Python制作AI贪吃蛇

　　前提：本文实现AI贪吃蛇自行对战，加上人机对战，文章末尾附上源代码以及各位大佬的链接，还有一些实现步骤，读者可再次基础上自行添加电脑VS电脑和玩家VS玩家（其实把人机对战写完，这2个都没什么了，思路都一样）

　　大佬Coco2d制作：http://www.waitingfy.com/html5/snake/

　　实现效果：

               

 

　　具体功能：

　　　　　　1.智能模式：电脑自己玩（自己吃食物）

　　　　　　2.人机对战：电脑和人操作（在上步的基础上加一个键盘控制的贪吃蛇即可）

　　实现环境：

　　　　　　Pycharm + Python3.6 + Curses + Win10

　　

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　　具体过程：

　　　　　　一：配置环境：

　　　　　　　　Curses: 参考链接 (Cp后面代表本地Python环境，别下错了)

 　　　　　 　　 (Stackoverflow 真的是个非常好的地方) 

　　　　　　二：

　　　　　　　　1.灵感来源+参考链接：

　　　　　　　　　　http://www.hawstein.com/posts/snake-ai.html （Chrome有时候打不开，Firefox可以打开）

　　　　　　　　　　网上基本都是这篇博客的转载（本人和通过Wechat和该大佬取得了联系[此人超级厉害]）

　　　　　　　　　　https://blog.csdn.net/fox64194167/article/details/19965069 （这个就更厉害了，Coco2d制作：分为人机对战，AI模式，AI打AI，人人对战）

　　　　　　　　2.算法思路：

　　　　　　　　　　A*算法：https://www.cnblogs.com/21207-iHome/p/6048969.html（本人之前接触过，当时讲课老师说是自动寻路算法，我感觉和BFS+DFS一样，结果没想到居然是A*算法）

　　　　　　　　　　BFS+DFS(略)

　　　　　　　　　　第一步是能制作一个基本的贪吃蛇，熟悉Curses的相关环境(最好别对蛇和食物使用特殊字符，在windows环境下会导致像素延迟，非常丑)

　　　　　　　　　　

#curses官方手册：https://docs.python.org/3.5/library/curses.html#module-curses
#curses参考手册：https://blog.csdn.net/chenxiaohua/article/details/2099304

　　　　　　　　　　具体思路：

　　　　　　　　　　　　熟悉Curses中相关指令后基本就没什么了，保证按的下一个键不导致蛇死亡，保证蛇吃食物后食物不在蛇身上，保证蛇碰到自己和边框就死亡,如果按其他键，会导致头被插入2次，从而让蛇死亡。(具体见代码分析)

#!/usr/bin/env python 
# -*- coding: utf-8 -*- 
# @Time : 2018/11/5 17:08 
# @Author : Empirefree 
# @File : 贪吃蛇-01.py 
# @Software: PyCharm Community Edition

#curses官方手册：https://docs.python.org/3.5/library/curses.html#module-curses
#curses参考手册：https://blog.csdn.net/chenxiaohua/article/details/2099304

# 基本思路：while循环,让蛇一直右走（直到按键,如果按了其他键就会导致蛇头被重复插入1次到snake中，
# 继而第二次循环就会退出）,蛇是每次自动增长，但是每次没吃到食物就会pop尾部(snake放在dict中，类似链表),按键检查就是只能按方向键
# 按方向键也存在判别是否出错（按了up后又按down）,然后对于死亡情况就是碰到周围和自己

# 1.蛇的移动和吃食物后的变化
# 2.按键:按其他键和方向键
# 3.死亡判断

import curses
import random

# 开启curses
def Init_Curse():
    global s
    s = curses.initscr()
    curses.curs_set(0)      #能见度光标,写错了哇
    curses.noecho()
    curses.cbreak()          #立即得到响应
    s.keypad(True)          #特殊处理键位，返回KEY_LEFT

#关闭并回到终端
def Exit_Curse():
    curses.echo()
    curses.nocbreak()
    s.keypad(False)
    curses.endwin()

def Start_Game():
    # 窗口化操作
    y, x = s.getmaxyx()  # curses中是y,x
    w = curses.newwin(y, x, 0, 0)
    w.keypad(1)
    w.timeout(100)

    # 初始化蛇的位置,并用dict存储
    snake_x = int(x / 4)
    snake_y = int(y / 2)
    snake = [[snake_y, snake_x], [snake_y, snake_x - 1], [snake_y, snake_x - 2]]

    # 初始化食物
    food_pos = [int(y / 2), int(x / 2)]
    w.addch(food_pos[0], food_pos[1], '@')  # 用@显示食物字元

    key = curses.KEY_RIGHT  # 得到右方向键

    # 开始,为什么我感觉True比1看的爽一些
    while True:
        next_key = w.getch()  # 等待输入，传回整数
        print(next_key, 'QAQ')
        # 防止Error
        if next_key != -1:
            if key == curses.KEY_RIGHT and next_key != curses.KEY_LEFT \
                    or key == curses.KEY_LEFT and next_key != curses.KEY_RIGHT \
                    or key == curses.KEY_DOWN and next_key != curses.KEY_UP \
                    or key == curses.KEY_UP and next_key != curses.KEY_DOWN:
                key = next_key

        # 蛇死亡, 当蛇头碰到蛇身或墙壁
        if snake[0][0] in [0, y] or snake[0][1] in [0, x] or snake[0] in snake[1:]:
            # print(snake[0], snake[1]) 按下其他键就会导致,new_head被插入2次，从而退出
            curses.endwin()
            print('!!!游戏结束!!!')
            quit()

        #按键移动
        tempy = snake[0][0]
        tempx = snake[0][1]
        new_head = [tempy, tempx]
        if key == curses.KEY_RIGHT:
            new_head[1] += 1
        elif key == curses.KEY_LEFT:
            new_head[1] -= 1
        elif key == curses.KEY_UP:
            new_head[0] -= 1
        elif key == curses.KEY_DOWN:
            new_head[0] += 1
        snake.insert(0, new_head)       #保留蛇头，根据按键更新蛇头

        #食物位置
        if snake[0] == food_pos:
            food_pos = None
            while food_pos is None:
                new_food = [random.randint(1, y - 1), random.randint(1, x - 1)]
                if new_food not in snake:
                    food_pos = new_food
            w.addch(food_pos[0], food_pos[1], '@')   #再次添加食物，保证食物不在蛇上
        else:
            tail = snake.pop()              #dict直接pop尾部
            w.addch(tail[0], tail[1], ' ')

        w.addch(snake[0][0], snake[0][1], 'Q')

if __name__ == '__main__':
    Init_Curse()
    Start_Game()

    print('QAQ')
    Exit_Curse()

　　　　　　　

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　　　　　　　 3.代码剖析：

　　　　　　　　　[红色为代码所需函数]

　　　　　　　　（蛇每走一步，就更新snake距离food的board距离，涉及board_rest(更新每个非snake元素距离food的距离)和board_refresh（本文这里采用BFS算法）），寻找到best_move，然后让蛇移                                   动 即可

　　　　　　　　　　如果吃的到食物(find_safe_way)：----> 放出虚拟蛇(virtual_shortest_move)（防止蛇吃完食物就被自己绕死）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　如果虚拟蛇吃完食物还可以找到 蛇尾（出的去）(is_tail_inside)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　直接吃食物(choose_shortest_safe_move)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　反之，出不去：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　就跟着尾巴走(follow_tail)就好比一直上下绕，就绝对不会死，但是蛇就完全没有灵性
　　　　　　　　　　如果吃不到食物
　　　　　　　　　　　　　　　　　　跟着尾巴(走最远的路(choose_longest_safe_move))，四个方向走（如果是A*算法需要将8个方向改成4个方向）

　　　　　　　　　　如果上诉方法都不行，就涉及到any_possible_move，挑选距离最小的走(这里就会涉及到将自己吃死,有待改进)

 　　　　　　　　　（通过以上方法，就可以制造一个基本AI贪吃蛇了，当然，还有很多细节方面东西需要考虑）

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　　　　　　　　　报错：

                                                        win = curses.newwin(HEIGHT, WIDTH, 0, 0)
                                                        _curses.error: curses function returned NULL

　　　　　　　　　 原因：      Pycharm下面（或者cmd、exe太小，需要拉大点）

　　　　　　          

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
# @Time : 2018/11/16 14:26
# @Author : Empirefree
# @File : 贪吃蛇-03.py
# @Software: PyCharm Community Edition

import curses
from curses import KEY_RIGHT, KEY_LEFT, KEY_UP, KEY_DOWN
from random import randint

# 必须要弄成全局哇，不然需要用到的数据太多了
# 1.初始化界面
# 2.更新地图，判断是否可以吃到食物
# 3.如果可以吃到，放出虚拟蛇(这里又设计到地图更新(board_reset)，记录距离(board_refresh)操作)
# 3.1虚拟蛇若吃食物距离蛇尾有路径（直接吃），否则，追蛇尾
# 3.2若吃不到，则追蛇尾
# 4.更新best_move，改变距离
###########################################################################################
#作者：
print('**************************************************************************')
print('*****************！！！   欢迎使用AI贪吃蛇    ！！！*************************')
print('*****************作者：胡宇乔                         *********************')
print('*****************工具: Pycharm                       *********************')
print('*****************时间: 2018/11/16 14:26               ********************')
print('*****************        (按Esc结束贪吃蛇游戏)        **********************')
print('**************************************************************************')
# 场地
HEIGHT, WIDTH = map(int, input('请输入长度长宽[20 40]：').split())
FIELD_SIZE = HEIGHT * WIDTH

#蛇和食物
HEAD = 0
FOOD = 0
UNDEFINED = (HEIGHT + 1) * (WIDTH + 1)
SNAKE = 2 * UNDEFINED

# 四个方向的移动
LEFT = -1
RIGHT = 1
UP = -WIDTH
DOWN = WIDTH

# 错误码
ERR = -1111

# 用一维数组来表示二维的东西
# board表示蛇运动的矩形场地
# 初始化蛇头在(1,1)的地方，第0行，HEIGHT行，第0列，WIDTH列为围墙，不可用
# 初始蛇长度为1
board = [0] * FIELD_SIZE
snake = [0] * (FIELD_SIZE + 1)
snake[HEAD] = 1 * WIDTH + 1
snake_size = 1
# tmpsnake即虚拟蛇
tmpboard = [0] * FIELD_SIZE
tmpsnake = [0] * (FIELD_SIZE + 1)
tmpsnake[HEAD] = 1 * WIDTH + 1
tmpsnake_size = 1

# food:食物位置(0~FIELD_SIZE-1),初始在(3, 3)
# best_move: 运动方向
food = 3 * WIDTH + 3
best_move = ERR

# 运动方向数组
mov = [LEFT, RIGHT, UP, DOWN]
# 接收到的键 和 分数
key = KEY_RIGHT
score = 1  # 分数也表示蛇长

#cueses初始化
curses.initscr()
win = curses.newwin(HEIGHT, WIDTH, 0, 0)
win.keypad(1)
curses.noecho()
curses.curs_set(0)
win.border(0)
win.nodelay(1)
win.addch(food // WIDTH, food % WIDTH, '@')

###########################################################################################
#判断是否为空（可走）
def is_cell_free(idx, psize, psnake):
    return not (idx in psnake[:psize])


# 检查某个位置idx是否可向move方向运动
def is_move_possible(idx, move):
    flag = False
    if move == LEFT:
        flag = True if idx % WIDTH > 1 else False
    elif move == RIGHT:
        flag = True if idx % WIDTH < (WIDTH - 2) else False
    elif move == UP:
        flag = True if idx > (2 * WIDTH - 1) else False  # 即idx/WIDTH > 1
    elif move == DOWN:
        flag = True if idx < (FIELD_SIZE - 2 * WIDTH) else False  # 即idx/WIDTH < HEIGHT-2
    return flag


# 计算出board中每个非SNAKE元素到达食物的路径长度,并判断是否可以找到食物
def board_reset(psnake, psize, pboard):
    for i in range(FIELD_SIZE):
        if i == food:
            pboard[i] = FOOD
        elif is_cell_free(i, psize, psnake):  # 该位置为空
            pboard[i] = UNDEFINED
        else:  # 该位置为蛇身
            pboard[i] = SNAKE


# 广度优先搜索遍历整个board，
# 计算出board中每个非SNAKE元素到达食物的路径长度
def board_refresh(pfood, psnake, pboard):
    queue = []
    queue.append(pfood)
    inqueue = [0] * FIELD_SIZE
    found = False
    # while循环结束后，除了蛇的身体，
    # 其它每个方格中的数字代码从它到食物的路径长度
    while len(queue) != 0:
        idx = queue.pop(0)
        if inqueue[idx] == 1: continue
        inqueue[idx] = 1
        for i in range(4):
            if is_move_possible(idx, mov[i]):
                if idx + mov[i] == psnake[HEAD]:
                    found = True
                if pboard[idx + mov[i]] < SNAKE:  # 如果该点不是蛇的身体

                    if pboard[idx + mov[i]] > pboard[idx] + 1:
                        pboard[idx + mov[i]] = pboard[idx] + 1
                    if inqueue[idx + mov[i]] == 0:
                        queue.append(idx + mov[i])

    return found


#蛇头开始，根据蛇的4个领域选择最远路径(安全一点)
def choose_shortest_safe_move(psnake, pboard):
    best_move = ERR
    min = SNAKE
    for i in range(4):
        if is_move_possible(psnake[HEAD], mov[i]) and pboard[psnake[HEAD] + mov[i]] < min:
            min = pboard[psnake[HEAD] + mov[i]]
            best_move = mov[i]
    return best_move


# 从蛇头开始，根据board中元素值，
# 从蛇头周围4个领域点中选择最远路径
def choose_longest_safe_move(psnake, pboard):
    best_move = ERR
    max = -1
    for i in range(4):
        if is_move_possible(psnake[HEAD], mov[i]) and pboard[psnake[HEAD] + mov[i]] < UNDEFINED and pboard[psnake[HEAD] + mov[i]] > max:
            max = pboard[psnake[HEAD] + mov[i]]
            best_move = mov[i]
    return best_move


# 检查是否可以追着蛇尾运动，即蛇头和蛇尾间是有路径的
# 为的是避免蛇头陷入死路
# 虚拟操作，在tmpboard,tmpsnake中进行
def is_tail_inside():
    global tmpboard, tmpsnake, food, tmpsnake_size
    tmpboard[tmpsnake[tmpsnake_size - 1]] = 0  # 虚拟地将蛇尾变为食物(因为是虚拟的，所以在tmpsnake,tmpboard中进行)
    tmpboard[food] = SNAKE  # 放置食物的地方，看成蛇身
    result = board_refresh(tmpsnake[tmpsnake_size - 1], tmpsnake, tmpboard)  # 求得每个位置到蛇尾的路径长度
    for i in range(4):  # 如果蛇头和蛇尾紧挨着，则返回False。即不能follow_tail，追着蛇尾运动了
        if is_move_possible(tmpsnake[HEAD], mov[i]) and tmpsnake[HEAD] + mov[i] == tmpsnake[
                    tmpsnake_size - 1] and tmpsnake_size > 3:
            result = False
    return result


# 让蛇头朝着蛇尾运行一步
# 不管蛇身阻挡，朝蛇尾方向运行
def follow_tail():
    global tmpboard, tmpsnake, food, tmpsnake_size
    tmpsnake_size = snake_size
    tmpsnake = snake[:]
    board_reset(tmpsnake, tmpsnake_size, tmpboard)  # 重置虚拟board
    tmpboard[tmpsnake[tmpsnake_size - 1]] = FOOD  # 让蛇尾成为食物
    tmpboard[food] = SNAKE  # 让食物的地方变成蛇身
    board_refresh(tmpsnake[tmpsnake_size - 1], tmpsnake, tmpboard)  # 求得各个位置到达蛇尾的路径长度
    tmpboard[tmpsnake[tmpsnake_size - 1]] = SNAKE  # 还原蛇尾

    return choose_longest_safe_move(tmpsnake, tmpboard)  # 返回运行方向(让蛇头运动1步)


# 在各种方案都不行时，随便找一个可行的方向来走(1步),
def any_possible_move():
    global food, snake, snake_size, board
    best_move = ERR
    board_reset(snake, snake_size, board)
    board_refresh(food, snake, board)
    min = SNAKE

    for i in range(4):
        if is_move_possible(snake[HEAD], mov[i]) and board[snake[HEAD] + mov[i]] < min:
            min = board[snake[HEAD] + mov[i]]
            best_move = mov[i]
    return best_move

#虚拟蛇蛇移动
def shift_array(arr, size):
    for i in range(size, 0, -1):
        arr[i] = arr[i - 1]

#产生新食物
def new_food():
    global food, snake_size
    cell_free = False
    while not cell_free:
        w = randint(1, WIDTH - 2)
        h = randint(1, HEIGHT - 2)
        food = h * WIDTH + w
        cell_free = is_cell_free(food, snake_size, snake)
    win.addch(food // WIDTH, food % WIDTH, '@')


# 真正的蛇在这个函数中，朝pbest_move走1步
def make_move(pbest_move):
    global key, snake, board, snake_size, score
    shift_array(snake, snake_size)
    snake[HEAD] += pbest_move

    # 按esc退出，getch同时保证绘图的流畅性，没有它只会看到最终结果
    win.timeout(10)
    event = win.getch()
    key = key if event == -1 else event
    if key == 27: return

    p = snake[HEAD]
    win.addch(p // WIDTH, p % WIDTH, '*')

    # 如果新加入的蛇头就是食物的位置
    # 蛇长加1，产生新的食物，重置board(因为原来那些路径长度已经用不上了)
    if snake[HEAD] == food:
        board[snake[HEAD]] = SNAKE  # 新的蛇头
        snake_size += 1
        score += 1
        if snake_size < FIELD_SIZE: new_food()
    else:  # 如果新加入的蛇头不是食物的位置
        board[snake[HEAD]] = SNAKE  # 新的蛇头
        board[snake[snake_size]] = UNDEFINED  # 蛇尾变为空格
        win.addch(snake[snake_size] // WIDTH, snake[snake_size] % WIDTH, ' ')


#虚拟蛇最短移动
def virtual_shortest_move():
    global snake, board, snake_size, tmpsnake, tmpboard, tmpsnake_size, food
    tmpsnake_size = snake_size
    tmpsnake = snake[:]  # 如果直接tmpsnake=snake，则两者指向同一处
    tmpboard = board[:]  # board中已经是各位置到达食物的路径长度了，不用再计算
    board_reset(tmpsnake, tmpsnake_size, tmpboard)

    food_eated = False
    while not food_eated:
        board_refresh(food, tmpsnake, tmpboard)
        move = choose_shortest_safe_move(tmpsnake, tmpboard)
        shift_array(tmpsnake, tmpsnake_size)
        tmpsnake[HEAD] += move  # 在蛇头前加入一个新的位置
        # 如果新加入的蛇头的位置正好是食物的位置
        # 则长度加1，重置board，食物那个位置变为蛇的一部分(SNAKE)
        if tmpsnake[HEAD] == food:
            tmpsnake_size += 1
            board_reset(tmpsnake, tmpsnake_size, tmpboard)  # 虚拟运行后，蛇在board的位置
            tmpboard[food] = SNAKE
            food_eated = True
        else:  # 如果蛇头不是食物的位置，则新加入的位置为蛇头，最后一个变为空格
            tmpboard[tmpsnake[HEAD]] = SNAKE
            tmpboard[tmpsnake[tmpsnake_size]] = UNDEFINED


# 如果蛇与食物间有路径，则调用本函数
def find_safe_way():
    global snake, board
    safe_move = ERR
    # 虚拟地运行一次，因为已经确保蛇与食物间有路径，所以执行有效
    # 运行后得到虚拟下蛇在board中的位置，即tmpboard，见label101010
    virtual_shortest_move()  # 该函数唯一调用处
    if is_tail_inside():  # 如果虚拟运行后，蛇头蛇尾间有通路，则选最短路运行(1步)
        return choose_shortest_safe_move(snake, board)
    safe_move = follow_tail()  # 否则虚拟地follow_tail 1步，如果可以做到，返回true
    return safe_move

if __name__ == '__main__':

    while key != 27:
        win.border(0)
        win.addstr(0, 2, '分数:' + str(score) + ' ')
        win.timeout(10)
        # 接收键盘输入，同时也使显示流畅
        event = win.getch()
        key = key if event == -1 else event
        # 重置矩阵
        board_reset(snake, snake_size, board)

        # 如果蛇可以吃到食物，board_refresh返回true
        # 并且board中除了蛇身(=SNAKE)，其它的元素值表示从该点运动到食物的最短路径长
        if board_refresh(food, snake, board):
            best_move = find_safe_way()  # find_safe_way的唯一调用处
        else:
            best_move = follow_tail()

        if best_move == ERR:
            best_move = any_possible_move()
        # 上面一次思考，只得出一个方向，运行一步
        if best_move != ERR:
            make_move(best_move)
        else:
            break

    curses.endwin()
    print("\n 得分： " + str(score))

　　　　　　　　　在以上基础上，还需要引入第一步制造的基本贪吃蛇

　　　　　　　　　细节： 1.键盘蛇加入后如何与蛇抢分(只需要return即可，但是 new_food()里面是需要更改的)

　　　　　　　　　　

# 产生新食物
            def new_food():
                global food, snake_size, myfood
                cell_free = False
                while not cell_free:
                    food1 = [random.randint(1, HEIGHT - 2), random.randint(1, WIDTH - 2)]
                    w = randint(1, WIDTH - 2)
                    h = randint(1, HEIGHT - 2)
                    myfood = [h, w]
                    food = h * WIDTH + w
                    if (is_cell_free(food, snake_size, snake) and [w, h] not in snake1):
                        cell_free = True
                win.addch(food // WIDTH, food % WIDTH, '@')

　　　　　　　　　　　2.一直没说，由于蛇加入后很多变量都需要global，导致变量看起来非常麻烦（读者要有心理准备）

　　　　　　　　　　    3.curses里面的win.timeout()是控制蛇的速度

　　　　　　　　　　　好像就没什么了，想起来了在更。我没加入2条蛇不能彼此碰撞（读者也可以弄成2个地图，然后看AI蛇和你自己的蛇如何操作跑，我是放在了一个地图里面）

　　　　　　　　　　　当然还有很多很多细节，不过主要思路写下来了。其余就靠分析代码自行研究了。

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　　　　　　　　　　最终源代码: https://pan.baidu.com/s/1TaPIja8FVpyFZRbvjuvEvA 提取码: ff6f