第 4 章：游戏逻辑与状态管理
4.1 游戏循环与帧率控制
4.1.1 游戏循环的核心作用
游戏循环是游戏程序的核心部分，它持续不断地运行，负责更新游戏世界的状态、处理用户输入、绘制游戏画面等关键任务。在 Pygame 中，通常使用一个while循环来构建游戏循环，正如前面章节中所见的基本结构：
running = True
while running:
for event in pygame.event.get():
if event.type == pygame.QUIT:
running = False
# 游戏逻辑更新
# 绘制游戏画面
pygame.display.flip()
在这个循环中，首先通过pygame.event.get()获取并处理用户输入事件。然后，进行游戏逻辑的更新，例如移动游戏角色、更新物体的位置和状态等。最后，使用pygame.display.flip()更新屏幕显示，将最新的游戏画面呈现给玩家。
4.1.2 帧率控制的重要性
帧率（Frames Per Second，FPS）是指游戏每秒绘制的帧数。稳定且合适的帧率对于游戏的流畅度和用户体验至关重要。如果帧率过低，游戏会显得卡顿，操作不流畅，影响玩家的游戏感受；而帧率过高，可能会导致硬件资源过度消耗，特别是在移动设备或性能较低的计算机上。
在 Pygame 中，可以使用pygame.time.Clock类来控制帧率。pygame.time.Clock提供了一个简单的方法来跟踪时间和限制帧率。
4.1.3 使用pygame.time.Clock控制帧率
pygame.time.Clock类的主要方法是tick()，它用于控制循环的速度，使得循环每秒最多执行指定的次数。例如，要将帧率限制为 60 帧每秒，可以这样使用：
import pygame
pygame.init()
screen = pygame.display.set_mode((800, 600))
pygame.display.set_caption("FPS Control")
clock = pygame.time.Clock()
running = True
while running:
for event in pygame.event.get():
if event.type == pygame.QUIT:
running = False
# 游戏逻辑更新
# 绘制游戏画面
pygame.display.flip()
# 将帧率限制为60帧每秒
clock.tick(60)
pygame.quit()
在这段代码中，clock.tick(60)会计算从上一次调用tick()到现在经过的时间，并根据需要延迟循环，以确保循环每秒执行 60 次，从而实现 60 帧每秒的帧率。
tick()方法还可以返回一个值，表示从上一次调用tick()到现在经过的毫秒数。这在一些需要精确计算时间的游戏逻辑中非常有用，例如根据时间来计算物体的移动距离。
4.2 游戏状态管理
4.2.1 游戏状态的概念
游戏通常包含多个不同的状态，例如菜单状态、游戏进行中状态、暂停状态、游戏结束状态等。每个状态都有其特定的行为和显示内容。有效地管理游戏状态可以使游戏的逻辑更加清晰，易于维护和扩展。
4.2.2 使用枚举或常量表示游戏状态
在 Python 中，可以使用枚举（enum模块）或简单的常量来表示不同的游戏状态。例如，使用常量来表示游戏的三种基本状态：
MENU_STATE = 0
GAMEPLAY_STATE = 1
GAME_OVER_STATE = 2
或者使用enum模块来创建更具可读性和类型安全性的枚举：
from enum import Enum
class GameState(Enum):
MENU = 0
GAMEPLAY = 1
GAME_OVER = 2
4.2.3 状态机实现游戏状态管理
状态机是一种常用的设计模式，用于管理游戏状态的转换和行为。在 Pygame 中，可以通过一个主循环和条件判断来实现简单的状态机。例如：
import pygame
pygame.init()
screen = pygame.display.set_mode((800, 600))
pygame.display.set_caption("Game State Management")
# 使用常量表示游戏状态
MENU_STATE = 0
GAMEPLAY_STATE = 1
GAME_OVER_STATE = 2
current_state = MENU_STATE
clock = pygame.time.Clock()
running = True
while running:
for event in pygame.event.get():
if event.type == pygame.QUIT:
running = False
if current_state == MENU_STATE:
if event.type == pygame.MOUSEBUTTONDOWN:
# 检测菜单中的“开始游戏”按钮点击
# 这里假设点击屏幕中心位置为开始游戏
mouse_x, mouse_y = event.pos
if 350 < mouse_x < 450 and 250 < mouse_y < 350:
current_state = GAMEPLAY_STATE
elif current_state == GAMEPLAY_STATE:
# 游戏进行中的逻辑和事件处理
if event.type == pygame.KEYDOWN:
if event.key == pygame.K_ESCAPE:
current_state = MENU_STATE
elif current_state == GAME_OVER_STATE:
if event.type == pygame.MOUSEBUTTONDOWN:
# 检测游戏结束界面中的“重新开始”按钮点击
# 这里假设点击屏幕中心位置为重新开始
mouse_x, mouse_y = event.pos
if 350 < mouse_x < 450 and 250 < mouse_y < 350:
current_state = GAMEPLAY_STATE
if current_state == MENU_STATE:
screen.fill((0, 0, 0))
font = pygame.font.Font(None, 50)
text = font.render("Click to Start", True, (255, 255, 255))
screen.blit(text, (350, 250))
elif current_state == GAMEPLAY_STATE:
screen.fill((0, 255, 0))
# 游戏进行中的绘制逻辑
elif current_state == GAME_OVER_STATE:
screen.fill((255, 0, 0))
font = pygame.font.Font(None, 50)
text = font.render("Game Over. Click to Restart", True, (255, 255, 255))
screen.blit(text, (300, 250))
pygame.display.flip()
clock.tick(60)
pygame.quit()
在这个示例中，根据current_state的值来处理不同状态下的事件和绘制相应的画面。当用户在菜单状态下点击特定区域时，游戏状态切换到游戏进行中；在游戏进行中按下Esc键时，切换回菜单状态；在游戏结束状态下点击特定区域时，重新开始游戏。
4.3 核心游戏逻辑实现
4.3.1 角色移动
在游戏中，角色移动是常见的核心逻辑之一。以一个简单的 2D 平台游戏为例，通过键盘事件来控制角色的左右移动和跳跃。假设角色是一个矩形，可以使用pygame.Rect来表示角色的位置和大小。
import pygame
pygame.init()
screen = pygame.display.set_mode((800, 600))
pygame.display.set_caption("Character Movement")
# 定义角色的初始位置和速度
character_rect = pygame.Rect(100, 400, 50, 50)
x_velocity = 0
y_velocity = 0
gravity = 0.5
clock = pygame.time.Clock()
running = True
while running:
for event in pygame.event.get():
if event.type == pygame.QUIT:
running = False
elif event.type == pygame.KEYDOWN:
if event.key == pygame.K_LEFT:
x_velocity = -5
elif event.key == pygame.K_RIGHT:
x_velocity = 5
elif event.key == pygame.K_UP:
y_velocity = -10
elif event.type == pygame.KEYUP:
if event.key in [pygame.K_LEFT, pygame.K_RIGHT]:
x_velocity = 0
# 应用重力
y_velocity += gravity
character_rect.y += y_velocity
# 限制角色在屏幕内
if character_rect.left < 0:
character_rect.left = 0
elif character_rect.right > 800:
character_rect.right = 800
if character_rect.bottom > 600:
character_rect.bottom = 600
y_velocity = 0
# 水平移动
character_rect.x += x_velocity
screen.fill((0, 0, 0))
pygame.draw.rect(screen, (255, 255, 255), character_rect)
pygame.display.flip()
clock.tick(60)
pygame.quit()
在这段代码中，通过KEYDOWN和KEYUP事件来改变角色的水平和垂直速度。利用重力原理，在每一帧中增加角色的垂直速度，从而实现自然的下落效果。同时，对角色的位置进行边界检测，确保角色不会超出屏幕范围。
4.3.2 碰撞检测
碰撞检测是游戏逻辑中另一个重要的部分，用于检测游戏中的物体是否发生碰撞。在 Pygame 中，可以使用Rect对象的colliderect()或collidepoint()方法来进行简单的矩形碰撞检测。例如，检测角色与障碍物之间的碰撞：
import pygame
pygame.init()
screen = pygame.display.set_mode((800, 600))
pygame.display.set_caption("Collision Detection")
# 定义角色和障碍物的矩形
character_rect = pygame.Rect(100, 400, 50, 50)
obstacle_rect = pygame.Rect(300, 450, 100, 50)
x_velocity = 0
y_velocity = 0
gravity = 0.5
clock = pygame.time.Clock()
running = True
while running:
for event in pygame.event.get():
if event.type == pygame.QUIT:
running = False
elif event.type == pygame.KEYDOWN:
if event.key == pygame.K_LEFT:
x_velocity = -5
elif event.key == pygame.K_RIGHT:
x_velocity = 5
elif event.key == pygame.K_UP:
y_velocity = -10
elif event.type == pygame.KEYUP:
if event.key in [pygame.K_LEFT, pygame.K_RIGHT]:
x_velocity = 0
# 应用重力
y_velocity += gravity
character_rect.y += y_velocity
# 检测与障碍物的碰撞
if character_rect.colliderect(obstacle_rect):
if y_velocity > 0:
character_rect.bottom = obstacle_rect.top
y_velocity = 0
# 限制角色在屏幕内
if character_rect.left < 0:
character_rect.left = 0
elif character_rect.right > 800:
character_rect.right = 800
if character_rect.bottom > 600:
character_rect.bottom = 600
y_velocity = 0
# 水平移动
character_rect.x += x_velocity
screen.fill((0, 0, 0))
pygame.draw.rect(screen, (255, 255, 255), character_rect)
pygame.draw.rect(screen, (0, 255, 0), obstacle_rect)
pygame.display.flip()
clock.tick(60)
pygame.quit()
在这个示例中，当角色的矩形与障碍物的矩形发生碰撞时，根据角色的移动方向来调整角色的位置，实现简单的碰撞处理。
通过本章的学习，我们掌握了游戏循环与帧率控制的方法，学会了如何管理游戏状态以及实现核心的游戏逻辑，如角色移动和碰撞检测。这些知识是构建完整游戏的重要基础，在后续的章节中，我们将进一步探索如何优化和扩展这些功能，打造更加丰富和有趣的游戏。