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使用Python和Asyncio編寫在線多人游戲（二）

[[171738]]

成都創(chuàng)新互聯(lián)是網(wǎng)站建設(shè)技術(shù)企業(yè)，為成都企業(yè)提供專業(yè)的成都網(wǎng)站建設(shè)、網(wǎng)站建設(shè)，網(wǎng)站設(shè)計，網(wǎng)站制作，網(wǎng)站改版等技術(shù)服務(wù)。擁有十余年豐富建站經(jīng)驗和眾多成功案例，為您定制適合企業(yè)的網(wǎng)站。十余年品質(zhì)，值得信賴！

在 Python 中用過異步編程嗎?本文中我會告訴你怎樣做，而且用一個能工作的例子來展示它：這是一個流行的貪吃蛇游戲，而且是為多人游戲而設(shè)計的。

介紹和理論部分參見“第一部分 異步化”。

  • 游戲入口在此，點此體驗。

 

 

3、編寫游戲循環(huán)主體

游戲循環(huán)是每一個游戲的核心。它持續(xù)地運行以讀取玩家的輸入、更新游戲的狀態(tài)，并且在屏幕上渲染游戲結(jié)果。在在線游戲中，游戲循環(huán)分為客戶端和服務(wù)端兩部分，所以一般有兩個循環(huán)通過網(wǎng)絡(luò)通信。通?？蛻舳说慕巧谦@取玩家輸入，比如按鍵或者鼠標(biāo)移動，將數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)端，然后接收需要渲染的數(shù)據(jù)。服務(wù)端處理來自玩家的所有數(shù)據(jù)，更新游戲的狀態(tài)，執(zhí)行渲染下一幀的必要計算，然后將結(jié)果傳回客戶端，例如游戲中對象的新位置。如果沒有可靠的理由，不混淆客戶端和服務(wù)端的角色是一件很重要的事。如果你在客戶端執(zhí)行游戲邏輯的計算，很容易就會和其它客戶端失去同步，其實你的游戲也可以通過簡單地傳遞客戶端的數(shù)據(jù)來創(chuàng)建。

游戲循環(huán)的一次迭代稱為一個嘀嗒(tick)。嘀嗒是一個事件，表示當(dāng)前游戲循環(huán)的迭代已經(jīng)結(jié)束，下一幀(或者多幀)的數(shù)據(jù)已經(jīng)就緒。

在后面的例子中，我們使用相同的客戶端，它使用 WebSocket 從一個網(wǎng)頁上連接到服務(wù)端。它執(zhí)行一個簡單的循環(huán)，將按鍵碼發(fā)送給服務(wù)端，并顯示來自服務(wù)端的所有信息?？蛻舳舜a戳這里。

例子 3.1：基本游戲循環(huán)

  • 例子 3.1 源碼。

我們使用 aiohttp 庫來創(chuàng)建游戲服務(wù)器。它可以通過 asyncio 創(chuàng)建網(wǎng)頁服務(wù)器和客戶端。這個庫的一個優(yōu)勢是它同時支持普通 http 請求和 websocket。所以我們不用其他網(wǎng)頁服務(wù)器來渲染游戲的 html 頁面。

下面是啟動服務(wù)器的方法：

 
 
    
  
  
  1. app = web.Application() 
    2.   
  
  2. app["sockets"] = [] 
    3.   
  
  3. asyncio.ensure_future(game_loop(app)) 
    4.   
  
  4. app.router.add_route('GET', '/connect', wshandler) 
    5.   
  
  5. app.router.add_route('GET', '/', handle) 
    6.   
  
  6. web.run_app(app) 
    7.

web.run_app 是創(chuàng)建服務(wù)主任務(wù)的快捷方法，通過它的 run_forever() 方法來執(zhí)行 asyncio 事件循環(huán)。建議你查看這個方法的源碼，弄清楚服務(wù)器到底是如何創(chuàng)建和結(jié)束的。

app 變量就是一個類似于字典的對象，它用于在所連接的客戶端之間共享數(shù)據(jù)。我們使用它來存儲連接的套接字的列表。隨后會用這個列表來給所有連接的客戶端發(fā)送消息。asyncio.ensure_future() 調(diào)用會啟動主游戲循環(huán)的任務(wù)，每隔2 秒向客戶端發(fā)送嘀嗒消息。這個任務(wù)會在同樣的 asyncio 事件循環(huán)中和網(wǎng)頁服務(wù)器并行執(zhí)行。

有兩個網(wǎng)頁請求處理器：handle 是提供 html 頁面的處理器;wshandler 是主要的 websocket 服務(wù)器任務(wù)，處理和客戶端之間的交互。在事件循環(huán)中，每一個連接的客戶端都會創(chuàng)建一個新的 wshandler 任務(wù)。這個任務(wù)會添加客戶端的套接字到列表中，以便 game_loop 任務(wù)可以給所有的客戶端發(fā)送消息。然后它將隨同消息回顯客戶端的每個擊鍵。

在啟動的任務(wù)中，我們在 asyncio 的主事件循環(huán)中啟動 worker 循環(huán)。任務(wù)之間的切換發(fā)生在它們之間任何一個使用 await語句來等待某個協(xié)程結(jié)束時。例如 asyncio.sleep 僅僅是將程序執(zhí)行權(quán)交給調(diào)度器一段指定的時間;ws.receive 等待 websocket 的消息，此時調(diào)度器可能切換到其它任務(wù)。

在瀏覽器中打開主頁，連接上服務(wù)器后，試試隨便按下鍵。它們的鍵值會從服務(wù)端返回，每隔 2 秒這個數(shù)字會被游戲循環(huán)中發(fā)給所有客戶端的嘀嗒消息所覆蓋。

我們剛剛創(chuàng)建了一個處理客戶端按鍵的服務(wù)器，主游戲循環(huán)在后臺做一些處理，周期性地同時更新所有的客戶端。

例子 3.2: 根據(jù)請求啟動游戲

  • 例子 3.2 的源碼

在前一個例子中，在服務(wù)器的生命周期內(nèi)，游戲循環(huán)一直運行著。但是現(xiàn)實中，如果沒有一個人連接服務(wù)器，空運行游戲循環(huán)通常是不合理的。而且，同一個服務(wù)器上可能有不同的“游戲房間”。在這種假設(shè)下，每一個玩家“創(chuàng)建”一個游戲會話(比如說，多人游戲中的一個比賽或者大型多人游戲中的副本)，這樣其他用戶可以加入其中。當(dāng)游戲會話開始時，游戲循環(huán)才開始執(zhí)行。

在這個例子中，我們使用一個全局標(biāo)記來檢測游戲循環(huán)是否在執(zhí)行。當(dāng)?shù)谝粋€用戶發(fā)起連接時，啟動它。最開始，游戲循環(huán)沒有執(zhí)行，標(biāo)記設(shè)置為 False。游戲循環(huán)是通過客戶端的處理方法啟動的。

 
 
    
  
  
  1. if app["game_is_running"] == False: 
    2.   
  
  2.       asyncio.ensure_future(game_loop(app)) 
    3.

當(dāng) game_loop() 運行時，這個標(biāo)記設(shè)置為 True;當(dāng)所有客戶端都斷開連接時，其又被設(shè)置為 False。

例子 3.3：管理任務(wù)

  • 例子3.3源碼

這個例子用來解釋如何和任務(wù)對象協(xié)同工作。我們把游戲循環(huán)的任務(wù)直接存儲在游戲循環(huán)的全局字典中，代替標(biāo)記的使用。在像這樣的一個簡單例子中并不一定是最優(yōu)的，但是有時候你可能需要控制所有已經(jīng)啟動的任務(wù)。

 
 
    
  
  
  1. if app["game_loop"] is None or \ 
    2.   
  
  2.    app["game_loop"].cancelled(): 
    3.   
  
  3.     app["game_loop"] = asyncio.ensure_future(game_loop(app)) 
    4.

這里 ensure_future() 返回我們存放在全局字典中的任務(wù)對象，當(dāng)所有用戶都斷開連接時，我們使用下面方式取消任務(wù)：

 
 
    
  
  
  1. app["game_loop"].cancel() 
    2.

這個 cancel() 調(diào)用將通知調(diào)度器不要向這個協(xié)程傳遞執(zhí)行權(quán)，而且將它的狀態(tài)設(shè)置為已取消：cancelled，之后可以通過 cancelled() 方法來檢查是否已取消。這里有一個值得一提的小注意點：當(dāng)你持有一個任務(wù)對象的外部引用時，而這個任務(wù)執(zhí)行中發(fā)生了異常，這個異常不會拋出。取而代之的是為這個任務(wù)設(shè)置一個異常狀態(tài)，可以通過 exception() 方法來檢查是否出現(xiàn)了異常。這種悄無聲息地失敗在調(diào)試時不是很有用。所以，你可能想用拋出所有異常來取代這種做法。你可以對所有未完成的任務(wù)顯式地調(diào)用 result() 來實現(xiàn)?？梢酝ㄟ^如下的回調(diào)來實現(xiàn)：

 
 
    
  
  
  1. app["game_loop"].add_done_callback(lambda t: t.result()) 
    2.

如果我們打算在我們代碼中取消這個任務(wù)，但是又不想產(chǎn)生 CancelError 異常，有一個檢查 cancelled 狀態(tài)的點：

 
 
    
  
  
  1. app["game_loop"].add_done_callback(lambda t: t.result() if not t.cancelled() else None) 
    2.

注意僅當(dāng)你持有任務(wù)對象的引用時才需要這么做。在前一個例子，所有的異常都是沒有額外的回調(diào)，直接拋出所有異常。

例子 3.4：等待多個事件

  • 例子 3.4 源碼

在許多場景下，在客戶端的處理方法中你需要等待多個事件的發(fā)生。除了來自客戶端的消息，你可能需要等待不同類型事件的發(fā)生。比如，如果你的游戲時間有限制，那么你可能需要等一個來自定時器的信號?；蛘吣阈枰褂霉艿纴淼却齺碜云渌M(jìn)程的消息。亦或者是使用分布式消息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中其它服務(wù)器的信息。

為了簡單起見，這個例子是基于例子 3.1。但是這個例子中我們使用 Condition 對象來與已連接的客戶端保持游戲循環(huán)的同步。我們不保存套接字的全局列表，因為只在該處理方法中使用套接字。當(dāng)游戲循環(huán)停止迭代時，我們使用 Condition.notify_all() 方法來通知所有的客戶端。這個方法允許在 asyncio 的事件循環(huán)中使用發(fā)布/訂閱的模式。

為了等待這兩個事件，首先我們使用 ensure_future() 來封裝任務(wù)中這個可等待對象。

 
 
    
  
  
  1. if not recv_task: 
    2.   
  
  2.     recv_task = asyncio.ensure_future(ws.receive()) 
    3.   
  
  3. if not tick_task: 
    4.   
  
  4.     await tick.acquire() 
    5.   
  
  5.     tick_task = asyncio.ensure_future(tick.wait()) 
    6.

在我們調(diào)用 Condition.wait() 之前，我們需要在它后面獲取一把鎖。這就是我們?yōu)槭裁聪日{(diào)用 tick.acquire() 的原因。在調(diào)用 tick.wait() 之后，鎖會被釋放，這樣其他的協(xié)程也可以使用它。但是當(dāng)我們收到通知時，會重新獲取鎖，所以在收到通知后需要調(diào)用 tick.release() 來釋放它。

我們使用 asyncio.wait() 協(xié)程來等待兩個任務(wù)。

 
 
    
  
  
  1. done, pending = await asyncio.wait( 
    2.   
  
  2.         [recv_task, 
    3.   
  
  3.          tick_task], 
    4.   
  
  4.         return_when=asyncio.FIRST_COMPLETED) 
    5.

程序會阻塞，直到列表中的任意一個任務(wù)完成。然后它返回兩個列表：執(zhí)行完成的任務(wù)列表和仍然在執(zhí)行的任務(wù)列表。如果任務(wù)執(zhí)行完成了，其對應(yīng)變量賦值為 None，所以在下一個迭代時，它可能會被再次創(chuàng)建。

例子 3.5： 結(jié)合多個線程

  • 例子 3.5 源碼

在這個例子中，我們結(jié)合 asyncio 循環(huán)和線程，在一個單獨的線程中執(zhí)行主游戲循環(huán)。我之前提到過，由于 GIL 的存在，Python 代碼的真正并行執(zhí)行是不可能的。所以使用其它線程來執(zhí)行復(fù)雜計算并不是一個好主意。然而，在使用 asyncio 時結(jié)合線程有原因的：當(dāng)我們使用的其它庫不支持 asyncio 時就需要。在主線程中調(diào)用這些庫會阻塞循環(huán)的執(zhí)行，所以異步使用他們的唯一方法是在不同的線程中使用他們。

我們使用 asyncio 循環(huán)的run_in_executor() 方法和 ThreadPoolExecutor 來執(zhí)行游戲循環(huán)。注意 game_loop() 已經(jīng)不再是一個協(xié)程了。它是一個由其它線程執(zhí)行的函數(shù)。然而我們需要和主線程交互，在游戲事件到來時通知客戶端。asyncio 本身不是線程安全的，它提供了可以在其它線程中執(zhí)行你的代碼的方法。普通函數(shù)有 call_soon_threadsafe()，協(xié)程有 run_coroutine_threadsafe()。我們在 notify() 協(xié)程中增加了通知客戶端游戲的嘀嗒的代碼，然后通過另外一個線程執(zhí)行主事件循環(huán)。

 
 
    
  
  
  1. def game_loop(asyncio_loop): 
    2.   
  
  2.     print("Game loop thread id {}".format(threading.get_ident())) 
    3.   
  
  3.     async def notify(): 
    4.   
  
  4.         print("Notify thread id {}".format(threading.get_ident())) 
    5.   
  
  5.         await tick.acquire() 
    6.   
  
  6.         tick.notify_all() 
    7.   
  
  7.         tick.release() 
    8.   
  
  8.     while 1: 
    9.   
  
  9.         task = asyncio.run_coroutine_threadsafe(notify(), asyncio_loop) 
    10.   
  
  10.         # blocking the thread 
    11.   
  
  11.         sleep(1) 
    12.   
  
  12.         # make sure the task has finished 
    13.   
  
  13.         task.result() 
    14.

當(dāng)你執(zhí)行這個例子時，你會看到 “Notify thread id” 和 “Main thread id” 相等，因為 notify() 協(xié)程在主線程中執(zhí)行。與此同時 sleep(1) 在另外一個線程中執(zhí)行，因此它不會阻塞主事件循環(huán)。

例子 3.6：多進(jìn)程和擴展

  • 例子 3.6 源碼

單線程的服務(wù)器可能運行得很好，但是它只能使用一個 CPU 核。為了將服務(wù)擴展到多核，我們需要執(zhí)行多個進(jìn)程，每個進(jìn)程執(zhí)行各自的事件循環(huán)。這樣我們需要在進(jìn)程間交互信息或者共享游戲的數(shù)據(jù)。而且在一個游戲中經(jīng)常需要進(jìn)行復(fù)雜的計算，例如路徑查找之類。這些任務(wù)有時候在一個游戲嘀嗒中沒法快速完成。在協(xié)程中不推薦進(jìn)行費時的計算，因為它會阻塞事件的處理。在這種情況下，將這個復(fù)雜任務(wù)交給其它并行執(zhí)行的進(jìn)程可能更合理。

最簡單的使用多個核的方法是啟動多個使用單核的服務(wù)器，就像之前的例子中一樣，每個服務(wù)器占用不同的端口。你可以使用 supervisord 或者其它進(jìn)程控制的系統(tǒng)。這個時候你需要一個像 HAProxy 這樣的負(fù)載均衡器，使得連接的客戶端分布在多個進(jìn)程間。已經(jīng)有一些可以連接 asyncio 和一些流行的消息及存儲系統(tǒng)的適配系統(tǒng)。例如：

  • aiomcache 用于 memcached 客戶端
  • aiozmq 用于 zeroMQ
  • aioredis 用于 Redis 存儲，支持發(fā)布/訂閱

你可以在 github 或者 pypi 上找到其它的軟件包，大部分以 aio 開頭。

使用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)在存儲持久狀態(tài)和交換某些信息時可能比較有效。但是如果你需要進(jìn)行進(jìn)程間通信的實時處理，它的性能可能不足。此時，使用標(biāo)準(zhǔn)的 unix 管道可能更合適。asyncio 支持管道，在aiohttp倉庫有個 使用管道的服務(wù)器的非常底層的例子。

在當(dāng)前的例子中，我們使用 Python 的高層類庫 multiprocessing 來在不同的核上啟動復(fù)雜的計算，使用 multiprocessing.Queue 來進(jìn)行進(jìn)程間的消息交互。不幸的是，當(dāng)前的 multiprocessing 實現(xiàn)與 asyncio 不兼容。所以每一個阻塞方法的調(diào)用都會阻塞事件循環(huán)。但是此時線程正好可以起到幫助作用，因為如果在不同線程里面執(zhí)行 multiprocessing 的代碼，它就不會阻塞主線程。所有我們需要做的就是把所有進(jìn)程間的通信放到另外一個線程中去。這個例子會解釋如何使用這個方法。和上面的多線程例子非常類似，但是我們從線程中創(chuàng)建的是一個新的進(jìn)程。

 
 
    
  
  
  1. def game_loop(asyncio_loop): 
    2.   
  
  2.     # coroutine to run in main thread 
    3.   
  
  3.     async def notify(): 
    4.   
  
  4.         await tick.acquire() 
    5.   
  
  5.         tick.notify_all() 
    6.   
  
  6.         tick.release() 
    7.   
  
  7.     queue = Queue() 
    8.   
  
  8.     # function to run in a different process 
    9.   
  
  9.     def worker(): 
    10.   
  
  10.         while 1: 
    11.   
  
  11.             print("doing heavy calculation in process {}".format(os.getpid())) 
    12.   
  
  12.             sleep(1) 
    13.   
  
  13.             queue.put("calculation result") 
    14.   
  
  14.     Process(target=worker).start() 
    15.   
  
  15.     while 1: 
    16.   
  
  16.         # blocks this thread but not main thread with event loop 
    17.   
  
  17.         result = queue.get() 
    18.   
  
  18.         print("getting {} in process {}".format(result, os.getpid())) 
    19.   
  
  19.         task = asyncio.run_coroutine_threadsafe(notify(), asyncio_loop) 
    20.   
  
  20.         task.result() 
    21.

這里我們在另外一個進(jìn)程中運行 worker() 函數(shù)。它包括一個執(zhí)行復(fù)雜計算并把計算結(jié)果放到 queue 中的循環(huán)，這個 queue 是 multiprocessing.Queue 的實例。然后我們就可以在另外一個線程的主事件循環(huán)中獲取結(jié)果并通知客戶端，就和例子 3.5 一樣。這個例子已經(jīng)非常簡化了，它沒有合理的結(jié)束進(jìn)程。而且在真實的游戲中，我們可能需要另外一個隊列來將數(shù)據(jù)傳遞給 worker。

有一個項目叫 aioprocessing，它封裝了 multiprocessing，使得它可以和 asyncio 兼容。但是實際上它只是和上面例子使用了完全一樣的方法：從線程中創(chuàng)建進(jìn)程。它并沒有給你帶來任何方便，除了它使用了簡單的接口隱藏了后面的這些技巧。希望在 Python 的下一個版本中，我們能有一個基于協(xié)程且支持 asyncio 的 multiprocessing 庫。

注意!如果你從主線程或者主進(jìn)程中創(chuàng)建了一個不同的線程或者子進(jìn)程來運行另外一個 asyncio 事件循環(huán)，你需要顯式地使用 asyncio.new_event_loop() 來創(chuàng)建循環(huán)，不然的話可能程序不會正常工作。

  • 使用Python和Asyncio編寫在線多人游戲（一）
  • 使用Python和Asyncio編寫在線多人游戲（三）

當(dāng)前文章：使用Python和Asyncio編寫在線多人游戲（二）
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