俄罗斯方块：win32api开发

俄罗斯方块：win32api开发

本文简述一门课程，演示win32api开发俄罗斯方块的开发过程。假设学生学习过C
语言，没学过或者学习C++不好，刚刚开始学习 win32api程序设计，还不懂消息循
环和注册窗口类。

1. 背景和原则

我这学期讲一门课，本科三年级，学生满员17人。一般接近满员，最低一次5人，
那天据林同学说，其他的同学都去看足球赛了。

课程名字叫做算法与程序设计实践3。第一堂课我照例要解释：到了"3"这个阶段，
就不讲算法了，只有实践。不过，后来看看算法也还是有一点应 用，比如从一个
线性表里删除符合条件的元素们，在线性表里查找符合条件的元素，这种难度的。

课是在机房上的，大部分时间学生和教师都看着显示，所以一学期下来，好多同学
和我见面可能都不太认识。不过我们对代码的形成过程更熟悉一些。

我试图贯彻下述原则：学生应该看到教师编程的过程，而不仅仅是结果；学生应该
看到在编辑器和编译器中的代码，而不是WORD或PPT里的；学 生应该先学会临模教
师的编程过程，而没有能力直接临模结果；学生甚至应该看到教师的错误及错误的
解决过程、教师的无知及检索过程，学生不应该 看到事先排练的完美的编程过程
和全知全能的教师，那样的过程和专家，学生模仿时无从下手。

所以，我课前不准备，在课堂上无意犯各种错误--偶尔演示学生们容易犯的错误--
及解决。在LOG文件中记录我们的计划和当前的进度，在画图 里画下原型。

所以，我假装对某些API和函数不熟悉，演示在MSDN和互联网中查找手册和解决方
案的步骤。单独做一些技术原型验证对API的调用结果的猜 想，而不是在工程的过
程中在项目代码中测试技术。有时，我知道问题在哪里，但是要先列出各种可能，
然后一一验证猜想(而不是直接解决，这似乎 是计算机本科生非常容易犯的错误，
如果解决了就认定那是问题的原因)。除了这两点，其余的时间我应该尽可能诚实。

有时候，学生会告诉我哪里错了，先于我发现问题的原因。这令我享受这样的教学
过程。

最终，我们--以我编码为主--实现了WIN32API开发的俄罗斯方块。

选择俄罗斯方块的原因，是因为小游戏的业务逻辑足够复杂，保证学生了解在相对
复杂的业务逻辑时的面临的问题和编程行为与toy作品不同；所使 用的到技术较
少，避免过多的机制 (数据库、网络等)分散学生的注意力，保证学生把精力集中
在对业务逻辑上。

选择win32api是课堂上投票的结果。选择C语言而没有使用C++有两个原因。一是学
生的C++掌握通常并不熟练；二是我希望学生能在项 目中发现面向对象的必要性和
优点，而不是仅因为学习过哪些语言而在工程中选用；三是希望演示用C也可以实
现基于对象的程序设计 (不是面向对象，不包括继承，仅包括方法与数据的内聚)。

2. 技术原型

涉及到的技术原型，要在工程开始前建立小项目，以验证对这些技术的掌握和对效
果的猜想。

要实验的技术列表，来源于需求。我们先不写代码，口头描述需求，然后分解需求
到所需的技术。这样就形成了技术列表。这个过程中，同时也形成了 定义，包括
名词和动词表。

这些技术原型也限定了除C语言以外需要掌握的技术，在这次开发当中。

技术原型包括：

* 使用GDI画图、擦除。用于画小块和移动小块。移动是根据视觉暂留在新的位置
上画图，并把旧位置上的小块以底色重画。

* 键盘消息响应。用于在不暂停小块下落的情况下接受玩家通过按键操纵小块左
移、右移、旋转、快速下落。

* 特定范围的随机数生成。用于在创建新的小块时，决定是哪个类型。类型计有S
型、L型、凸形、田形，及它们的旋转。

* 计时器 (timer)，用于驱动小块定时下落，判断是否该清除一行，计分，刷新工
作区 (重画) 等。

* 在工作区输出文字。用于调试和显示分数。

最终形成的原型部分代码量如下。代码在附件中的 prototype目录下

画图 (及消息循环) ,draw,226行
擦除，eraser，263行
在工作区输出文字，textout，201行
按键消息响应，key，207行
随机数，random, 31行
计时器，timer，214行

3. 开发过程的里程碑

技术原型确定以后，再重新回到需求，并把需求排期。争取每次课程限定完成一个
功能。

需求排期遵循的原则是：优先完成对其他功能无信赖的部分；优先完成核心功能。

以下是开发过程中的里程碑。

1） 生成块。
2） 计时器驱动，块自动下降
3） 键盘控制块 旋转、快速下降、左移、右移
4） 落到底或粘在底部已存在块上 (if (conficted || touch_bottom) stick)
5） 删除一行：删除一行，把之上的行下降一行
6） 计分：消除一行和多行分值不同

以下功能在本学期没有实现。

7） 生成新块前，在预览区显示下一个块
8） 分数积累到一定程度 (？)，加快块下落的速度

开发过程以git版本控制方式记录了历史，每个重要功能一次commit，以日期作为
message。

4. 定义

我们在开发前用示意图约定了一些定义，作为词汇表。排版原因，我在这里有文字
解释一下。

俄罗斯方块元素：工作区上绘图的最小单位，是一个小方格。俄罗斯方块的名字
Terris 即四元素，因为每个当前块由4个元素组成。

数组元素：即C语言中的数组元素，数组中的某一个。提出这个定义是为了区别于
俄罗斯方块的元素。

当前块 (current block) ：正在移动的由四个元素构成的块。有S型、L型、田字
型等类型。

已存在的块 (exist block) ：堆积在工作区底部的，已经粘成一团的元素。

像素坐标，世界坐标。像素坐标是由GDI绘图定义的，世界坐标由我们定义，以元
素为单位，左上是原点 (0，0) ，向右向下递增。

stick。当前块接触到已存在的块，或者当前块接触到工作区底部，此时应该把当
前块加入到已存在的块中，然后生成新的当前块；如果导致已存 在的块中某一行
充满元素，需要按游戏规则删除此行，然后把已存在的块中此行以上的元素降落一行。

5. 数据结构及流程

以下介绍当前块、已存在块、键盘操作、删除已存在块中的一行的数据结构和流程。

5.1 当前块

当前块中，包括当前块的以下数据：当前坐标，上一次的坐标 (用以擦除) ，当前
类型 (接下来会解释)，上一次的类型 (用于旋转)。结构体如下，整个程序中只有
这个结构体的唯一实例。

struct struct_block{
int x;
int y; /* row 0, col 0 */
int old_x;
int old_y;
int* type;
int* old_type;
};

当前块的类型使用数组实现，如下，分别是一字型、田字型、凸字型。

int line_v_block[]={0, 0, 0, 1, 0, 2, 0, 3};
int line_h_block[]={0,0,1,0,2,0,3,0};
int tian_block[]={0, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 1};
int tu_v_block[]={0,1,1,0,1,1,2,1};
int tu_h_block[]={0,1,1,0,1,1,1,2};

数组中的每两个数值 (数据中的元素)代表一个当前块中的元素的坐标，计8个数值
代表4个元素。

生成块时，

current_block.type = line_v_block;

指定了当前块的元素。

绘图时，遍历"类型数组"，把每个元素绘出。无论何种类型，都遵循这一流程，从
而实现"以数据作为代码"：类型数组即数据，遍历"类型数 组"、在旋转时改变类
型等即为引擎。

旋转的代码示例，改变类型 (的指针) ：

if(current_block.type == line_v_block)
{
current_block.type = line_h_block;
}

平移的代码示例，改变横坐标：

current_block.x -= 1;

自动下降的代码示例，改变上一次的纵坐标和当前纵坐标。

if(! is_conflicted() && ! is_touch_bottom())
{
current_block.old_y = current_block.y;
current_block.y = current_block.y + 1;
}
else
{
stick();
generate_block();
}

快速下降：
纵坐标 增加 所有元素中到达底部 (或已存在块中同一横坐标的顶) 的最短距离。

貌似题外话，helper函数：is_conflicted()，判断当前块是否接触到已存在
块；is_touch_bottom()，判断 当前块是否触底；匹配横坐标，给出当前块的底坐
标；求当前块距离底部的最短距离。等等。

开发helper函数的目的，是为了使程序整体流程清晰。保障整体清晰的方法之一，
是要求每个函数内容不得超过一屏。如果超过了，就需要折解 出 helper 函数。
在主流程中调用 helper 函数，而把helper函数体移出主流程，这样主流程代码长
度就下降了。这和小学写作文的时候，老师要求先拉大纲是一个道理。经常有同学
说，在开发过程中 会发现新的功能，在开发遇到新的技术，没有做原型的，因此
难以把握大纲。这都说明把握大纲和做计划的能力还差，需要通过练习来训练。这
和小学 生写着写着作文发现需要查字典，或者写跑题了，是一个道理。我们的成
长并非认识的字多了，而是能预见到将会用到哪些字 (甚至表达手法、写作素材)。

此外，在面向对象中，有些的函数会成为game (或者 current block 或者 exist
block )的成员函数。这在开发中会认识到，如果它们与数据能内聚在一个类中，
该是多么方便，因此了解面向对象的在信息隐藏方面的优势。这些函数应归属于哪
个类， 是由哪个类承担这个责任决定的。

5.2 已存在块

已存在块中包括以下数据结构：块的长度 (事实上，是块的长度*2，代码中以横坐
标和纵坐标作为两个数组元素) ，已存在块数组。如下。

int exist_block_size=0;
int exist_block[(maxx+1)*(maxy+1)];

这种数据结构，及当前块的数据结构，把横纵坐标无差别地，不以结构体地方式放
在数组中，在后续开发中带来了麻烦。不过由于课程时间有限，后 来，我未对此
做出修改。应该逐渐演化程序结构，形成以元素作为结构体的数组。再开发出一些
helper甚至成员函数，遍历时以俄罗斯方块元素 为单位，而不是当前代码中的以
数组元素为单位。

对已存在块数据结构操作的函数之一是 stick，用于在当前块触底 (或触及已存在
块)时，把当前块中的元素移到已存在块中。

有不少helper函数，基本都是通过遍历 exist_block，按匹配条件读其中的坐标。
包括：匹配横坐标，给出已存在块的顶坐标 int get_exist_block_top(int x)。


5.3 键盘操作 & 动作序列

玩家操作块这一操作，由键盘消息响应开始。我们不在键盘响应中处理这一事件，
而是只在这里记住这个动作，加入动作序列中。这是后来的版本。最 初的版本，
我们也不在键盘响应中处理事件，而是调用 block.cpp 中的函数。原则是：凡依
赖win32api的，放在 tetris.cpp 中，如 timer, 键盘响应，绘图；凡是与业务逻
辑有关，平台无关的，放在 block.cpp 中。接收向上箭头，是键盘响应，平台相
关，所以放在 tetris.cpp 中；此时调用的 rotate，用于改变当前块的类型或坐
标，平台无关，所以放在 block.cpp 中。

动作序列的数据结构如下。在动作序列数组buffer_action_seq中，数组动作元素
(动作) 的类型是 枚举 action。

enum action{ action_left=1, action_right=2, action_speed_down=3,
action_rotate=4, action_down_auto=5, action_na=0};
action buffer_action_seq[action_size]={action_na};
int buffer_action_cursor = 0;

由玩家触发键盘消息开始，流程如下。

1）键盘消息响应：

buffer_action_seq[buffer_action_cursor++] = action_rotate;在动作序列中加
入一个动作。这对应于设计模式中的 commander 模式要解决的问题。

2）在timer中自动下降

timer中 buffer_action_seq[buffer_action_cursor++] = action_down_auto; 在
动作序列中加入一个动作。

3）在timer中触发WM_PAINT

timer 中 InvalidateRect 触发 WM_PAINT

4）WM_PAINT中执行动作序列

erase_old_block_seq(hdc);

erase_old_block_seq (hdc) 遍历动作序列，按每个动作改变当前块坐标，然后擦
除由于动作产生的旧块。遍历动作序列以后，就完成了自上个 timer 周期以来所
有的动作，擦除了这期间产生的所有旧块。

void erase_old_block_seq(HDC hdc) 片断如下：
for (i = 0; i < buffer_action_cursor; i++)
{
switch (buffer_action_seq[i])
{
case action_left:
move_left();
erase_old_block(hdc);
break;


在序列里的每个动作中，move_left 改坐标， erase_old_block(hdc) 擦除旧块.

5）WM_PAINT画新的当前块和已存在块

draw_current_block(hdc);
draw_exist_block(hdc);

因为重绘比计算花费的时间要多，作为性能优化，如果当前块与旧块坐标完全相
同，不重画。

另，另一个版本的动作序列，不使用枚举和swtich-case，通过把函数作为消息传
递给责任者，实现disptach：

void (*next_action)() = move_still;
next_action = move_left

其中 move_left是一个函数。next_action这样的元素 (类型是函数) 组成一个数
组，作为动作序列。执行动作序列时，用下面这样的代码：

while ( next_action++ != action_termination )
next_action;

由于 next_action 既是函数，也是数组元素的指针，因此上述代码不是伪代码，
而是可以执行的。这类似于 jump table 技术，数组元素的类型函数，可以遍历数
组，执行元素对应的函数。

5.4 删除一行 & 计分数

每个 timer 中，都调用 void kill_all_full_lines()。它遍历 exist block，凡
符合满行条件的，调用 kill_block_in_line 删除该行，调用
move_exist_block_down_line 把该行以上的 exist_block 下降一行。

这三个 helper 函数都是通过遍历 exist block 中的每个元素，匹配坐标条件，
然后删除数组元素或者改变数组元素的值。如前所述，由于 exist block 封装中
未使用 俄罗斯方块元素，所以这些遍历都写得非常丑陋。

删除一行以后，累积删除的行数。全删以后，根据删除的行数进行 switch-case，
向全局变量 score 累加分数。在下个timer中，把 score 用 textout 输出到工作区。

6. 回顾和检讨

6.1 数据结构，封装，循环条件

由于最初的 (也是最终的)数据结构设计偷了懒，后来又没有足够的时间修改，此
前已经提及两次，exist block的结构过于贴近平台，而远离需求。exist block的
颗粒度太低，是以 int 为类型的 数组元素，对应于需求中的 俄罗斯方块元素 中
的横纵坐标之一。某个数组元素到底是横坐标还是纵坐标，到底是第几个俄罗斯方
块元素，这些都需要由代码实现。这样，按需求写helper函数的时候，遍 历的元
素选取、终止条件，都遇到了麻烦。我在课堂上写作时需要考虑，有时还会错。经
验说明，当我需要仔细考虑，或者讲述时间较长时，学生听懂 可能已经有相当难
度了。终止条件错误的bug，在代码中存在两三处，导致在 exist block够多时，
即游戏进行一段时间，工作区中会出现莫名其妙的俄罗斯方块元素。这个bug在最
后阶段才解决。

这个故事告诉我们，设计不好，对编码实现的难度要求就会提高。战略失误，战役
和战斗就不容易打。领导决策肤浅，要求下属跑死，结果也是白扯。 道理都是一
样的。

6.2 不要对付过去

在开发中间的某堂课，我们发现当前块移动时后面留了尾迹，擦得不干净。这些那
堂课快结束了。为了能让学生在课后重复我课堂上的工作，所以我" 对付"了代
码，由局部刷新改为刷新整个工作区，包括背景。这样尾迹表面上清除掉了。

之后，延续了这段"对付"的代码。直到期末将至，我才发现这段"对付"掩盖了另一
些bug，坐标移动的bug导致除非刷新整个工作区就有尾 迹。这个bug在最后阶段才
解决。

6.3 并行，timer

有文章指出，初学者非常不容易理解的程序概念包括：赋值、递归和迭代、并行。
本程序中有几个埋得比较深的bug，是由于我对并行没有足够警惕 造成的。

timer, 键盘响应，WM_PAINT会并行发生。当其中一个未处理完的时候，另一个可
能就开始执行；甚至timer未处理完的时候，另一个timer也可能会开 始。而这些
并行的代码，都调用了 block.cpp。比如有时导致其中一个正改坐标尚未完成，另
一个开始刷新工作区，这样工作区里就出现个元素，位置是乱七八糟的。

并行的处理，需要 原子操作、进程间通信、避免重入 等概念。上述提到的动作序
列，目的之一就是希望擦除旧的当前块这一动作只在 timer 中发生。

在本课程中，应该不期待学生具备这些操作系统中的知识。不过我还没有想到该如
何设计才能规避这些知识。不过我猜应该类似于不用线程也能设计出 贪吃蛇，应
该有依赖更浅显知识的设计手段，比如单纯轮询，而不用事件响应、消息循环。有
哪位知道，请赐教，谢谢。

6.4 猜想后，应该先验证，然后再修改

学生们通常把验证猜想和实施解决归约成了一步，我也经常如此。下文中的他们，
包括我。

他们观察到问题，然后做出猜想。这是正常步骤。

但是他们不以实验验证猜想是正确的，急急按猜想修改代码。如果问题消失了，
好，他们假设抓住了问题的原因；如果问题还在，就再做个猜想，然后 又马上修
改。甚至更糟糕，没有退回到上一步的起点，就在当前工作代码上"继续"修改，让
各个猜想累加起来，最终问题解决的时候甚至不知道是什 么原因。

应该先设计实验，按猜想的模型，如果怎样就会怎样。验证猜想以后，再去解决。
比如假设由于 timer 和 keyboard事件响应 同步导致画图混乱，那么，不应该着
争写进程通信，而是 应该先选用简单粗暴的手段 去除同步，以更大的颗粒度作为
原子操作，验证猜想。如果猜想正确，现象应该有所改变。虽然影响性能和效果，
但这并不是准备最终采用的代码，只是用来验证猜 想的。当猜想验证以后，再去
想效果更好的方案真正解决，比如建立个变量作为信号灯。

6.5 不要轻易更换技术方案，试图绕过问题

这个方面，我最初是发现计算机本科的同学倾向强烈。经常有方案，明明再向前一
步就能解决，他们却在此时换了方案。问为什么。答：因为这个技术 解决不了这
个问题。

确定"不"是极其困难的，甚至比确定"能"要难上很多。你不能，并非就能确定这个
方案不能。

需要充分了解你所使用的技术，对它能够完成的任务有足够和明确的自信。同时，
对用来替换的方案能解决何种问题，也应该明确。做原型验证，根据 理论推论，
这些都是解决之道。见到工具，拿来就用，偏听偏信别人的评论，就太草率了；一
旦发现并非万能良药，转身就去寻找就的手段，这就更草 率了。

6.6 版本控制

为了让学生能看到开发的过程，我上课时用文件系统做了版本控制，每次课一个目
录，有时压缩成zip。课程结束以后，一个版本一个版本加入 git，然后commit，
操作了两个小时(？)，其间又担心整错了，苦不堪言。

下次一定要从最开始就做版本控制。还要在 commit 前把 debug, pch, sdf 等二
进制垃圾手动删除。

7. 附件

附件是以git版本控制的代码及日志，在这里[http://download.csdn.net/detail
/younggift /7499881]。

protype下是技术原型。

tetris下的是俄罗斯方块项目本身。早先的版本是VS2010的，最后一天的是VS2012
的。你可以仅代码部分添加进win32工程， 以适应你的VS版本，或者dev c++版本。

log0.txt是课堂上的日志。log1.txt是最后一天前期的日志。log2.doc是最后一天
后期的日志，因为需要截图，所以改成用 word。

pic.bmp是图片，用来说明定义的。

branch是一个分支，我忘了它是否加入了 trunk，留在那里备用，以防遗漏。

--------------------

博客会手工同步到以下地址：

[http://giftdotyoung.blogspot.com]

[http://blog.csdn.net/younggift]