如何构建一个多人(.io) Web 游戏，第 2 部分

  • 2021 年 1 月 19 日
  • 笔记

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：

目录

在这篇文章中，我们将讨论以下主题：

  1. 服务器入口(Server Entrypoint)：设置 Express 和 socket.io。
  2. 服务端 Game(The Server Game)：管理服务器端游戏状态。
  3. 服务端游戏对象(Server Game Objects)：实现玩家和子弹。
  4. 碰撞检测(Collision Detection)：查找击中玩家的子弹。

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：

  1. 计算自上次 update() 以来 dt 过去了多少时间。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 通知并删除任何死玩家。
  6. 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。
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