用原生 JS 开发编程游戏“机器人流水线”
记得之前玩过一个 flash 编程小游戏，印象深刻，叫“机器人流水线(manufactoria)”，不知道有没有同学也玩过。可惜的是，现在 falsh 已经停止运行了，这个原版的小游戏无法体验到。
不过最近几天，我凭着之前的印象，复刻出了这个小游戏。（戳左下方“阅读原文”立即体验）
这个小游戏的规则是，将左侧的元件放置到右侧的面板上，然后点击运行，机器人会沿着元件指定的路径运行，并影响地步序列的状态，最终按照任务的要求完成，即可过关。
例如上面的截图是第五关，任务是“队列里不能出现不同颜色的球”，也就是说如果队列中只有红球或只有蓝球，要把机器人移动到 🚩 处，否则将机器人移到任意其他空格。
我们能将元件放置到在任意白色空格处，机器人走到元件上会根据元件的类型来产生相应的动作。
manufactoria 的元件非常简单，只有两种类型：传送器和比较器，但根据不同的作用一共分为 7 种：
其中传送器有五种，四种带颜色的，机器人通过的时候会将对应颜色的球添加到序列的末尾，还有最后一种黑色的，机器人通过，序列不变。
比较器有两种，分别是红蓝比较器和黄绿比较器。比较器的作用是，当机器人通过它时，判断序列头部的球颜色，若颜色是比较器允许的颜色，则机器人朝对应的加号方向前进，并将该序列头部的这个球取出，否则，机器人沿着弧形箭头方向前进，且序列保持不变。
神奇的是有了这些简单的元件，我们就可以让机器人完成复杂的任务了。而且这和编程思想是一致的，我们可以通过元件构建出顺序，选择和循环结构体！
如下图，在第 22 关，可以用绿色小球构建出循环体解决问题：
好了，前面说了规则，有兴趣的同学可以自行挑战，目前有 20 多个关卡，我会不定期更新新的关卡，等待大家的挑战。
接下来，我们看一下游戏是怎么实现的。
首先是面板的 HTML 结构，这个结构非常简单：
<div>🤖🔴🟡🔵🟢🚩 <span>第 <select id="levelPicker"><option>1</option></select> 关</span></div>
<div id="main">
<div id="panel">
<div class="buttons">
<div class="pass green" title="绿色通道：🤖通过时将🟢添加到序列尾部" data-turn=0 data-flip=0></div>
<div class="pass yellow" title="黄色通道：🤖通过时将🟡添加到序列尾部" data-turn=0 data-flip=0></div>
<div class="comparator green yellow" title="黄绿比较器：🤖通过时读取序列头部元素根据颜色判断路径" data-turn=0 data-flip=0></div>
<div class="pass red" title="红色通道：🤖通过时将🔴添加到序列尾部" data-turn=0 data-flip=0></div>
<div class="pass blue" title="蓝色通道：🤖通过时将🔵添加到序列尾部" data-turn=0 data-flip=0></div>
<div class="comparator red blue" title="红蓝比较器：🤖通过时读取序列头部元素根据颜色判断路径" data-turn=0 data-flip=0></div>
<div class="pass" title="通道" data-turn=0 data-flip=0></div>
<div class="trash" title="清除"></div>
</div>
<div class="info">
说明：鼠标选择上方元件添加到右侧面板中，键盘上下左右旋转，空格翻转。
</div>
<div class="task" id="taskInfo"></div>
<div class="run">
<button class="btn" id="runBtn"></button>
<button class="btn" id="stopBtn"></button>
</div>
</div>
<div>
<div id="app"></div>
<div id="io">序列 ← <i>❤️</i><i>💙</i></div>
<div id="result">结果 → </div>
</div>
</div>
<div id="mousePick">
</div>
在这里我就不多说了，元件是通过 CSS 样式绘制的，比如比较器：
.comparator {
margin: 10px 20px;
border-bottom-right-radius: 50%;
border-bottom-left-radius: 50%;
}
.comparator::before {
content: '+';
margin-left: -10px;
}
.comparator::after {
content: '+';
margin-left: 10px;
}
.comparator.red::before {
color: red;
}
.comparator.green::before {
color: green;
}
.comparator.blue::after {
color: blue;
}
.comparator.yellow::after {
color: orange;
}
因为所有的元件结构都不复杂，所以用一个 HTML 标签，加上 before 和 after 伪元素，就完全可以绘制出来的。
右侧的网格是一个 grid 布局的棋盘：
#app {
width: 520px;
height: 520px;
border-bottom: solid 1px #0002;
border-right: solid 1px #0002;
background-image: linear-gradient(90deg, rgba(0, 0, 0, 0.15) 2.5%, transparent 2.5%), linear-gradient( rgba(0, 0, 0, 0.15) 2.5%, transparent 2.5%);
background-size: 40px 40px;
background-repeat: repeat;
display: grid;
grid-template-columns: repeat(13, 40px);
grid-template-rows: repeat(13, 40px);
}
#app > div {
text-align: center;
font-size: 1.8rem;
line-height: 48px;;
}
在网格中添加对应的元件，就只要找到对应的格子往里添加指定类型的元素就可以了。
机器人是绝对定位的元素，它移动的时候的动画效果可以通过 transition 给出：
#robot {
position: absolute;
transition: all linear .2s;
}
#robot::after {
font-size: 1.8rem;
content: '🤖';
margin: 5px;
}
这样，基本的 HTML 和 CSS 就实现完成了。实际上，大部分 UI 和交互效果都可以通过 HTML 和 CSS 指定，让 JS 只需要负责控制逻辑，这样就简单很多。
接下来我们看具体的逻辑。
首先我们实现一个点击左侧面板的元件，将元件用鼠标拾取的效果：
unction enablePicker() {
const buttons = panel.querySelector('.buttons');
buttons.addEventListener('mousedown', ({target}) => {
if(main.className !== 'running' && target !== buttons && target.className) {
const node = target.cloneNode(true);
mousePick.innerHTML = '';
mousePick.appendChild(node);
}
});
window.addEventListener('mousemove', ({x, y}) => {
mousePick.style.left = `${x - 25}px`;
mousePick.style.top = `${y - 25}px`;
});
window.addEventListener('contextmenu', (e) => {
e.preventDefault();
return false;
});
window.addEventListener('mouseup', ({target}) => {
if(target.parentNode !== buttons && target.className !== 'normal') {
mousePick.innerHTML = '';
}
});
window.addEventListener('keydown', ({key}) => {
const el = mousePick.children[0];
if(!el || el.className === 'trash') return;
if(key === 'ArrowRight') {
el.dataset.turn = 0;
} else if(key === 'ArrowDown') {
el.dataset.turn = 1;
} else if(key === 'ArrowLeft') {
el.dataset.turn = 2;
} else if(key === 'ArrowUp') {
el.dataset.turn = 3;
} else if(key === ' ') {
let n = Number(el.dataset.flip) || 0;
el.dataset.flip = ++n % 2;
}
if(key.startsWith('Arrow') && el.classList.contains('comparator')) {
el.dataset.turn = (Number(el.dataset.turn) + 3) % 4;
}
});
}
这里，我们直接用 cloneNode，将面板上的元素复制出来，做出一个透明效果，跟随鼠标移动。另外，我们还做了键盘控制，通过键盘控制元件的具体方向：
注意，我们用 JS 控制元素方向的时候，通过设置 turn 和 flip 来表示元素翻转，至于元素具体的展现，则通过 CSS 来定义：
*[data-turn="1"] {
transform: rotate(.25turn);
}
*[data-turn="2"] {
transform: rotate(.5turn);
}
*[data-turn="3"] {
transform: rotate(.75turn);
}
*[data-flip="1"] {
transform: scale(-1, 1);
}
*[data-turn="1"][data-flip="1"] {
transform: rotate(.25turn) scale(-1, 1);
}
*[data-turn="2"][data-flip="1"] {
transform: rotate(.5turn) scale(-1, 1);
}
*[data-turn="3"][data-flip="1"] {
transform: rotate(.75turn) scale(-1, 1);
}
接着是设置和移动机器人的函数：
function setRobot() {
const start = app.querySelector('.start');
const row = Number(start.dataset.x);
const col = Number(start.dataset.y);
let {x, y} = app.getBoundingClientRect();
x = x + col * 40;
y = y + row * 40;
const el = document.getElementById('robot') || document.createElement('div');
el.id = 'robot';
el.style.left = `${x}px`;
el.style.top = `${y}px`;
el.dataset.x = x;
el.dataset.y = y;
el.dataset.row = row;
el.dataset.col = col;
el.dataset.fromDirection = '';
document.body.appendChild(el);
}
function moveRobot(direction) {
let x = Number(robot.dataset.x);
let y = Number(robot.dataset.y);
let row = Number(robot.dataset.row);
let col = Number(robot.dataset.col);
let fromDirection = '';
if(direction === 'left') {
x -= 40;
col--;
fromDirection = 'right';
} else if(direction === 'right') {
x += 40;
col++;
fromDirection = 'left';
} else if(direction === 'up') {
y -= 40;
row--;
fromDirection = 'down';
} else if(direction === 'down') {
y += 40;
row++;
fromDirection = 'up';
}
robot.style.left = `${x}px`;
robot.style.top = `${y}px`;
robot.dataset.x = x;
robot.dataset.y = y;
robot.dataset.row = row;
robot.dataset.col = col;
robot.dataset.fromDirection = fromDirection;
// console.log(row, col, robot);
return new Promise(resolve => {
robot.addEventListener('transitionend', () => {
// console.log(row, col, robot.dataset.row, robot.dataset.col);
resolve(robot);
}, {once: true});
// 防止浏览器transitionend事件有时候不被触发
setTimeout(() => resolve(robot), 220);
});
}
这里，setRobot将机器人设置到起始位置，起始位置在网格中是一个 className 包含 start 的 div 元素，这个元素的位置在后续调用 loadLevel 读取当前关卡的时候初始化。
moveRobot实际上是一个异步方法，它返回一个 Promise，在机器人执行完动作之后 resolve。不过这里有个细节要注意，我一开始使用transitionend来判断动画结束，但是浏览器不能保证transitionend每次都被触发，所以有时候机器人会不明原因停下来，后来我就加了一个 setTimeout 来防止这种情况。
接下来的一系列方法和底部序列有关，序列代表着输入输出，机器人就是通过移动来影响序列，从而达成指定任务。序列实际上是一个队列，操作比较简单。
function setDataList(list = []) {
io.innerHTML = "序列 ← ";
for(let i = 0; i < list.length; i++) {
const el = document.createElement('i');
el.innerHTML = list[i];
io.appendChild(el);
}
}
function getTopData() {
const item = io.querySelector('i');
if(item) return item.innerHTML;
else return null;
}
function popData() {
const item = io.querySelector('i');
item.style.width = 0;
return new Promise(resolve => {
item.addEventListener('transitionend', () => {
item.remove();
resolve(item);
}, {once: true});
// 防止浏览器transitionend事件有时候不被触发
setTimeout(() => {
item.remove();
resolve(item);
}, 220);
});
}
function appendData(data = '🔴') {
const el = document.createElement('i');
el.innerHTML = data;
io.appendChild(el);
}
function getIOData() {
const list = io.querySelectorAll('i');
let ret = '';
for(let i = 0; i < list.length; i++) {
ret += list[i].innerHTML;
}
return ret;
}
然后是一个辅助方法，用来获得机器人所在位置的棋盘元素。我们在初始化棋盘的时候，会给每个元素设置 x 和 y 坐标，在机器人走动的时候，也会更新对应的 row 和 col 坐标，所以我们通过选择器就可以快速找到机器人所在位置的棋盘格子，从而判断其中的元件。
function getRobotCell() {
let x = Number(robot.dataset.row);
let y = Number(robot.dataset.col);
const cell = document.querySelector(`#app > div[data-x="${x}"][data-y="${y}"]`);
return cell;
}
接下来就是代码最核心的部分了。
function checkCell(cell, fromDirection) {
const ret = {
direction: null,
effect: null,
type: null,
data: false,
};
const children = cell.children;
if(children.length) {
for(let i = 0; i < children.length; i++) {
const el = children[i];
const flip = el.dataset.flip;
const turn = el.dataset.turn;
if(el.classList.contains('pass')) {
ret.type = 'pass';
// 通道
if(children.length > 1) {
// 交叉通道
if(fromDirection === 'up' || fromDirection === 'down') {
if(turn === '0' || turn === '2') continue;
}
if(fromDirection === 'left' || fromDirection === 'right') {
if(turn === '1' || turn === '3') continue;
}
}
if(turn === '0') ret.direction = 'right';
if(turn === '1') ret.direction = 'down';
if(turn === '2') ret.direction = 'left';
if(turn === '3') ret.direction = 'up';
if(el.classList.contains('red')) ret.effect = '🔴';
if(el.classList.contains('green')) ret.effect = '🟢';
if(el.classList.contains('yellow')) ret.effect = '🟡';
if(el.classList.contains('blue')) ret.effect = '🔵';
} else if(el.classList.contains('comparator')) {
// 比较器
ret.type = 'comparator';
const data = getTopData();
if(data === '🔴' && el.classList.contains('red')) {
if(turn === '0') ret.direction = 'left';
if(turn === '1') ret.direction = 'up';
if(turn === '2') ret.direction = 'right';
if(turn === '3') ret.direction = 'down';
ret.data = true;
} else if(data === '🟢' && el.classList.contains('green')) {
if(turn === '0') ret.direction = 'left';
if(turn === '1') ret.direction = 'up';
if(turn === '2') ret.direction = 'right';
if(turn === '3') ret.direction = 'down';
ret.data = true;
} else if(data === '🔵' && el.classList.contains('blue')) {
if(turn === '0') ret.direction = 'right';
if(turn === '1') ret.direction = 'down';
if(turn === '2') ret.direction = 'left';
if(turn === '3') ret.direction = 'up';
ret.data = true;
} else if(data === '🟡' && el.classList.contains('yellow')) {
if(turn === '0') ret.direction = 'right';
if(turn === '1') ret.direction = 'down';
if(turn === '2') ret.direction = 'left';
if(turn === '3') ret.direction = 'up';
ret.data = true;
} else {
if(turn === '0') ret.direction = 'down';
if(turn === '1') ret.direction = 'left';
if(turn === '2') ret.direction = 'up';
if(turn === '3') ret.direction = 'right';
}
}
if(flip === '1') {
// 翻转交换
if(turn === '0' || turn === '2') {
if(ret.direction === 'left') ret.direction = 'right';
else if(ret.direction === 'right') ret.direction = 'left';
} else {
if(ret.direction === 'up') ret.direction = 'down';
else if(ret.direction === 'down') ret.direction = 'up';
}
}
}
}
// console.log(ret);
return ret;
}
function checkState() {
const cell = getRobotCell();
const fromDirection = robot.dataset.fromDirection;
let state = {
direction: null,
effect: null,
accepted: false,
fromDirection,
};
if(cell.className === 'flag') {
state.accepted = true;
} else if(cell.className !== 'start') {
state = {
...state,
...checkCell(cell, fromDirection),
};
}
return state;
}
当机器人移动到一个格子的时候，我们通过 checkState 判断他的状态，状态包括四个信息，direction：机器人当前可以移动的方向，effect：机器人操作序列的动作，accepted：机器人是否移动到 🚩，fromDirection：机器人上一步从哪里移动过来的。
checkCell 则是具体的判断逻辑，我们通过格子中的元件来具体判断机器人的这些状态，这部分逻辑虽然较繁琐，但其实也不太复杂，唯一需要注意的是，一个网格中可以放两个相互垂直的传送器，当机器人经过的时候，如果有两个方向，会默认选择直行的方向，这也是为什么我们需要 fromDirection 来判断机器人从哪个方向过来。
接下来是展示结果，运行、停止按钮状态，sleep 等细节，就不一一赘述了。
function initResult() {
result.innerHTML = '结果 →';
}
function appendResult(success = false) {
const r = success ? 'A' : 'E';
const el = document.createElement('span');
el.innerHTML = r;
if(success) el.className = 'accept';
result.appendChild(el);
}
function sleep(ms = 10) {
return new Promise(resolve => {
setTimeout(resolve, ms);
});
}
runBtn.addEventListener('mousedown', async () => {
mousePick.innerHTML = '';
runBtn.className = 'btn tap';
runBtn.disabled = true;
main.className = 'running';
await run();
});
stopBtn.addEventListener('mousedown', () => {
mousePick.innerHTML = '';
stopBtn.className = 'btn tap';
main.className = '';
// setRobot();
});
window.addEventListener('mouseup', () => {
if(stopBtn.className === 'btn tap') {
stopBtn.className = 'btn';
// runBtn.disabled = false;
// runBtn.className = 'btn';
}
});
然后，我们根据关卡数据，读取和初始化对应的关卡：
let currentLevel;
function loadLevel(level) {
const data = levels[level];
currentLevel = {
...data,
level,
};
taskInfo.innerHTML = `<p>任务：${data.task}</p><p>提示：${data.hint}</p>`;
const items = document.querySelectorAll('.buttons > div');
for(let i = 0; i < items.length; i++) {
if(!data.units.includes(i)) {
items[i].classList.add('hide');
} else {
items[i].classList.remove('hide');
}
}
setDataList([...data.tests[0].data]);
const board = new Array(169);
board.fill(-1);
const size = data.size || 13;
const v = (13 - size) / 2;
const range = [
v, v,
v + size, v + size,
];
const [a, b, c, d] = range;
for(let i = a; i < c; i++) {
for(let j = b; j < d; j++) {
const idx = i * 13 + j;
board[idx] = 0;
}
}
const s = v + Math.floor(size / 2);
const start = v * 13 + s;
const end = (v + size - 1) * 13 + s;
board[start] = 1;
board[end] = 2;
init(board);
const savedData = localStorage.getItem(`manufactoria-level-${level}`);
if(savedData) {
const data = JSON.parse(savedData);
for(let i = 0; i < data.cells.length; i++) {
const cell = data.cells[i];
const el = document.createElement('div');
el.className = cell.state;
el.dataset.turn = cell.turn;
el.dataset.flip = cell.flip;
app.children[cell.idx].appendChild(el);
}
}
setRobot();
return currentLevel;
}
初始化之后，当放置好元件，点击运行时，让机器人运行起来：
async function run() {
levelPicker.disabled = true;
const tests = currentLevel.tests;
initResult();
for(let i = 0; i < tests.length; i++) {
const {data, accept} = tests[i];
setDataList([...data]);
setRobot();
await sleep();
await moveRobot('down');
while(true) {
if(main.className !== 'running') break;
const state = checkState();
if(state.direction) {
if(state.type === 'comparator' && state.data) {
await Promise.all([
moveRobot(state.direction),
popData(),
]);
} else {
await moveRobot(state.direction);
if(state.effect) {
appendData(state.effect);
}
}
} else {
break;
}
}
if(main.className !== 'running') break;
const cell = getRobotCell();
if(accept === true) {
appendResult(cell.className === 'flag');
} else if(typeof accept === 'string') {
if(cell.className !== 'flag') {
appendResult(false);
} else {
appendResult(accept === getIOData());
}
} else {
appendResult(cell.className !== 'flag');
}
await sleep(500);
}
runBtn.className = 'btn';
runBtn.disabled = false;
if(main.className === 'running') {
const success = !result.textContent.includes('E');
const el = document.createElement('span');
el.innerHTML = success? '：成功':'：失败';
if(success) el.className = 'accept';
result.appendChild(el);
setDataList([]);
}
main.className = '';
levelPicker.disabled = false;
setRobot();
}
因为有的关卡比较复杂，玩家也不希望好不容易通关的结果，下一次进游戏又没有了，所以我们做一个 localStorage 的本地保存机制：
// 把数据保存到本地
function saveLevel() {
const {level} = currentLevel;
const data = {level, cells: []};
const cells = app.children;
for(let i = 0; i < 169; i++) {
const cell = cells[i];
if(cell.children.length) {
for(let j = 0; j < cell.children.length; j++) {
const item = cell.children[j];
const d = {
state: item.className,
turn: item.dataset.turn,
flip: item.dataset.flip,
idx: Number(cell.dataset.x) * 13 + Number(cell.dataset.y),
};
data.cells.push(d);
}
}
}
localStorage.setItem(`manufactoria-level-${level}`, JSON.stringify(data));
}
最后的最后，我们做一个下拉列表来选择对应的关卡：
function initLevelPicker() {
const len = levels.length;
levelPicker.innerHTML = '';
for(let i = 0; i < len; i++) {
const option = new Option(i + 1, i);
levelPicker.appendChild(option);
}
levelPicker.addEventListener('change', () => {
loadLevel(levelPicker.value);
});
loadLevel(levelPicker.value);
}
initLevelPicker();
这样，我们的游戏就开发完成了。实际上这个游戏本身开发的难度并不高，但是玩法却很丰富，关卡也很有挑战性。这就是编程游戏的乐趣。
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