
    <script src="https://code.jquery.com/jquery-3.6.0.min.js"></script>
</head>
<body>
<canvas id="gameCanvas" width="800" height="800"></canvas>
</body>
</html>

（2）设置1s60帧更新页面

const canvas = document.getElementById('gameCanvas');
const ctx = canvas.getContext('2d');
function clearCanvas() {
   ctx.clearRect(0, 0, canvas.width, canvas.height);
}
function gameLoop() {
      clearCanvas();
      players.forEach(player => {
          player.draw();
      });
  }
 setInterval(gameLoop, 1000 / 60);
//清除画布方法
function clearCanvas() {
        ctx.clearRect(0, 0, canvas.width, canvas.height);
    }

（3）连接游戏服务器并处理指令


这里使用websocket链接游戏服务器

 //连接服务器
const websocket = new WebSocket("ws://192.168.31.136:7070/websocket?userId=" + userId + "&userName=" + userName);
 //向服务器发送消息
 function sendMessage(userId,keyCode){
      const messageData = {
          playerId: userId,
          keyCode: keyCode
      };
      websocket.send(JSON.stringify(messageData));
  }
  //接收服务器消息，并根据不同的指令，做出不同的动作
  websocket.onmessage = event => {
        const data = JSON.parse(event.data);
        // 处理服务器发送过来的消息
        console.log('Received message:', data);
        //创建游戏对象
        if(data.type == 1){
            console.log("玩家信息:" +  data.players.length)
            for (let i = 0; i < data.players.length; i++) {
                console.log("玩家id："+playerOfIds);
                createPlayer(data.players[i].playerId,data.players[i].pointX, data.players[i].pointY, data.players[i].color);
            }
        }
        //销毁游戏对象
        if(data.type == 2){
            console.log("玩家信息:" +  data.players.length)
            for (let i = 0; i < data.players.length; i++) {
                destroyPlayer(data.players[i].playerId)
            }
        }
        //移动游戏对象
        if(data.type == 3){
            console.log("移动;玩家信息:" +  data.players.length)
            for (let i = 0; i < data.players.length; i++) {
                players.filter(player => player.id === data.players[i].playerId)[0].move(data.players[i].keyCode)
            }
        }
    };

（4）创建玩家对象

//存放游戏对象
let players = [];
//playerId在此写死，正常情况下应该是用户登录获取的
const userId = "1"; // 用户的 id
const userName = "逆风笑"; // 用户的名称
//玩家对象
class Player {
        constructor(id,x, y, color) {
            this.id = id;
            this.x = x;
            this.y = y;
            this.size = 30;
            this.color = color;
        }
		//绘制游戏角色方法
        draw() {
            ctx.fillStyle = this.color;
            ctx.fillRect(this.x, this.y, this.size, this.size);
        }
		//游戏角色移动方法	
        move(keyCode) {
            switch (keyCode) {
                case 37: // Left
                    this.x = Math.max(0, this.x - 10);
                    break;
                case 38: // Up
                    this.y = Math.max(0, this.y - 10);
                    break;
                case 39: // Right
                    this.x = Math.min(canvas.width - this.size, this.x + 10);
                    break;
                case 40: // Down
                    this.y = Math.min(canvas.height - this.size, this.y + 10);
                    break;
            }
            this.draw();
        }
    }

（5）客户端创建角色方法

//创建游戏对象方法
function createPlayer(id,x, y, color) {
   const player = new Player(id,x, y, color);
    players.push(player);
    playerOfIds.push(id);
    return player;
}

（6）客户端销毁角色方法


在玩家推出客户端后，其它玩家的客户端应当销毁对应的角色。

//角色销毁
function destroyPlayer(playId){
   players = players.filter(player => player.id !== playId);
}

客户端——2代码：


客户端2的代码只有玩家信息不一致：

  const userId = "2"; // 用户的 id
  const userName = "逆风哭"; // 用户的名称

3.2 服务器端


服务器端使用Java+websocket来实现！


（1）引入依赖：

 <dependency>
   <groupId>org.springframework.boot</groupId>
     <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
     <version>2.1.2.RELEASE</version>
 </dependency>
 <dependency>
     <groupId>org.springframework.boot</groupId>
     <artifactId>spring-boot-starter-websocket</artifactId>
     <version>2.3.7.RELEASE</version>
 </dependency>
 <dependency>
     <groupId>org.apache.commons</groupId>
     <artifactId>commons-lang3</artifactId>
     <version>3.11</version>
 </dependency>
 <dependency>
     <groupId>com.alibaba</groupId>
     <artifactId>fastjson</artifactId>
     <version>1.2.75</version>
 </dependency>
 <dependency>
     <groupId>org.projectlombok</groupId>
     <artifactId>lombok</artifactId>
     <version>1.16.16</version>
 </dependency>
 <dependency>
     <groupId>cn.hutool</groupId>
     <artifactId>hutool-all</artifactId>
     <version>5.6.3</version>
 </dependency>

（2）创建服务器

@Component
@ServerEndpoint("/websocket")
@Slf4j
public class Server {
    /**
     * 服务器玩家池
     * 解释：这里使用 ConcurrentHashMap为了保证线程安全，不会出现同一个玩家存在多条记录问题
     * 使用 static fina修饰 是为了保证 playerPool 全局唯一
     */
    private static final ConcurrentHashMap<String, Server> playerPool = new ConcurrentHashMap<>();
    /**
     * 存储玩家信息
     */
    private static final ConcurrentHashMap<String, Player> playerInfo = new ConcurrentHashMap<>();
    /**
     * 已经被创建了的玩家id
     */
    private static ConcurrentHashMap<String, Server> createdPlayer = new ConcurrentHashMap<>();

    private Session session;

    private Player player;

    /**
     * 连接成功后调用的方法
     */
    @OnOpen
    public void webSocketOpen(Session session) throws IOException {
        Map<String, List<String>> requestParameterMap = session.getRequestParameterMap();
        String userId = requestParameterMap.get("userId").get(0);
        String userName = requestParameterMap.get("userName").get(0);
        this.session = session;
        if (!playerPool.containsKey(userId)) {
            int locationX = getLocation(151);
            int locationY = getLocation(151);
            String color = PlayerColorEnum.getValueByCode(getLocation(1) + 1);
            Player newPlayer = new Player(userId, userName, locationX, locationY,color,null);
            playerPool.put(userId, this);
            this.player = newPlayer;
            //存放玩家信息
            playerInfo.put(userId,newPlayer);
        }
        log.info("玩家:{}|{}连接了服务器", userId, userName);
        // 创建游戏对象
        this.createPlayer(userId);
    }

    /**
     * 接收到消息调用的方法
     */
    @OnMessage
    public void onMessage(String message, Session session) throws IOException, InterruptedException {
        log.info("用户:{},消息{}:",this.player.getPlayerId(),message);
        PlayerDTO playerDTO = new PlayerDTO();
        Player player = JSONObject.parseObject(message, Player.class);
        List<Player> players = new ArrayList<>();
        players.add(player);
        playerDTO.setPlayers(players);
        playerDTO.setType(OperationType.MOVE_OBJECT.getCode());
        String returnMessage = JSONObject.toJSONString(playerDTO);
        //广播所有玩家
        for (String key : playerPool.keySet()) {
            synchronized (session){
                String playerId = playerPool.get(key).player.getPlayerId();
                if(!playerId.equals(this.player.getPlayerId())){
                    playerPool.get(key).session.getBasicRemote().sendText(returnMessage);
                }
            }
        }
    }

    /**
     * 关闭连接调用方法
     */
    @OnClose
    public void onClose() throws IOException {
        String playerId = this.player.getPlayerId();
        log.info("玩家{}退出!", playerId);
        Player playerBaseInfo = playerInfo.get(playerId);
        //移除玩家
        for (String key : playerPool.keySet()) {
            playerPool.remove(playerId);
            playerInfo.remove(playerId);
            createdPlayer.remove(playerId);
        }
        //通知客户端销毁对象
        destroyPlayer(playerBaseInfo);
    }

    /**
     * 出现错误时调用的方法
     */
    @OnError
    public void onError(Throwable error) {
        log.info("服务器错误,玩家id：{},原因：{}",this.player.getPlayerId(),error.getMessage());
    }
    /**
     * 获取随即位置
     * @param seed
     * @return
     */
    private int getLocation(Integer seed){
        Random random = new Random();
        return random.nextInt(seed);
    }
}

websocket配置：

@Configuration
public class ServerConfig {
    @Bean
    public ServerEndpointExporter serverEndpointExporter(){
        return new ServerEndpointExporter();
    }
}


（3）创建玩家对象


玩家对象：

@Data
@AllArgsConstructor
@NoArgsConstructor
public class Player {
    /**
     * 玩家id
     */
    private String playerId;
    /**
     * 玩家名称
     */
    private String playerName;
    /**
     * 玩家生成的x坐标
     */
    private Integer pointX;
    /**
     * 玩家生成的y坐标
     */
    private Integer pointY;
    /**
     * 玩家生成颜色
     */
    private String color;
    /**
     * 玩家动作指令
     */
    private Integer keyCode;
}

创建玩家对象返回给客户端DTO：

@Data
@AllArgsConstructor
@NoArgsConstructor
public class PlayerDTO {
    private Integer type;
    private List<Player> players;
}

玩家移动指令返回给客户端DTO：

@Data
@AllArgsConstructor
@NoArgsConstructor
public class PlayerMoveDTO {
    private Integer type;
    private List<Player> players;
}


（4）动作指令

public enum OperationType {
    CREATE_OBJECT(1,"创建游戏对象"),
    DESTROY_OBJECT(2,"销毁游戏对象"),
    MOVE_OBJECT(3,"移动游戏对象"),
    ;
    private Integer code;
    private String value;

    OperationType(Integer code, String value) {
        this.code = code;
        this.value = value;
    }

    public Integer getCode() {
        return code;
    }

    public String getValue() {
        return value;
    }
}

（5）创建对象方法

  /**
     * 创建对象方法
     * @param playerId
     * @throws IOException
     */
    private void createPlayer(String playerId) throws IOException {
        if (!createdPlayer.containsKey(playerId)) {
            List<Player> players = new ArrayList<>();
            for (String key : playerInfo.keySet()) {
                Player playerBaseInfo = playerInfo.get(key);
                players.add(playerBaseInfo);
            }
            PlayerDTO playerDTO = new PlayerDTO();
            playerDTO.setType(OperationType.CREATE_OBJECT.getCode());
            playerDTO.setPlayers(players);
            String syncInfo = JSONObject.toJSONString(playerDTO);
            for (String key :
                    playerPool.keySet()) {
                playerPool.get(key).session.getBasicRemote().sendText(syncInfo);
            }
            // 存放
            createdPlayer.put(playerId, this);
        }
    }

（6）销毁对象方法

   /**
     * 销毁对象方法
     * @param playerBaseInfo
     * @throws IOException
     */
    private void destroyPlayer(Player playerBaseInfo) throws IOException {
        PlayerDTO playerDTO = new PlayerDTO();
        playerDTO.setType(OperationType.DESTROY_OBJECT.getCode());
        List<Player> players = new ArrayList<>();
        players.add(playerBaseInfo);
        playerDTO.setPlayers(players);
        String syncInfo = JSONObject.toJSONString(playerDTO);
        for (String key :
                playerPool.keySet()) {
            playerPool.get(key).session.getBasicRemote().sendText(syncInfo);
        }
    }

四、演示


4.1 客户端1登陆服务器


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4.2 客户端2登陆服务器


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4.3 客户端2移动


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4.4 客户端1移动


93e0cf0acd4ae328233f801c3fdc5228.gif


4.5 客户端1退出


4c32f57ade44dd93dfbf1a3ba6209cea.gif

 完结撒花


完整代码传送门


五、总结


以上就是我对网络游戏如何实现玩家实时同步的理解与实现，我实现后心里也释然了，哈哈哈，真的好有趣！！！
我希望大家也是，不要失去好奇心，遇到自己感兴趣的事情，一定要多思考呀~


后来随着我经验的不断积累，我又去了解了一下Java作为游戏服务器的相关内容，发现Netty更适合做这个并且更容易入门，比如《我的世界》一些现有的服务器就是使用Netty实现的。有空也实现下，玩玩~


作者：是江迪呀
链接：https://juejin.cn/post/7273429629398581282
来源：稀土掘金
著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。
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2023-09-04

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