我终于学会了黑客帝国里的矩阵雨
相信大家都对黑客帝国电影里的矩阵雨印象非常深刻，就是下面这个效果。
效果非常酷炫，我看了一下相关实现库的代码，也非常简单，核心就是用好命令行的控制字符，这里分享一下。
在 matrix-rain 的源代码中，总共只有两个文件，ansi.js 和 index.js，非常小巧。
控制字符和控制序列
ansi.js 中定义了一些命令行的操作方法，也就是对控制字符做了一些方法封装，代码如下：
const ctlEsc = `\x1b[`;
const ansi = {
reset: () => `${ctlEsc}c`,
clearScreen: () => `${ctlEsc}2J`,
cursorHome: () => `${ctlEsc}H`,
cursorPos: (row, col) => `${ctlEsc}${row};${col}H`,
cursorVisible: () => `${ctlEsc}?25h`,
cursorInvisible: () => `${ctlEsc}?25l`,
useAltBuffer: () => `${ctlEsc}?47h`,
useNormalBuffer: () => `${ctlEsc}?47l`,
underline: () => `${ctlEsc}4m`,
off: () => `${ctlEsc}0m`,
bold: () => `${ctlEsc}1m`,
color: c => `${ctlEsc}${c};1m`,
colors: {
fgRgb: (r, g, b) => `${ctlEsc}38;2;${r};${g};${b}m`,
bgRgb: (r, g, b) => `${ctlEsc}48;2;${r};${g};${b}m`,
fgBlack: () => ansi.color(`30`),
fgRed: () => ansi.color(`31`),
fgGreen: () => ansi.color(`32`),
fgYellow: () => ansi.color(`33`),
fgBlue: () => ansi.color(`34`),
fgMagenta: () => ansi.color(`35`),
fgCyan: () => ansi.color(`36`),
fgWhite: () => ansi.color(`37`),
bgBlack: () => ansi.color(`40`),
bgRed: () => ansi.color(`41`),
bgGreen: () => ansi.color(`42`),
bgYellow: () => ansi.color(`43`),
bgBlue: () => ansi.color(`44`),
bgMagenta: () => ansi.color(`45`),
bgCyan: () => ansi.color(`46`),
bgWhite: () => ansi.color(`47`),
},
};
module.exports = ansi;
这里面 ansi 对象上的每一个方法不做过多解释了。我们看到，每个方法都是返回一个奇怪的字符串，通过这些字符串可以改变命令行的显示效果。
这些字符串其实是一个个控制字符组成的控制序列。那什么是控制字符呢？我们应该都知道 ASC 字符集，这个字符集里面除了定义了一些可见字符以外，还有很多不可见的字符，就是控制字符。这些控制字符可以控制打印机、命令行等设备的显示和动作。
有两个控制字符集，分别是 CO 字符集和 C1 字符集。C0 字符集是 0x00 到 0x1F 这两个十六进制数范围内的字符，而 C1 字符集是 0x80 到 0x9F 这两个十六进制数范围内的字符。C0 和 C1 字符集内的字符和对应的功能可以在这里查到，我们不做详细描述了。
上面代码中，\x1b[ 其实是一个组合，\x1b 定义了 ESC 键，后跟 [ 表示这是一个控制序列导入器（Control Sequence Introducer，CSI）。在 \x1b[ 后面的所有字符都会被命令行解析为控制字符。
常用的控制序列有这些：
| 序列 | 功能 |
|---|---|
| CSI n A | 向上移动 n（默认为 1） 个单元 |
| CSI n A | 向下移动 n（默认为 1） 个单元 |
| CSI n C | 向前移动 n（默认为 1） 个单元 |
| CSI n D | 向后移动 n（默认为 1） 个单元 |
| CSI n E | 将光标移动到 n（默认为 1） 行的下一行行首 |
| CSI n F | 将光标移动到 n（默认为 1） 行的前一行行首 |
| CSI n G | 将光标移动到当前行的第 n（默认为 1）列 |
CSI n ; m H |
移动光标到指定位置，第 n 行，第 m 列。n 和 m 默认为 1，即 CSI ;5H 与 CSI 1;5H 等同。 |
| CSI n J | 清空屏幕。如果 n 为 0（或不指定），则从光标位置开始清空到屏幕末尾；如果 n 为 1，则从光标位置清空到屏幕开头；如果 n 为 2，则清空整个屏幕；如果 n 为 3，则不仅清空整个屏幕，同时还清空滚动缓存。 |
| CSI n K | 清空行，如果 n 为 0（或不指定），则从光标位置清空到行尾；如果 n 为 1，则从光标位置清空到行头；如果 n 为 2，则清空整行，光标位置不变。 |
| CSI n S | 向上滚动 n （默认为 1）行 |
| CSI n T | 向下滚动 n （默认为 1）行 |
| CSI n ; m f | 与 CSI n ; m H 功能相同 |
| CSI n m | 设置显示效果，如 CSI 1 m 表示设置粗体，CSI 4 m 为添加下划线。 |
我们可以通过 CSI n m 控制序列来控制显示效果，在设置一种显示以后，后续字符都会沿用这种效果，直到我们改变了显示效果。可以通过 CSI 0 m 来清楚显示效果。常见的显示效果可以在SGR (Select Graphic Rendition) parameters 查到，这里受篇幅限制就不做赘述了。
上面的代码中，还定义了一些颜色，我们看到颜色的定义都是一些数字，其实每一个数字都对应一种颜色，这里列一下常见的颜色。
| 前景色 | 背景色 | 名称 | 前景色 | 背景色 | 名称 |
|---|---|---|---|---|---|
| 30 | 40 | 黑色 | 90 | 100 | 亮黑色 |
| 31 | 41 | 红色 | 91 | 101 | 亮红色 |
| 32 | 42 | 绿色 | 92 | 102 | 亮绿色 |
| 33 | 43 | 黄色 | 93 | 103 | 亮黄色 |
| 34 | 44 | 蓝色 | 94 | 104 | 亮蓝色 |
| 35 | 45 | 品红色（Magenta） | 95 | 105 | 亮品红色（Magenta） |
| 36 | 46 | 青色（Cyan） | 96 | 106 | 亮青色（Cyan） |
| 37 | 47 | 白色 | 97 | 107 | 亮白色 |
上面的代码中，使用了 CSI n;1m 的形式来定义颜色，其实是两种效果的，一个是具体颜色值，一个是加粗，一些命令行实现中会使用加粗效果来定义亮色。比如，如果直接定义 CSI 32 m 可能最终展示的是暗绿色，我们改成 CSI 32;1m 则将显示亮绿色。
颜色支持多种格式，上面的是 3-bit 和 4-bit 格式，同时还有 8-bit 和 24-bit。代码中也有使用样例，这里不再赘述了。
矩阵渲染
在 matrix-rain 的代码中，index.js 里的核心功能是 MatrixRain 这个类：
class MatrixRain {
constructor(opts) {
this.transpose = opts.direction === `h`;
this.color = opts.color;
this.charRange = opts.charRange;
this.maxSpeed = 20;
this.colDroplets = [];
this.numCols = 0;
this.numRows = 0;
// handle reading from file
if (opts.filePath) {
if (!fs.existsSync(opts.filePath)) {
throw new Error(`${opts.filePath} doesn't exist`);
}
this.fileChars = fs.readFileSync(opts.filePath, `utf-8`).trim().split(``);
this.filePos = 0;
this.charRange = `file`;
}
}
generateChars(len, charRange) {
// by default charRange == ascii
let chars = new Array(len);
if (charRange === `ascii`) {
for (let i = 0; i < len; i++) {
chars[i] = String.fromCharCode(rand(0x21, 0x7E));
}
} else if (charRange === `braille`) {
for (let i = 0; i < len; i++) {
chars[i] = String.fromCharCode(rand(0x2840, 0x28ff));
}
} else if (charRange === `katakana`) {
for (let i = 0; i < len; i++) {
chars[i] = String.fromCharCode(rand(0x30a0, 0x30ff));
}
} else if (charRange === `emoji`) {
// emojis are two character widths, so use a prefix
const emojiPrefix = String.fromCharCode(0xd83d);
for (let i = 0; i < len; i++) {
chars[i] = emojiPrefix + String.fromCharCode(rand(0xde01, 0xde4a));
}
} else if (charRange === `file`) {
for (let i = 0; i < len; i++, this.filePos++) {
this.filePos = this.filePos < this.fileChars.length ? this.filePos : 0;
chars[i] = this.fileChars[this.filePos];
}
}
return chars;
}
makeDroplet(col) {
return {
col,
alive: 0,
curRow: rand(0, this.numRows),
height: rand(this.numRows / 2, this.numRows),
speed: rand(1, this.maxSpeed),
chars: this.generateChars(this.numRows, this.charRange),
};
}
resizeDroplets() {
[this.numCols, this.numRows] = process.stdout.getWindowSize();
// transpose for direction
if (this.transpose) {
[this.numCols, this.numRows] = [this.numRows, this.numCols];
}
// Create droplets per column
// add/remove droplets to match column size
if (this.numCols > this.colDroplets.length) {
for (let col = this.colDroplets.length; col < this.numCols; ++col) {
// make two droplets per row that start in random positions
this.colDroplets.push([this.makeDroplet(col), this.makeDroplet(col)]);
}
} else {
this.colDroplets.splice(this.numCols, this.colDroplets.length - this.numCols);
}
}
writeAt(row, col, str, color) {
// Only output if in viewport
if (row >=0 && row < this.numRows && col >=0 && col < this.numCols) {
const pos = this.transpose ? ansi.cursorPos(col, row) : ansi.cursorPos(row, col);
write(`${pos}${color || ``}${str || ``}`);
}
}
renderFrame() {
const ansiColor = ansi.colors[`fg${this.color.charAt(0).toUpperCase()}${this.color.substr(1)}`]();
for (const droplets of this.colDroplets) {
for (const droplet of droplets) {
const {curRow, col: curCol, height} = droplet;
droplet.alive++;
if (droplet.alive % droplet.speed === 0) {
this.writeAt(curRow - 1, curCol, droplet.chars[curRow - 1], ansiColor);
this.writeAt(curRow, curCol, droplet.chars[curRow], ansi.colors.fgWhite());
this.writeAt(curRow - height, curCol, ` `);
droplet.curRow++;
}
if (curRow - height > this.numRows) {
// reset droplet
Object.assign(droplet, this.makeDroplet(droplet.col), {curRow: 0});
}
}
}
flush();
}
}
还有几个工具方法：
// Simple string stream buffer + stdout flush at once
let outBuffer = [];
function write(chars) {
return outBuffer.push(chars);
}
function flush() {
process.stdout.write(outBuffer.join(``));
return outBuffer = [];
}
function rand(start, end) {
return start + Math.floor(Math.random() * (end - start));
}
matrix-rain 的启动代码如下：
const args = argParser.parseArgs();
const matrixRain = new MatrixRain(args);
function start() {
if (!process.stdout.isTTY) {
console.error(`Error: Output is not a text terminal`);
process.exit(1);
}
// clear terminal and use alt buffer
process.stdin.setRawMode(true);
write(ansi.useAltBuffer());
write(ansi.cursorInvisible());
write(ansi.colors.bgBlack());
write(ansi.colors.fgBlack());
write(ansi.clearScreen());
flush();
matrixRain.resizeDroplets();
}
function stop() {
write(ansi.cursorVisible());
write(ansi.clearScreen());
write(ansi.cursorHome());
write(ansi.useNormalBuffer());
flush();
process.exit();
}
process.on(`SIGINT`, () => stop());
process.stdin.on(`data`, () => stop());
process.stdout.on(`resize`, () => matrixRain.resizeDroplets());
setInterval(() => matrixRain.renderFrame(), 16); // 60FPS
start();
首先初始化一个 MatrixRain 类，然后调用 start 方法。start 方法中通过 MatrixRain 的 resizeDroplets 方法来初始化要显示的内容。
MatrixRain 类实例中管理着一个 colDroplets 数组，保存这每一列的雨滴。在 resizeDroplets 中我们可以看到，每一列有两个雨滴。
在启动代码中我们还可以看到，每隔 16 毫秒会调用一次 renderFrame 方法来绘制页面。而 renderFrame 方法中，会遍历每一个 colDroplet 中的每一个雨滴。由于每一个雨滴的初始位置和速度都是随机的，通过 droplet.alive 和 droplet.speed 的比值来确定每一次渲染的时候是否更新这个雨滴位置，从而达到每个雨滴的下落参差不齐的效果。当雨滴已经移出屏幕可视范围后会被重置。
每一次渲染，都是通过 write 函数向全局的缓存中写入数据，之后通过 flush 函数一把更新。
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