Rust 项目实战：Flappy Bird 游戏

参考视频：https://www.bilibili.com/video/BV1vM411J74S

理解 Game loop

为了让游戏流畅、顺滑的运行，需要 Game loop。

Game loop：

• 初始化窗口、图形和其他资源
• 每当屏幕刷新（通常为每秒 30 次、60 次、…），它都会运行
• 每次通过循环，它都会调用游戏的 tick() 函数

开发库：bracket-lib

bracket-lib 是一个 Rust 游戏编程库，其中包含了随机数生成、几何、路径寻找、颜色处理、常用算法等库。

bracket-lib 作为简单的教学工具，抽象了游戏开发很多复杂的东西，但保留了相关的概念。

bracket-terminal

bracket-terminal 是 bracket-lib 中负责显示的部分。它提供了模拟控制台，可与多种渲染平台（OpenGL、Vulkan、Metal、Web Assembly）配合，还支持 Sprites 和原生 OpenGL 开发。

在游戏开发当中，Sprites 一般指一个实体，但是跟我们平常开发软件说的那种“实体”不一样，它是直接让玩家看到、控制甚至接触的物体，称之为“精灵”，传统意义上是指可见操作物体，当然现在也有触发精灵之类的不可见操作物体。

Codepage 437

Codepage 437 是 IBM 扩展 ASCII 字符集。

• 来自 Dos PC 上的字符，用于终端输出，除了字母和数字，还提供了一些符号。
• bracket-lib 会把字符翻译成图形 Sprites 并提供一个有限的字符集，字符所展示的是相应的图片。

导入 bracket-lib

项目的 Cargo.toml 中的 [dependencies] 部分插入：

bracket-lib = "~0.8.7"

创建游戏

main.rs：

use bracket_lib::prelude::*;struct State {}impl GameState for State {fn tick(&mut self, ctx: &mut BTerm) {ctx.cls();ctx.print(1, 1, "Hello, Brackets Terminal!");}
}fn main() -> BError {let context = BTermBuilder::simple80x50().with_title("Flappy Bird").build()?;main_loop(context, State {})
}

结构体 State 保存游戏的状态。为 State 实现来自 bracket_lib 的 GameState trait。

需要实现一个 tick 方法，ctx 是上下文，指的是游戏窗口。tick 方法内，先使用 cls() 方法清理屏幕，再使用 print 方法，在屏幕的 (1, 1) 坐标上打印文本 Hello, Brackets Terminal!。

游戏运行有可能出错，bracket_lib 提供了一个叫做 BError 的 Rusult 用来表示错误。

在 main 函数中，我们使用构建者模式创建一个 80 * 50 的窗口，标题为 Flappy Bird。因为构建可能出错，在 build() 函数后使用 ? 进行处理。

main_loop 就是游戏的主循环，需要传入 context 和状态 State。因为 main_loop 是需要返回的，所以后面没有分号。

运行程序：

游戏的模式

游戏通常在不同的模式中运行，每种模式会明确游戏在当前的 tick() 中应该做什么。

我们这个游戏需要 3 种模式：

• 菜单
• 游戏中
• 结束

我们建立一个枚举 GameMode 表示这 3 种模式。

enum GameMode {Menu,Playing,End,
}

我们需要把模式存储在状态中，修改 State 的定义：

struct State {mode: GameMode,
}

再为 State 实现一个关联函数 new()，游戏的初始状态是菜单。

impl State {fn new() -> Self {State {mode: GameMode::Menu,}}
}

修改 tick() 方法，根据状态的当前模式，执行不同的函数，这里使用 match 表达式。

    fn tick(&mut self, ctx: &mut BTerm) {match self.mode {GameMode::Menu => self.main_menu(ctx),GameMode::Playing => self.play(ctx),GameMode::End => self.dead(ctx),}}

这里的 main_menu、play、dead 函数都还没有在 State 中实现。

这里直接给出 State 中 4 个新函数的实现代码：

impl State {fn new() -> Self {State {mode: GameMode::Menu,}}fn main_menu(&mut self, ctx: &mut BTerm) {ctx.cls();ctx.print_centered(5, "Welcome to Flappy Bird");ctx.print_centered(8, "(P) Play Game");ctx.print_centered(9, "(Q) Quit Game");if let Some(key) = ctx.key {match key {VirtualKeyCode::P => self.restart(),VirtualKeyCode::Q => ctx.quitting = true,_ => {}}}}fn play(&mut self, ctx: &mut BTerm) {// TODOself.mode = GameMode::End;}fn dead(&mut self, ctx: &mut BTerm) {ctx.cls();ctx.print_centered(5, "You are dead!");ctx.print_centered(8, "(P) Play Again");ctx.print_centered(9, "(Q) Quit Game");if let Some(key) = ctx.key {match key {VirtualKeyCode::P => self.restart(),VirtualKeyCode::Q => ctx.quitting = true,_ => {}}}}fn restart(&mut self) {self.mode = GameMode::Playing;}
}

因为 State 有了新成员变量，之前的 main_loop 中的 State {} 不行了，修改 main 函数：

	main_loop(context, State::new())

运行程序，游戏状态首先是 GameMode::Menu。在 tick() 函数中进行匹配，执行 main_menu 函数，显示菜单：

按下 P 开始游戏，执行 restart 函数，将游戏状态变为 GameMode::Playing，在 tick() 函数中进行匹配，执行 play 函数。

因为我们还没有实现 play 函数中应该有的内容，play 函数只是将游戏状态变为 GameMode::End。

再次在 tick() 函数中进行匹配，执行 dead 函数，显示新的界面：

如果在结束界面按下 P，还是显示相同的界面。

如果在结束界面按下 Q，则退出游戏，窗口被关闭。

添加玩家

创建一个结构体 Player 表示玩家：

struct Player {x: i32,y: i32,velocity: f32, // 垂直方向的加速度，向下为正
}

x、y 是玩家在窗口中的坐标。

Player 相关方法：

impl Player {fn new(x: i32, y: i32) -> Self {Player { x, y, velocity: 0.0 }}fn render(&mut self, ctx: &mut BTerm) {ctx.set(0, self.y, YELLOW, BLACK, to_cp437('@'))}fn gravity_and_move(&mut self) {if self.velocity < 2.0 {self.velocity += 0.2;}self.x += 1;self.y += self.velocity as i32;if self.y < 0 {self.y = 0;}}fn flap(&mut self) {self.velocity = -2.0;}
}

render 方法用于渲染。设置背景色为黑色，在 (0, y) 坐标渲染一个黄色的 @ 字符。

gravity_and_move 方法用于模拟玩家的重力，当 velocity < 2.0 时，velocity 会越来越大，每次增加 0.2。然后，玩家的坐标 (x, y) 发生改变，在水平方向上每次前进 1 格，在竖直方向上相当于 y = y + a * t。特殊的，要判断 y < 0 的情况，也就是说，玩家不能超出窗口的上边缘。

flap 方法用于模拟按下空格的情况，每次按下空格，玩家都会向上扑腾一下。实际上就是将玩家的 velocity 修改为 -2.0，负数表示向上的加速度。

我们需要在状态中添加 Player 成员变量：

struct State {player: Player,frame_time: f32, // 游戏累计时间mode: GameMode,
}

另外增加了一个 frame_time 成员变量，表示游戏运行的累计时间。

对应的，State 的 new 函数和 restart 函数都需要做修改：

    fn new() -> Self {State {player: Player::new(5, 25),frame_time: 0.0,mode: GameMode::Menu,}}// ...fn restart(&mut self) {self.player = Player::new(5, 25);self.frame_time = 0.0;self.mode = GameMode::Playing;}

我们默认玩家出生在 (5, 25) 坐标。

我们向程序中添加一些常量：

/// 游戏屏幕宽度
const SCREEN_WIDTH: i32 = 80;
/// 游戏屏幕高度
const SCREEN_HEIGHT: i32 = 50;
/// 游戏单位时间，每隔 75 ms 做一些事情
const FRAME_DURATION: f32 = 75.0;

接下来完善 play 函数的逻辑：

    fn play(&mut self, ctx: &mut BTerm) {// 清空屏幕，并设置屏幕的背景颜色ctx.cls_bg(NAVY);// frame_time_ms 记录了每次调用 tick() 所经过的时间self.frame_time += ctx.frame_time_ms;// 向前移动并且重力增加if self.frame_time > FRAME_DURATION {self.frame_time = 0.0;self.player.gravity_and_move();}// 用户点击了空格，往上飞if let Some(VirtualKeyCode::Space) = ctx.key {self.player.flap();}// 渲染self.player.render(ctx);ctx.print(0, 0, "Press SPACE to flap");// 如果 y 大于游戏屏幕高度，视为坠地，游戏结束if self.player.y > SCREEN_HEIGHT {self.mode = GameMode::End;}}

运行程序，进入游戏：

当我们按下空格时，小鸟会向上移动。否则，小鸟受重力作用加速向下移。若小鸟触碰到窗口底部，则游戏失败。

添加障碍

结构体 Obstacle 表示障碍：

struct Obstacle {x: i32,     // 横坐标gap_y: i32, // 中间的空隙坐标size: i32,  // 空隙大小
}

游戏中的障碍如下图所示：

Obstacle 的 new 函数：

    pub fn new(x: i32, score: i32) -> Self {let mut random = RandomNumberGenerator::new();Obstacle {x,gap_y: random.range(10, 40), // [10, 40)size: i32::max(2, 20 - score), // 积分越多，洞越窄}}

障碍中间的空隙坐标使用随机数生成。障碍空隙大小取决于玩家积分，积分越多，洞越窄。

Obstacle 的 render 函数：

    fn render(&mut self, ctx: &mut BTerm, player_x: i32) {let screen_x = self.x - player_x; // 屏幕空间的横坐标let half_size = self.size / 2;// 障碍物的上半部分for y in 0..self.gap_y - half_size {ctx.set(screen_x, y, RED, BLACK, to_cp437('|'));}// 障碍物的下半部分for y in self.gap_y + half_size..SCREEN_HEIGHT {ctx.set(screen_x, y, RED, BLACK, to_cp437('|'))}}

障碍的横坐标是 self.x，玩家的横坐标是 player_x，它们都是世界空间下的横坐标，可以是无限大。而屏幕空间是有限的，所以计算 self.x - player_x 得到的相对坐标才是障碍在屏幕中的横坐标。

Obstacle 的 hit_obstacle 函数：

    fn hit_obstacle(&self, player: &Player) -> bool {let half_size = self.size / 2;// 玩家的 x 坐标和障碍的坐标是否一样let does_x_match = player.x == self.x;// 是否在障碍的上半部分的坐标范围内let player_above_gap = player.y < self.gap_y - half_size;// 是否在障碍的下半部分的坐标范围内let player_below_gap = player.y > self.gap_y + half_size;does_x_match && (player_above_gap || player_below_gap)}

只有当玩家的 x 坐标和障碍物的坐标一样，且玩家在障碍的上半部分或下半部分，才视为玩家撞到了障碍物。

再向 State 中添加 2 个成员变量：

struct State {player: Player,frame_time: f32, // 游戏累计时间mode: GameMode,obstacle: Obstacle,score: i32,
}

对应的也要修改其构造函数、dead 函数和 restart 函数：

    fn new() -> Self {State {player: Player::new(5, 25),frame_time: 0.0,mode: GameMode::Menu,obstacle: Obstacle::new(SCREEN_WIDTH, 0),score: 0,}}// ...fn dead(&mut self, ctx: &mut BTerm) {ctx.cls();ctx.print_centered(5, "You are dead!");ctx.print_centered(6, &format!("You earned {} points", self.score));ctx.print_centered(8, "(P) Play Again");ctx.print_centered(9, "(Q) Quit Game");if let Some(key) = ctx.key {match key {VirtualKeyCode::P => self.restart(),VirtualKeyCode::Q => ctx.quitting = true,_ => {}}}}fn restart(&mut self) {self.player = Player::new(5, 25);self.frame_time = 0.0;self.mode = GameMode::Playing;self.obstacle = Obstacle::new(SCREEN_WIDTH, 0);self.score = 0;}

再修改 play 函数，添加障碍和积分的相关代码：

    fn play(&mut self, ctx: &mut BTerm) {// 清空屏幕，并设置屏幕的背景颜色ctx.cls_bg(NAVY);// frame_time_ms 记录了每次调用 tick() 所经过的时间self.frame_time += ctx.frame_time_ms;// 向前移动并且重力增加if self.frame_time > FRAME_DURATION {self.frame_time = 0.0;self.player.gravity_and_move();}// 用户点击了空格，往上飞if let Some(VirtualKeyCode::Space) = ctx.key {self.player.flap();}// 渲染self.player.render(ctx);ctx.print(0, 0, "Press SPACE to flap");ctx.print(0, 1, &format!("Score: {}", self.score));// 渲染障碍物self.obstacle.render(ctx, self.player.x);// 判断是否越过障碍物if self.player.x > self.obstacle.x {self.score += 1;// 渲染新的障碍物self.obstacle = Obstacle::new(self.player.x + SCREEN_WIDTH, self.score);}// 如果 y 大于游戏屏幕高度，视为坠地，或者撞到障碍物，则游戏结束if self.player.y > SCREEN_HEIGHT || self.obstacle.hit_obstacle(&self.player) {self.mode = GameMode::End;}}

最终效果

开始菜单：

游戏界面：

结束界面：

项目源码

GitHub：https://github.com/UestcXiye/Flappy-Bird