外星人入侵：使用Python开发游戏

这是《Python编程：从入门到实践》的第一个实践项目，对应第12-14章，开发了一个简单的小游戏Alien Invasion。虽然对生物狗来说开发游戏这个技能并没有什么用，但初学者用来熟悉Python基础也是不错的。

没用的技能增加了

开始学Python有两个星期了，事实上也只是因为现在Python的流行，并没有实际需求。因此要求不高，只是解读一下书上的代码，我自己绝对写不出这样的代码。按照书上的顺序一步步实现整个游戏的过程还算比较有趣。

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下面是游戏的介绍：

在这个游戏中，玩家控制一艘最初出现在屏幕底端中央的飞船。玩家可以使用箭头键左右移动飞船，还可以使用空格键射击。游戏开始时，一群外星人出现在天空中，并向屏幕下方移动。玩家的任务是射杀这些外星人。玩家将所有外星人都消灭干净后，将出现一群新的外星人，其移动速度更快。只要有外星人撞到玩家的飞船或到达屏幕底部，玩家就损失一艘飞船。玩家损失三艘飞船后，游戏结束。

创建了8个.py文件，和一个放了两张图片的文件夹。

里面用到的飞船和外星人的图像是我自己画的。

自己画的

最终效果如下。

游戏截屏

alien_invasion.py (1)

最主要的程序是alien_invasion.py，下面看一看这个文件。

首先导入需要的模块，包含了其它7个.py文件。

import sys #包含退出游戏的函数
from time import sleep
import pygame #包含开发游戏所需功能

from settings import Settings #导入这个类
from game_stats import GameStats
from scoreboard import Scoreboard
from button import Button
from ship import Ship
from bullet import Bullet
from alien import Alien

然后创建表示这个游戏的类。

# 创建一个表示游戏的类
class AlienInvasion:
    """管理游戏资源和行为的类"""

    def __init__(self):
        """初始化游戏并创建游戏资源"""
        #__init__()是一个特殊的方法，创建AlienInvasion实例时会自动运行它

        #调用pygame里面的函数init()，初始化游戏设置
        pygame.init()

        #创建的AlienInvasion类的实例的一个属性self.settings，变量的内容是Settings类
        self.settings = Settings()

        #self的属性screen，内容是pygame模块的display的set_mode()函数产生的
        #创建一个显示窗口，元组内为宽高的像素。将这个窗口surface赋给属性self.screen
        self.screen = pygame.display.set_mode(
            (self.settings.screen_width,self.settings.screen_height))
        
        #设置标题
        pygame.display.set_caption("Alien Invasion")

        #self的属性stats，游戏统计信息
        self.stats = GameStats(self) 

        #创建记分牌
        self.sb = Scoreboard(self)

        #self的属性ship，内容是新创建的类Ship(self)，同时需要把AlienInvasion传入Ship类
        self.ship = Ship(self)
        
        #子弹，pygame.sprite.Group类，是一个编组，存储所有有效子弹，类似于列表
        self.bullets = pygame.sprite.Group()

        #一群外星人，用于存储外星人的编组
        self.aliens = pygame.sprite.Group()
        self._create_fleet()

        #创建play按钮
        self.play_button = Button(self, "Play")

接下来定义了运行游戏的主要方法run_game()，其中包含了很多辅助方法。

def run_game(self): #定义方法run_game()
        """开始游戏的主循环"""
        while True:
            self._check_events() #辅助方法

            if self.stats.game_active:
                self.ship.update() #更新Ship的属性rect的坐标
                self._update_bullets()
                self._update_aliens()

            self._update_screen()

先跳过这些辅助方法，看文档的最后，创建游戏实例和运行游戏。

# 创建游戏实例并运行游戏
if __name__ == '__main__':
    #python模块包含内置的变量__name__
    #当该模块被直接执行的时候，__name__等于文件名（包含后缀.py ）
    #如果该模块import到其他模块中，则该模块的__name__等于模块名称（不包含后缀.py）
    #__main__始终指当前执行模块的名称（包含后缀.py）
    #当模块被直接执行时，__name__ == '__main__'结果为真，才能运行if下的代码块
    #当模块被import 到其他脚本中，则不能执行if下的代码块
    ai = AlienInvasion() #创建AlienInvasion
    ai.run_game() #对这个对象执行run_game()方法

settings.py

这个文件里包含了游戏的设置。

class Settings:
    """存储游戏外星人入侵中所有设置的类"""
    #创建这个类的实例时，运行Settings()

    def __init__(self): #创建新实例时，会自动运行__init__()这个方法
        """初始化游戏的静态设置"""

        # 屏幕设置
        self.screen_width = 1000 #以self为前缀的变量是这个实例的属性
        self.screen_height = 700
        self.bg_color = (230,230,230)

        # 飞船设置
        self.ship_limit = 3

        # 子弹设置
        self.bullet_width = 3
        self.bullet_height = 15
        self.bullet_color = (60, 60, 60)
        self.bullets_allowed = 3

        # 外星人设置
        self.fleet_drop_speed = 19

        # 加快游戏节奏速度
        self.speedup_scale = 1.2
        self.initialize_dynamic_settings()

        # 外星人分数提高速度
        self.score_scale = 1.5

    def initialize_dynamic_settings(self):
        """初始化随游戏进行而变化的设置"""
        self.ship_speed = 0.4
        self.bullet_speed = 0.8
        self.alien_speed = 0.1
        self.fleet_direction = 1 #1表示右移，-1表示左移
        self.alien_points = 50

    def increase_speed(self):
        """提高速度设置和外星人分数"""
        self.ship_speed *= self.speedup_scale
        self.bullet_speed *= self.speedup_scale
        self.alien_speed *= self.speedup_scale
        self.alien_points = int(self.alien_points * self.score_scale)

game_stats.py

这是游戏的统计信息。

class GameStats:
    """跟踪游戏的统计信息"""

    def __init__(self, ai_game): #需要传入一个AlienInvasion对象
        """初始化统计信息"""
        self.settings = ai_game.settings
        self.reset_stats()
        #游戏刚启动时处于非活跃状态
        self.game_active = False 
        #任何情况下都不重置的最高得分
        self.high_score = 0

    def reset_stats(self):
        """初始化游戏在运行期间可能发生变化的统计信息"""
        self.ships_left = self.settings.ship_limit
        self.score = 0
        self.level = 1

ship.py

表示飞船的类，是游戏中的主要元素。

import pygame
from pygame.sprite import Sprite

class Ship(Sprite):
    """管理飞船的类"""

    def __init__(self,ai_game): #需要传入一个AlienInvasion类的实例ai_game
        """初始化飞船并设置其初始位置"""
        super().__init__()

        #ai_game.screen是pygame.display.set_mode()创建的一个surface
        self.screen = ai_game.screen
        self.screen_rect = ai_game.screen.get_rect()

        #ai_game.settings是Settings()
        self.settings = ai_game.settings

        # 加载飞船图像并获取其外接矩形
        self.image = pygame.image.load('images/ship.bmp')
        self.rect = self.image.get_rect() #self.rect确定了飞船的位置

        # 对于每艘新飞船，都将其放在屏幕底部的中央
        self.rect.midbottom = self.screen_rect.midbottom

        # 在飞船的属性x中存储小数值
        self.x = float(self.rect.x)

        # 移动标志
        self.moving_right = False
        self.moving_left = False

    def update(self):
        """根据移动标志调整飞船的位置"""
        # 更新飞船self.x而不是rect对象的x值
        if self.moving_right and self.rect.right < self.screen_rect.right:
            self.x += self.settings.ship_speed
        if self.moving_left and self.rect.left > 0:
            self.x -= self.settings.ship_speed
        #根据self.x更新rect对象
        self.rect.x = self.x #rect只存储整数，self.rect确定了飞船的位置

    def blitme(self):
        """在指定位置绘制飞船"""
        self.screen.blit(self.image,self.rect) #在总窗口surface中绘制这个image的矩形

    def center_ship(self):
        """让飞船在屏幕底部居中"""
        self.rect.midbottom = self.screen_rect.midbottom
        self.x = float(self.rect.x)

alien.py

表示外星人的类，是游戏中的另一个主要元素。

import pygame
from pygame.sprite import Sprite

class Alien(Sprite):
    """表示单个外星人的类"""
    #Alien类继承了从模块pygame.sprite中导入的类Sprite
    #通过Sprite可将游戏中相关的元素编组，进而同时操作编组中的所有元素
    
    def __init__(self, ai_game): 
        """初始化外星人并设置其起始位置""" 
        super().__init__()
        self.screen = ai_game.screen
        self.settings = ai_game.settings
        
        # 加载外星人图像并设置其rect属性
        self.image = pygame.image.load('images/alien.bmp')
        self.rect = self.image.get_rect()

        # 每个外星人最初都在屏幕左上角附近
        self.rect.x = self.rect.width
        self.rect.y = self.rect.height

        # 存储外星人的精确水平位置
        self.x = float(self.rect.x)

    def check_edges(self):
        """如果外星人撞到了屏幕边缘，就返回True"""
        screen_rect = self.screen.get_rect()
        if self.rect.right >= screen_rect.right or self.rect.left <= 0:
            return True

    def update(self):
        """向左或向右移动外星人"""
        self.x += (self.settings.alien_speed * self.settings.fleet_direction)
        self.rect.x = self.x

bullet.py

表示子弹的类，游戏中的第三个主要元素。

import pygame
from pygame.sprite import Sprite

class Bullet(Sprite):
    """管理飞船所发射子弹的类"""
    #Bullet类继承了从模块pygame.sprite中导入的类Sprite
    #通过Sprite可将游戏中相关的元素编组，进而同时操作编组中的所有元素

    def __init__(self, ai_game):
        """在飞船当前位置创建一个子弹对象"""
        super().__init__() #继承Sprite
        self.screen = ai_game.screen
        self.settings = ai_game.settings
        self.color = self.settings.bullet_color

        # 在(0,0)处创建一个表示子弹的矩形，再设置正确的位置
        #pygame.Rect从头创建一个矩形，提供矩形左上角xy坐标，以及矩形的宽度和高度
        self.rect = pygame.Rect(0, 0, self.settings.bullet_width,
            self.settings.bullet_height)
        self.rect.midtop = ai_game.ship.rect.midtop

        # 存储用小数表示的子弹位置
        self.y = float(self.rect.y)

    def update(self):
        """向上移动子弹"""
        # 更新表示子弹位置的小数值
        self.y -= self.settings.bullet_speed
        # 更新子弹的矩形位置
        self.rect.y = self.y

    def draw_bullet(self):
        """在屏幕上绘制子弹"""
        pygame.draw.rect(self.screen, self.color, self.rect)

button.py

开始按钮，控制着游戏的开始和重置。

import pygame.font #可以将文本渲染到屏幕上

class Button:
    def __init__(self, ai_game, msg): #msg是要在按钮中显示的文本
        """初始化按钮的属性"""
        self.screen = ai_game.screen
        self.screen_rect = self.screen.get_rect()

        #设置按钮的尺寸和其它属性
        self.width, self.height = 200, 50
        self.button_color = (0, 255, 0)
        self.text_color = (255, 255, 255)
        self.font = pygame.font.SysFont(None, 48) #字体和字号，None表示默认字体

        #创建按钮的rect对象，并使其居中
        self.rect = pygame.Rect(0, 0, self.width, self.height)
        self.rect.center = self.screen_rect.center

        #按钮的标签只需创建一次
        self._prep_msg(msg)

    def _prep_msg(self, msg):
        """将msg渲染为图像，并使其在按钮上居中"""
        self.msg_image = self.font.render(msg, True, self.text_color,
            self.button_color)
        #调用render()将msg文本转换为图像，True开启反锯齿功能，文本颜色，背景色
        self.msg_image_rect = self.msg_image.get_rect()
        self.msg_image_rect.center = self.rect.center

    def draw_button(self):
        #绘制一个用颜色填充的按钮，再绘制文本
        self.screen.fill(self.button_color, self.rect)
        self.screen.blit(self.msg_image, self.msg_image_rect)

scoreboard.py

最后是记分牌，显示游戏的统计信息，增加可玩性。

import pygame.font
from pygame.sprite import Group
from ship import Ship

class Scoreboard:
    """显示得分信息的类"""

    def __init__(self, ai_game):
        """初始化显示得分涉及的属性"""
        self.ai_game = ai_game
        self.screen = ai_game.screen
        self.screen_rect = self.screen.get_rect()
        self.settings = ai_game.settings
        self.stats = ai_game.stats

        #显示得分信息时使用的字体设置
        self.text_color = (30, 30, 30)
        self.font = pygame.font.SysFont(None, 48)
        
        #准备包含最高得分和当前得分的图像
        self.prep_score()
        self.prep_high_score()
        self.prep_level()
        self.prep_ships()

    def prep_score(self):
        """将得分转换为一幅渲染的图像"""
        #round使数值精确到小数点后某一位，-1表示舍入到最近的10的整数倍
        rounded_score = round(self.stats.score, -1)
        #将数值转换为字符串，并插入逗号
        score_str = "{:,}".format(rounded_score)
        #调用render()将文本转换为图像，True开启反锯齿功能，文本颜色，背景色
        self.score_image = self.font.render(score_str, True,
            self.text_color, self.settings.bg_color)
        #在屏幕右上角显示得分
        self.score_rect = self.score_image.get_rect()
        self.score_rect.right = self.screen_rect.right - 20
        self.score_rect.top = 20

    def prep_high_score(self):
        """将最高得分转换为渲染的图像"""
        high_score = round(self.stats.high_score, -1)
        high_score_str = "{:,}".format(high_score)
        self.high_score_image = self.font.render(high_score_str, True,
        self.text_color, self.settings.bg_color)

        #将最高得分放在屏幕顶部中央
        self.high_score_rect = self.high_score_image.get_rect()
        self.high_score_rect.centerx = self.screen_rect.centerx
        self.high_score_rect.top = self.score_rect.top

    def check_high_score(self):
        """检查是否诞生了新的最高得分"""
        if self.stats.score > self.stats.high_score:
            self.stats.high_score = self.stats.score
            self.prep_high_score()

    def prep_level(self):
        """将等级转换为渲染的图像"""
        level_str = str(self.stats.level)
        self.level_image = self.font.render(level_str, True,
        self.text_color, self.settings.bg_color)

        #将等级放在得分下方
        self.level_rect = self.level_image.get_rect()
        self.level_rect.right = self.score_rect.right
        self.level_rect.top = self.score_rect.bottom + 10

    def prep_ships(self):
        """Show how many ships are left."""
        self.ships = Group() #创建一个空编组
        for ship_number in range(self.stats.ships_left):
            ship = Ship(self.ai_game)
            ship.rect.x = 10 + ship_number * ship.rect.width
            ship.rect.y = 10
            self.ships.add(ship)
            self.ships.draw(self.screen)

    def show_score(self):
        """在屏幕上显示得分、等级和余下的飞船数"""
        self.screen.blit(self.score_image, self.score_rect)
        self.screen.blit(self.high_score_image, self.high_score_rect)
        self.screen.blit(self.level_image, self.level_rect)
        self.ships.draw(self.screen)

alien_invasion.py (2)

下面是剩余的主文件内容，alien_invasion.py的辅助方法。

    def _check_events(self):
        #监视键盘和鼠标事件（事件是用户执行的操作，如按键和移动鼠标）
        #每次按下键都会在pygame中注册一个事件KEYDOWN，松开键为KEYUP事件
        for event in pygame.event.get():
            #pygame.event.get()函数返回一个列表，包含它在上一次被调用后发生的所有事件
            if event.type == pygame.QUIT:
                sys.exit() #pygame.QUIT事件出现在用户单击关闭按钮时
            elif event.type == pygame.KEYDOWN:
                self._check_keydown_events(event)
            elif event.type == pygame.KEYUP:
                self._check_keyup_events(event)
            elif event.type == pygame.MOUSEBUTTONDOWN:
                mouse_pos = pygame.mouse.get_pos() #得到一个元组，包含单击鼠标的xy坐标
                self._check_play_button(mouse_pos)

    def _check_play_button(self, mouse_pos):
        """单击play按钮时开始游戏"""
        #collidepoint检查鼠标单击位置是否在play按钮的rect内
        button_clicked = self.play_button.rect.collidepoint(mouse_pos)
        if button_clicked and not self.stats.game_active:
            #重置游戏设置
            self.settings.initialize_dynamic_settings()
            #重置游戏统计信息
            self.stats.reset_stats()
            self.stats.game_active = True
            self.sb.prep_score()
            self.sb.prep_level()
            self.sb.prep_ships()
            #清空余下的外星人和子弹
            self.aliens.empty()
            self.bullets.empty()
            #创建一群新的外星人并让飞船居中
            self._create_fleet()
            self.ship.center_ship()
            #隐藏鼠标光标
            pygame.mouse.set_visible(False)

    def _check_keydown_events(self, event):
        if event.key == pygame.K_RIGHT:
            self.ship.moving_right = True
        elif event.key == pygame.K_LEFT:
            self.ship.moving_left = True
        elif event.key == pygame.K_q:
            sys.exit()
        elif event.key == pygame.K_SPACE:
            self._fire_bullet()

    def _check_keyup_events(self, event):
        if event.key == pygame.K_RIGHT:
            self.ship.moving_right = False
        if event.key == pygame.K_LEFT:
            self.ship.moving_left = False

    def _fire_bullet(self):
        """创建一颗子弹，将其加入编组中"""
        if len(self.bullets) < self.settings.bullets_allowed:
            new_bullet = Bullet(self)
            self.bullets.add(new_bullet)

    def _update_bullets(self):
        """更新子弹的位置并删除消失的子弹"""
        #更新子弹的位置
        self.bullets.update() #对编组调用update，自动对其中每个元素调用update

        #删除消失的子弹
        for bullet in self.bullets.copy(): #要求列表的长度在整个循环中不变，所以使用副本
            if bullet.rect.bottom <= 0:
                self.bullets.remove(bullet)

        self._check_bullet_alien_collisions()

    def  _check_bullet_alien_collisions(self):
        """相应子弹和外星人碰撞"""
        #检查是否有子弹与外星人重叠，删除碰撞的子弹和外星人
        collisions = pygame.sprite.groupcollide(
            self.bullets, self.aliens, True, True)
        #groupcollide()函数将一个编组中每个元素的rect与另一个编组中每个元素的rect进行比较
        #返回一个字典，每个键是一颗子弹，值是该子弹击中的外星人
        #True, True删除发生碰撞的子弹和外星人
        if collisions:
            for aliens in collisions.values(): #如果一个子弹同时击中两个外星人
                self.stats.score += self.settings.alien_points * len(aliens)
            self.sb.prep_score()
            self.sb.prep_level()
            self.sb.check_high_score()

        if not self.aliens:
            # 删除现有的子弹并新建一群外星人
            self.bullets.empty()
            self._create_fleet()
            self.settings.increase_speed()
            # 提高等级
            self.stats.level += 1
            self.sb.prep_level()
            
    def _update_aliens(self):
        """检查外星人位于边缘，更新外星人群组中的所有外星人"""
        self._check_fleet_edges()
        self.aliens.update()

        # 检测外星人和飞船之间的碰撞
        if pygame.sprite.spritecollideany(self.ship, self.aliens):
            self._ship_hit()
        #spritecollideany()方法检查一个Sprite是否与编组内的成员发生了碰撞
        #如果没有发生碰撞，返回None；如果发生了碰撞，则停止遍历群组

        # 检查是否有外星人到达屏幕底部
        self._check_aliens_bottom()

    def _ship_hit(self):
        """响应飞船被外星人撞到"""
        if self.stats.ships_left > 0:
            self.stats.ships_left -= 1 #飞船数减1
            self.sb.prep_ships()
            self.aliens.empty() #清空余下的外星人和子弹
            self.bullets.empty()
            self._create_fleet()
            self.ship.center_ship()
            sleep(0.7) #暂停0.7秒
        else:
            self.stats.game_active = False
            pygame.mouse.set_visible(True)

    def _create_fleet(self):
        """创建一群外星人"""
        #创建一个外星人，并计算一行可以容纳多少个外星人
        alien = Alien(self)
        alien_width, alien_height = alien.rect.size
        #属性size是一个元组，包含rect对象的宽高
        available_space_x = self.settings.screen_width - (2 * alien_width)
        number_aliens_x = available_space_x // (2 * alien_width)
        
        #计算屏幕可容纳多少行外星人
        ship_height = self.ship.rect.height
        available_space_y = (self.settings.screen_height -
            (3 * alien_height) - ship_height)
        number_rows = available_space_y // (2 * alien_height)

        #创建外星人群
        for row_number in range(number_rows):
            for alien_number in range(number_aliens_x):
                self._create_alien(alien_number, row_number)

    def _create_alien(self, alien_number, row_number):
        """创建一个外星人并将其加入当前行"""
        alien = Alien(self)
        alien_width, alien_height = alien.rect.size
        alien.x = alien_width + 2 * alien_width * alien_number
        alien.rect.x = alien.x
        alien.rect.y = alien.rect.height + 2 * alien.rect.height * row_number
        self.aliens.add(alien)

    def _check_fleet_edges(self):
        """有外星人到达边缘时采取相应的措施"""
        for alien in self.aliens.sprites():
            if alien.check_edges():
                self._change_fleet_direction()
                break

    def _check_aliens_bottom(self):
        """检查是否有外星人到达了屏幕底端"""
        screen_rect = self.screen.get_rect()
        for alien in self.aliens.sprites():
            if alien.rect.bottom >= screen_rect.bottom:
                # 像飞船被撞到一样处理
                self._ship_hit()
                break

    def _change_fleet_direction(self):
        """将整群外星人下移，并改变它们的方向"""
        for alien in self.aliens.sprites():
            alien.rect.y += self.settings.fleet_drop_speed
        self.settings.fleet_direction *= -1
        
    def _update_screen(self):
        #每次循环时重绘屏幕
        self.screen.fill(self.settings.bg_color) #方法fill用这种背景色填充屏幕
        self.ship.blitme() #在总窗口指定位置绘制飞船
        for bullet in self.bullets.sprites():
            bullet.draw_bullet()
        self.aliens.draw(self.screen)

        #显示得分
        self.sb.show_score()

        #如果游戏处于非活跃状态，就绘制play按钮
        if not self.stats.game_active:
            self.play_button.draw_button()

        #让最近绘制的屏幕可见
        pygame.display.flip() #绘制空屏幕，擦去旧屏幕

最后再放几张游戏截图。