如何用Python写一个贪吃蛇AI

原文出处： Hawstein's Blog   

前

这两天在网上看到一张让人涨姿式的图片，图片中展现的是贪吃蛇游戏， 估计大部分人都玩过。但若是仅仅是贪吃蛇游戏，那么它就没有什么让人涨姿式的地方了。 问题的关键在于，图片中的贪吃蛇真的很贪吃XD，它把矩形中出现的食物吃了个遍， 而后华丽丽地把整个矩形填满，真心是看得赏心悦目。做为一个CSer， 第一个想到的是，这东西是写程序实现的(由于，通常人干不出这事。 果断是要让程序来干的)第二个想到的是，写程序该如何实现，该用什么算法？ 既然开始想了，就开始作。由于Talk is cheap，要show me the code才行。 (从耗子叔那学来的)

开始以前，让咱们再欣赏一下那只让人涨姿式的贪吃蛇吧：( 若是下面的动态图片浏览效果不佳的话，能够右键保存下来查看)

语言选择

Life is short, use python! 因此，根本就没多想，直接上python。

最第一版本

先让你的程序跑起来

首先，咱们第一件要作的就是先不要去分析这个问题。 你好歹先写个能运行起来的贪吃蛇游戏，而后再去想AI部分。这个应该很简单， cc++也就百来行代码(若是我没记错的话。不弄复杂界面，直接在控制台下跑)， python就更简单了，去掉注释和空行，五、60行代码就搞定了。并且，最最关键的， 这个东西网上确定写滥了，你没有必要重复造轮子， 去弄一份来按照你的意愿改造一下就好了。

简单版本

我以为直接写perfect版本不是什么好路子。由于perfect版本每每要考虑不少东西， 直接上来就写这个通常是bug百出的。因此， 一开始个人目标仅仅是让程序去控制贪吃蛇运动，让它去吃食物，仅此而已。 如今让咱们来陈述一下最初的问题：

1 2	在一个矩形中，每一时刻有一个食物，贪吃蛇要在不撞到本身的条件下， 找到一条路(未必要最优)，而后沿着这条路运行，去享用它的美食

咱们先不去想蛇会愈来愈长这个事实，问题基本就是，给你一个起点(蛇头)和一个终点( 食物)，要避开障碍物(蛇身)，从起点找到一条可行路到达终点。 咱们能够用的方法有：

• BFS

• DFS

• A*

只要有选择，就先选择最简单的方案，咱们如今的目标是要让程序先跑起来， 优化是后话。so，从BFS开始。咱们最初将蛇头位置放入队列，而后只要队列非空， 就将队头位置出队，而后把它四领域内的4个点放入队列，不断地循环操做， 直到到达食物的位置。这个过程当中，咱们须要注意几点：1.访问过的点再也不访问。 2.保存每一个点的父结点(即每一个位置是从哪一个位置走到它的， 这样咱们才能把可行路径找出来)。3.蛇身所在位置和四面墙不可访问。

经过BFS找到食物后，只须要让蛇沿着可行路径运动便可。这个简单版本写完后， 贪吃蛇就能够很欢快地运行一段时间了。看图吧：(不流畅的感受来自录屏软件＠_＠)

为了尽可能保持简单，我用的是curses模块，直接在终端进行绘图。 从上面的动态图片能够看出，每次都单纯地使用BFS，最终有一天， 贪吃蛇会由于这种不顾后果的短视行为而陷入困境。 并且，即便到了那个时候，它也只会BFS一种策略， 致使由于当前看不到目标(食物)，认为本身这辈子就这样了，破罐子破摔， 最终停在它人生中的某一个点，再也不前进。(我好爱讲哲理XD)

BFS+Wander

上一节的简单版本跑起来后，咱们认识到，只教贪吃蛇一种策略是不行的。 它这么笨一条蛇，你很少教它一点，它分分钟就会挂掉的。 因此，我写了个Wander函数，顾名思义，当贪吃蛇陷入困境后， 就别让它再BFS了，而是让它随便四处走走，散散心，思考一下人生什么的。 这个就比如你困惑迷茫的时候还去工做，效率不佳不说，还可能阻碍你走出困境； 相反，这时候你若是放下手中的工做，停下来，出去旅个游什么的。回来时， 说不定就豁然开朗，土地平旷，屋舍俨然了。

Wander函数怎么写都行，可是确定有优劣之分。我写了两个版本，一个是在可行的范围内， 朝随机方向走随机步。也就是说，蛇每次运动的方向是随机出来的， 总共运动的步数也是随机的。Wander完以后，再去BFS一下，看可否吃到食物， 若是能够那就皆大欢喜了。若是不行，说明思考人生的时间还不够，再Wander一下。 这样过程不断地循环进行。但是就像“随机过程随机过”同样，你“随机Wander就随机挂”。 会Wander的蛇确实能多走好多步。但是有一天，它就会把本身给随机到一条死路上了。 陷入困境还能够Wander，进入死胡同，那可没有回滚机制。因此， 第二个版本的Wander函数，我就让贪吃蛇贪到底。在BFS无解后， 告诉蛇一个步数step(随机产生step)，让它在空白区域以S形运动step步。 这回运动方向就不随机了，而是有组织有纪律地运动。先看图，而后再说说它的问题：

没错，最终仍是挂掉了。S形运动也是没法让贪吃蛇避免死亡的命运。 贪吃蛇能够靠S形运动多存活一段时间，但是因为它的策略是：

1 2 3 4 5

while 没有按下ESC键: if 蛇与食物间有路径: 走起，吃食物去 else: Wander一段时间

问题就出在蛇发现它本身和食物间有路径，就二话不说跑去吃食物了。 它没有考虑到，你这一去把食物给吃了后造成的局势(蛇身布局)， 彻底就可能让你挂掉。(好比进入了一个本身蛇身围起来的封闭小空间)

so，为了能让蛇活得久一些，它还要更高瞻远瞩才行。

高瞻远瞩版本

咱们如今已经有了一个比较低端的版本，并且对问题的认识也稍微深刻了一些。 如今能够进行一些比较慎密和严谨的分析了。首先，让咱们罗列一些问题： (像头脑风暴那样，想到什么就写下来便可)

• 蛇和食物间有路径直接就去吃，不可取。那该怎么办？

• 若是蛇去吃食物后，布局是安全的，是否就直接去吃？(这样最优吗？)

• 怎样定义布局是否安全？

• 蛇和食物之间若是没有路径，怎么办？

• 最短路径是否最优？(这个明显不是了)

• 那么，若是布局安全的状况下，最短路径是否最优？

• 除了最短路径，咱们还能够怎么走？S形？最长？

• 怎么应对蛇身愈来愈长这个问题？

• 食物是随机出现的，有没可能出现无解的布局？

• 暴力法(brute force)可否获得最优序列？(让贪吃蛇尽量地多吃食物)

只要去想，问题还挺多的。这时让咱们以面向过程的思想，带着上面的问题， 把思路理一理。一开始，蛇很短(初始化长度为1)，它看到了一个食物， 使用BFS获得矩形中每一个位置到达食物的最短路径长度。在没有蛇身阻挡下， 就是曼哈顿距离。而后，我要先判断一下，贪吃蛇这一去是否安全。 因此我须要一条虚拟的蛇，它每次负责去探路。若是安全，才让真正的蛇去跑。 固然，虚拟的蛇是不会绘制出来的，它只负责模拟探路。那么， 怎么定义一个布局是安全的呢？ 若是你把文章开头那张动态图片中蛇的销魂走位好好的看一下， 会发现即便到最后蛇身已经很长了，它仍然没事通常地走出了一条路。并且， 是跟着蛇尾走的！嗯，这个其实不难解释，蛇在运动的过程当中，消耗蛇身， 蛇尾后面老是不断地出现新的空间。蛇短的时候还无所谓，当蛇一长， 就会发现，要想活下来，基本就只能追着蛇尾跑了。在追着蛇尾跑的过程当中， 再去考虑可否安全地吃到食物。(下图是某次BFS后，获得的一个布局， 0表明食物，数字表明该位置到达食物的距离，+号表明蛇头，*号表明蛇身， -号表明蛇尾，#号表明空格，外面的一圈#号表明围墙)

1 2 3 4 5 6 7

# # # # # # # # 0 1 2 3 4 # # 1 2 3 # 5 # # 2 3 4 - 6 # # 3 + * * 7 # # 4 5 6 7 8 # # # # # # # #

通过上面的分析，咱们能够将布局是否安全定义为蛇是否能够跟着蛇尾运动， 也就是蛇吃完食物后，蛇头和蛇尾间是否存在路径，若是存在，我就认为是安全的。

OK，继续。真蛇派出虚拟蛇去探路后，发现吃完食物后的布局是安全的。那么， 真蛇就直奔食物了。等等，这样的策略好吗？未必。由于蛇每运动一步， 布局就变化一次。布局一变就意味着可能存在更优解。好比由于蛇尾的消耗， 本来须要绕路才能吃到的食物，忽然就出如今蛇眼前了。因此，真蛇走一步后， 更好的作法是，从新作BFS。而后和上面同样进行安全判断，而后再走。

接下来咱们来考虑一下，若是蛇和食物之间不存在路径怎么办？ 上文其实已经提到了作法了，跟着蛇尾走。只要蛇和食物间不存在路径， 蛇就一直跟着蛇尾走。一样的，因为每走一步布局就会改变， 因此每走一步就从新作BFS获得最新布局。

好了，问题又来了。若是蛇和食物间不存在路径且蛇和蛇尾间也不存在路径， 怎么办？这个我是没办法了，选一步可行的路径来走就是了。仍是一个道理， 每次只走一步，更新布局，而后再判断蛇和食物间是否有安全路径； 没有的话，蛇头和蛇尾间是否存在路径；尚未，再挑一步可行的来走。

上面列的好几个问题里都涉及到蛇的行走策略，通常而言， 咱们会让蛇每次都走最短路径。这是针对蛇去吃食物的时候， 但是蛇在追本身的尾巴的时候就不能这么考虑了。咱们但愿的是蛇头在追蛇尾的过程当中， 尽量地慢。这样蛇头和蛇尾间才能腾出更多的空间，空间多才有得发展。 因此蛇的行走策略主要分为两种：

1 2	1. 目标是食物时，走最短路径 2. 目标是蛇尾时，走最长路径

那第三种状况呢？与食物和蛇尾都没路径存在的状况下， 这个时候原本就只是挑一步可行的步子来走，最短最长关系都不大了。 至于人为地让蛇走S形，我以为这不是什么好策略，最第一版本中已经分析过它的问题了。 (固然，除非你想使用最最无懈可击的那个版本，就是彻底无论食物， 让蛇一直走S，而后在墙边留下一条过道便可。这样一来， 蛇老是能够完美地把全部食物吃完，而后占满整个空间，但是就很boring了。 没有任何的意思)

上面还提到一个问题：由于食物是随机出现的，有没可能出现无解的局面？ 是：有。我运行了程序，而后把每一次布局都输出到log，发现会有这样的状况：

1 2 3 4 5 6 7

# # # # # # # # * * * * * # # * * - 0 * # # * * # + * # # * * * * * # # * * * * * # # # # # # # #

其中，+号是蛇头，-号是蛇尾，*号是蛇身，0是食物，#号表明空格，外面一圈# 号表明墙。这个布局上，食物已经在蛇头面前了，但是它能吃吗？不能！ 由于它吃完食物后，长度加1，蛇头就会把0的位置填上，布局就变成：

1 2 3 4 5 6 7

# # # # # # # # * * * * * # # * * - + * # # * * # * * # # * * * * * # # * * * * * # # # # # # # #

此时，因为蛇的长度加1，蛇尾没有动，而蛇头被本身围着，挂掉了。但是， 咱们却还有一个空白的格子#没有填充。按照咱们以前教给蛇的策略， 面对这种状况，蛇头就只会一直追着蛇尾跑，每当它和食物有路径时， 它让虚拟的蛇跑一遍发现，获得的新布局是不安全的，因此不会去吃食物， 而是选择继续追着蛇尾跑。而后它就这样一直跑，一直跑。死循环， 直到你按ESC键为止。

因为食物是随机出现的，因此有可能出现上面这种无解的布局。固然了， 你也能够获得完满的结局，贪吃蛇把整个矩形都填充满。

上面的最后一个问题，暴力法是否能获得最优序列。从上面的分析看来， 能够获得，但不能保证必定获得。

最后，看看高瞻远瞩的蛇是怎么跑的吧：

矩形大小10*20，除去外面的边框，也就是8*18。Linux下录完屏再转成GIF格式的图片， 优化前40多M，真心是无法和Windows的比。用下面的命令优化时， 有一种系统在用生命作优化的感受：

Shell

1	convert output.gif -fuzz 10% -layers Optimize optimised.gif

最后仍是拿到Windows下用AE，三下五除二用图片序列合成的动态图片 (记得要在format options里选looping，否则图片是不会循环播放的)

Last but not least

若是对源代码感兴趣，请戳如下的连接： Code goes here

另外，本文的贪吃蛇程序使用了curses模块， 类Unix系统都默认安装的，使用Windows的童鞋须要安装一下这个模块， 送上地址： 须要curses请戳我

以上的代码仍然能够继续改进(如今加注释不到300行，优化一下能够更少)， 也可用pygame或是pyglet库把界面作得更加漂亮，Enjoy！

QQ技术交流群290551701 http://cxy.liuzhihengseo.com/541.html