用C++编写一个井字游戏 (Tic Tac Toe)

struct tictactoe_cell  {     int row;     int col;       tictactoe_cell(int r = INT_MAX, int c = INT_MAX):row(r), col(c)     {}       bool is_valid() const {return row != INT_MAX && col != INT_MAX;}  };    std::pair const get_winning_line() const  {     auto mark = static_cast(tictactoe_player::none);     if(is_victory(tictactoe_player::computer))        mark = static_cast(tictactoe_player::computer);     else if(is_victory(tictactoe_player::user))        mark = static_cast(tictactoe_player::user);       if(mark != 0)     {        if(status[0] == mark && status[1] == mark && status[2] == mark)            return std::make_pair(tictactoe_cell(0,0), tictactoe_cell(0,2));        if(status[3] == mark && status[4] == mark && status[5] == mark)           return std::make_pair(tictactoe_cell(1,0), tictactoe_cell(1,2));        if(status[6] == mark && status[7] == mark && status[8] == mark)           return std::make_pair(tictactoe_cell(2,0), tictactoe_cell(2,2));        if(status[0] == mark && status[4] == mark && status[8] == mark)           return std::make_pair(tictactoe_cell(0,0), tictactoe_cell(2,2));        if(status[2] == mark && status[4] == mark && status[6] == mark)           return std::make_pair(tictactoe_cell(0,2), tictactoe_cell(2,0));        if(status[0] == mark && status[3] == mark && status[6] == mark)           return std::make_pair(tictactoe_cell(0,0), tictactoe_cell(2,0));        if(status[1] == mark && status[4] == mark && status[7] == mark)           return std::make_pair(tictactoe_cell(0,1), tictactoe_cell(2,1));        if(status[2] == mark && status[5] == mark && status[8] == mark)           return std::make_pair(tictactoe_cell(0,2), tictactoe_cell(2,2));     }       return std::make_pair(tictactoe_cell(), tictactoe_cell());  }

现在我们只剩下添加开始游戏功能和为网格放上棋子功能(电脑和玩家两者).

对于开始游戏，我们需要知道，由谁开始下第一个棋子，因此我们可以采取比较合适的策略（两种方式都需要提供，电脑先手或者玩家先手都要被支持）。同时，我们也需要重置表示网格的数组。方法start()对开始新游戏进行初始化。可以下的棋的策略的集合被再一次的初始化, 从stategy_x 或者strategy_o进行拷贝。从下面的代码可以注意到，strategy是一个std::set, 并且strategy_x或者strategy_o都是有重复单元的数组，因为在tictoctoe表里面的一些位置是重复的。这个std::set 是一个只包含唯一值的容器并且它保证了唯一的可能的位置(例如对于strategy_o来说，有一半是重复的)。 中的std::copy算法在这里被用来进行数据单元的拷贝，将当前的内容拷贝到std::set中，并且使用方法assign()来将std::array的所有的元素重置为0。

void start(tictactoe_player const player)  {     strategy.clear();     if(player == tictactoe_player::computer)        std::copy(std::begin(strategy_x), std::end(strategy_x),                   std::inserter(strategy, std::begin(strategy)));     else if(player == tictactoe_player::user)        std::copy(std::begin(strategy_o), std::end(strategy_o),                   std::inserter(strategy, std::begin(strategy)));                       status.assign(0);          started = true;  }

当玩家走一步时，我们需要做的是确保选择的网格是空的，并放置合适的标记。move()方法的接收参数是网格的坐标、玩家的记号，如果这一步有效时返回真，否则返回假。

bool move(tictactoe_cell const cell, tictactoe_player const player)  {     if(status[cell.row*3 + cell.col] == 0)     {        status[cell.row*3 + cell.col] = static_cast(player);                if(is_victory(player))        {           started = false;        }                return true;     }       return false;  }

tictactoe_cell move(tictactoe_player const player)  {     tictactoe_cell cell;       strategy = lookup_strategy();       if(!strategy.empty())     {        auto newstatus = lookup_move();          for(int i = 0; i < 9; ++i)        {           if(status[i] == 0 && newstatus[i]==static_cast(player))           {              cell.row = i/3;              cell.col = i%3;              break;           }        }          status = newstatus;          if(is_victory(player))        {           started = false;        }     }       return cell;  }

当游戏开始时的网格编码为0,0,0,0,0,0,0,0,0来表示并且当前情况下任何的走法都是可能的。这也是为什么我们要在thestart()方法里把整个步数都拷贝出来的原因。一旦玩家走了一步，那能走的步数的set便会减少。举个例子，玩家在第一个格子里走了一步。此时网格编码为1,0,0,0,0,0,0,0,0。这时在数组的第一个位置不可能再有0或者2的走法因此需要被过滤掉。

std::set tictactoe_game::lookup_strategy() const  {     std::set nextsubstrategy;       for(auto const & s : strategy)     {        bool match = true;        for(int i = 0; i < 9 && match; ++i)        {           if(s[i] < status[i])              match = false;        }          if(match)        {           nextsubstrategy.insert(s);        }     }       return nextsubstrategy;  }

在选择下一步时我们需要确保我们选择的走法必须与当前的标记不同，如果当前的状态是1,2,0,0,0,0,0,0,0而我们现在要为玩家1选择走法那么我们可以从余下的7个数组单元中选择一个，可以是：1,2,1,0,0,0,0,0,0或1,2,0,1,0,0,0,0,0... 或1,2,0,0,0,0,0,0,1。然而我们需要选择最优的走法而不是仅仅只随便走一步，通常最优的走法也是赢得比赛的关键。因此我们需要找一步能使我们走向胜利，如果没有这样的一步，那就随便走吧。

tictactoe_status tictactoe_game::lookup_move() const  {     tictactoe_status newbest = {0};     for(auto const & s : strategy)     {        int diff = 0;        for(int i = 0; i < 9; ++i)        {           if(s[i] > status[i])              diff++;        }          if(diff == 1)        {           newbest = s;           if(is_winning(newbest, tictactoe_player::computer))           {              break;           }        }     }       assert(newbest != empty_board);       return newbest;  }

做完了这一步，我们的游戏的逻辑部分就完成了。更多细节请阅读game.h和game.cpp中的代码

一个用Win32 API实现的游戏

我将用Win32 API做用户界面来创建第一个应用程序。如果你不是很熟悉Win32 编程那么现在已经有大量的资源你可以利用学习。为了使大家理解我们如何创建一个最终的应用，我将只讲述一些必要的方面。另外，我不会把每一行代码都展现并解释给大家，但是你可以通过下载这些代码来阅读浏览它。

一个最基本的Win32应用需要的一些内容：

• 一个入口点，通常来说是WinMain，而不是main。它需要一些参数例如当前应用实例的句柄，命令行和指示窗口如何展示的标志。
• 一个窗口类，代表了创建一个窗口的模板。一个窗口类包含了一个为系统所用的属性集合，例如类名，class style(不同于窗口的风格)，图标，菜单，背景刷，窗口的指针等。一个窗口类是进程专用的并且必须要注册到系统优先级中来创建一个窗口。使用RegisterClassEx来注册一个窗口类。
• 一个主窗口，基于一个窗口类来创建。使用CreateWindowEx可以创建一个窗口。
• 一个窗口过程函数，它是一个处理所有基于窗口类创建的窗口的消息的方法。一个窗口过程函数与窗口相联，但是它不是窗口。
• 一个消息循环。一个窗口通过两种方式来接受消息：通过SendMessage，直接调用窗口过程函数直到窗口过程函数处理完消息之后才返回，或者通过PostMessage (或 PostThreadMessage)把一个消息投送到创建窗口的线程的消息队列中并且不用等待线程处理直接返回。因此线程必须一直运行一个从消息队列接收消息和把消息发送给窗口过程函数的循环

你可以在 MSDN 中找到关于Win 32 应用程序如何注册窗口类、创建一个窗口、运行消息循环的例子。一个Win32的应用程序看起来是这样的：

int WINAPI WinMain(HINSTANCE hInstance, HINSTANCE hPrevInstance, LPSTR lpCmdLine, int nCmdShow)  {     WNDCLASS wc;      // set the window class attributes     // including pointer to a window procedure          if (!::RegisterClass(&wc))        return FALSE;             HWND wnd = ::CreateWindowEx(...);     if(!wnd)        return FALSE;             ::ShowWindow(wnd, nCmdShow);           MSG msg;     while(::GetMessage(&msg, nullptr, 0, 0))     {        ::TranslateMessage(&msg);        ::DispatchMessage(&msg);     }       return msg.wParam;     }

LRESULT WndProc(HWND hWnd, UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam)  {     switch(message)     {     case WM_PAINT:        {           PAINTSTRUCT ps;           HDC dc = ::BeginPaint(hWnd, &ps);           // paint           ::EndPaint(hWnd, &ps);        }        break;       case WM_DESTROY:        ::PostQuitMessage(0);        return 0;       case WM_COMMAND:        {           ...        }        break;     }       return ::DefWindowProc(hWnd, message, wParam, lParam);  }

我更喜欢写面向对象的代码，不喜欢面向过程，所以我用几个类封装了窗口类、窗口和设备描述表。你可以在附件的代码framework.h 和framework.cpp  找到这些类的实现（它们非常小巧 ）。

• WindowClass类是对窗口类相关资源初始化的封装，在构造函数中，它初始化了WNDCLASSEX 的结构并且调用 RegisterClassEx 方法。在析构函数中，它通过调用 UnregisterClass 移除窗口的注册。
• Window类是通过对HWND封装一些诸如Create，ShowWindow 和Invalidate的函数（它们的名字已经告诉了你他们是做什么的）。它还有几个虚成员代表消息句柄，它们会被窗口过程调用 (OnPaint,OnMenuItemClicked,OnLeftButtonDown) 。这个window类将会被继承来并提供具体的实现。
• DeviceContex类是对设备描述表（HDC）的封装。在构造函数中它调用 BeginPaint 函数并且在析构函数中调用  EndPaint 函数。

这个游戏的主要窗口是TicTacToeWindow类，它是从Window类继承而来，它重载了虚拟方法来处理消息，该类的声明是这样的：

class TicTacToeWindow : public Window  {     HANDLE hBmp0;     HANDLE hBmpX;     BITMAP bmp0;     BITMAP bmpX;       tictactoe_game game;       void DrawBackground(HDC dc, RECT rc);     void DrawGrid(HDC dc, RECT rc);     void DrawMarks(HDC dc, RECT rc);     void DrawCut(HDC dc, RECT rc);       virtual void OnPaint(DeviceContext* dc) override;     virtual void OnLeftButtonUp(int x, int y, WPARAM params) override;     virtual void OnMenuItemClicked(int menuId) override;    public:     TicTacToeWindow();     virtual ~TicTacToeWindow() override;  };

void TicTacToeWindow::OnPaint(DeviceContext* dc)  {     RECT rcClient;     ::GetClientRect(hWnd, &rcClient);       auto memdc = ::CreateCompatibleDC(*dc);     auto membmp = ::CreateCompatibleBitmap(*dc, rcClient.right - rcClient.left, rcClient.bottom-rcClient.top);     auto bmpOld = ::SelectObject(memdc, membmp);          DrawBackground(memdc, rcClient);       DrawGrid(memdc, rcClient);       DrawMarks(memdc, rcClient);       DrawCut(memdc, rcClient);       ::BitBlt(*dc,         rcClient.left,         rcClient.top,         rcClient.right - rcClient.left,         rcClient.bottom-rcClient.top,        memdc,         0,         0,         SRCCOPY);       ::SelectObject(memdc, bmpOld);     ::DeleteObject(membmp);     ::DeleteDC(memdc);  }

我不会在这里列出DrawBackground，DrawGridand和 DrawMarksfunctions的内容。他们不是很复杂，你可以阅读源代码。DrawMarksfunction使用两个位图，ttt0.bmp和tttx.bmp，绘制网格的痕迹。

我将只显示如何在获胜行，列或对角线绘制红线。首先，我们要检查游戏是否结束，如果结束那么检索获胜线。如果两端都有效，然后计算该两个小区的中心，创建和选择一个画笔（实心，15像素宽的红色线）并且绘制两个小区的中间之间的线。

void TicTacToeWindow::DrawCut(HDC dc, RECT rc)  {     if(game.is_finished())     {        auto streak = game.get_winning_line();          if(streak.first.is_valid() && streak.second.is_valid())        {           int cellw = (rc.right - rc.left) / 3;           int cellh = (rc.bottom - rc.top) / 3;             auto penLine = ::CreatePen(PS_SOLID, 15, COLORREF(0x2222ff));           auto penOld = ::SelectObject(dc, static_cast(penLine));             ::MoveToEx(              dc,               rc.left + streak.first.col * cellw + cellw/2,               rc.top + streak.first.row * cellh + cellh/2,              nullptr);             ::LineTo(dc,              rc.left + streak.second.col * cellw + cellw/2,              rc.top + streak.second.row * cellh + cellh/2);             ::SelectObject(dc, penOld);        }     }  }

void TicTacToeWindow::OnMenuItemClicked(int menuId)  {     switch(menuId)     {     case ID_GAME_EXIT:        ::PostMessage(hWnd, WM_CLOSE, 0, 0);        break;       case ID_GAME_STARTUSER:        game.start(tictactoe_player::user);        Invalidate(FALSE);        break;       case ID_GAME_STARTCOMPUTER:        game.start(tictactoe_player::computer);        game.move(tictactoe_player::computer);        Invalidate(FALSE);        break;     }  }

现在只剩下一件事了，就是留意在我们的窗口中处理用户单击鼠标的行为。当用户在我们的窗口客户区内按下鼠标时，我们要去检查是鼠标按下的地方是在哪一个网格内，如果这个网格是空的，那我们就把用户的标记填充上去。之后，如果游戏没有结束，就让电脑进行下一步的移动。

void TicTacToeWindow::OnLeftButtonUp(int x, int y, WPARAM params)  {     if(game.is_started() && !game.is_finished())     {        RECT rcClient;        ::GetClientRect(hWnd, &rcClient);          int cellw = (rcClient.right - rcClient.left) / 3;        int cellh = (rcClient.bottom - rcClient.top) / 3;          int col = x / cellw;        int row = y / cellh;          if(game.move(tictactoe_cell(row, col), tictactoe_player::user))        {           if(!game.is_finished())              game.move(tictactoe_player::computer);             Invalidate(FALSE);        }     }  }

int WINAPI WinMain(HINSTANCE hInstance, HINSTANCE hPrevInstance, LPSTR lpCmdLine, int nCmdShow)  {     WindowClass wndcls(hInstance, L"TicTacToeWindowClass", MAKEINTRESOURCE(IDR_MENU_TTT), CallWinProc);          TicTacToeWindow wnd;     if(wnd.Create(        wndcls.Name(),         L"Fun C++: TicTacToe",         WS_OVERLAPPED | WS_CAPTION | WS_SYSMENU | WS_MINIMIZEBOX,         CW_USEDEFAULT,         CW_USEDEFAULT,         300,         300,         hInstance))     {        wnd.ShowWindow(nCmdShow);          MSG msg;        while(::GetMessage(&msg, nullptr, 0, 0))        {           ::TranslateMessage(&msg);           ::DispatchMessage(&msg);        }          return msg.wParam;     }       return 0;  }

一个Windows Runtime的游戏app

Windows Runtime是Windows 8引入的一个新的Windows运行时引擎. 它依附于Win32并且有一套基于COM的API. 为Windows Runtime创建的app通常很糟糕，被人称为"Windows商店" 应用. 它们运行在Windows Runtime上, 而不是Windows商店里, 但是微软的市场营销人员可能已经没什么创造力了. Windows Runtime 应用和组件可以用C++实现，不管是用Windows Runtime C++ Template Library (WTL) 或者用 C++ Component Extensions (C++/CX)都可以. 在这里我将使用XAML和C++/CX来创建一个功能上和我们之前实现的桌面版应用类似的应用。

当你创建一个空的Windows Store XAML应用时向导创建的项目实际上并不是空的, 它包含了所有的Windows Store应用构建和运行所需要的文件和配置。但是这个应用的main page是空的。

我们要关心对这篇文章的目的，唯一的就是主界面。 XAML代码可以在应用在文件MainPage.xaml中，和背后的MainPage.xaml.h MainPage.xaml.cpp的代码。，我想建立简单的应用程序如下图。

下面是XAML的页面可能看起来的样子（在一个真实的应用中，你可能要使用应用程序栏来操作，如启动一个新的游戏，主页上没有按键，但为了简单起见，我把它们在页面上）

与win32桌面版的游戏不同，在Windows Runtime的程序中，我们不必关心用户界面的绘制，但我们还得创建UI元素。比如，当用户在玩游戏的时候，在其中一个格子里单击了鼠标，我们就必须创建一个UI元素来表示一个标记。为此，我会用在桌面版(too.bmp and ttx.bmp)中用过的位图,并且在图像控件中显示它们.。我还会在获胜的行、列、或对角线上画一个红色的线，为此，我会用到Lineshape类。

我们可以直接把tictactoe_game的源代码(game.h, game.cpp, strategy_x.h and strategy_o.h)添加到工程里。或者我们可以把它们导出成一个单独的DLL。为了方便，我使用了相同的源文件。然后我们必须添加一个tictactoe_game对象到MainPage类中。

#pragma once    #include "MainPage.g.h"  #include "..\Common\game.h"    namespace TicTacToeWinRT  {     public ref class MainPage sealed     {     private:        tictactoe_game game;          // ...      };  }      

这里有3类基本的事件处理handler需要我们自己实现：

• 处理“Start user”按钮的theClickedevent事件的handler
• 处理“Start computer”按钮的theClickedevent事件的handler
• 处理面板网格的thePointerReleasedevent事件的handler，当指针（鼠标或者手势）从网格释放时被调用。

void TicTacToeWinRT::MainPage::btnStartUser_Click(Object^ sender, RoutedEventArgs^ e)  {     ResetGame();       game.start(tictactoe_player::user);  }    void TicTacToeWinRT::MainPage::btnStartComputer_Click(Object^ sender, RoutedEventArgs^ e)  {     ResetGame();       game.start(tictactoe_player::computer);     auto cell = game.move(tictactoe_player::computer);          PlaceMark(cell, tictactoe_player::computer);  }

PlaceMark()方法创建了一个newImagecontrol控件，设定它的Source是tttx.bmp或者ttt0.bmp，并且把它添加到所走的那一步的面板网格上。

void TicTacToeWinRT::MainPage::PlaceMark(tictactoe_cell const cell, tictactoe_player const player)  {     auto image = ref new Image();     auto bitmap = ref new BitmapImage(        ref new Uri(player == tictactoe_player::computer ? "ms-appx:///Assets/tttx.bmp" : "ms-appx:///Assets/ttt0.bmp"));     bitmap->ImageOpened += ref new RoutedEventHandler(         [this, image, bitmap, cell](Object^ sender, RoutedEventArgs^ e) {           image->Width = bitmap->PixelWidth;           image->Height = bitmap->PixelHeight;           image->Visibility = Windows::UI::Xaml::Visibility::Visible;     });       image->Source = bitmap;       image->Visibility = Windows::UI::Xaml::Visibility::Collapsed;     image->HorizontalAlignment = Windows::UI::Xaml::HorizontalAlignment::Center;     image->VerticalAlignment = Windows::UI::Xaml::VerticalAlignment::Center;       Grid::SetRow(image, cell.row);     Grid::SetColumn(image, cell.col);       board->Children->Append(image);  }

当开始一场新游戏时，这些在游戏过程中被添加到网格上的Imagecontrol控件需要被移除掉。这正是theResetGame()method方法所做的事情。此外，它还移除了游戏胜利时显示的红线和显示游戏结果的文字。

void TicTacToeWinRT::MainPage::ResetGame()  {     std::vector children;       for(auto const & child : board->Children)     {        auto typeName = child->GetType()->FullName;        if(typeName == "Windows.UI.Xaml.Controls.Image" ||           typeName == "Windows.UI.Xaml.Shapes.Line")        {           children.push_back(child);        }     }       for(auto const & child : children)     {        unsigned int index;        if(board->Children->IndexOf(child, &index))        {           board->Children->RemoveAt(index);        }     }       txtStatus->Text = nullptr;  }

void TicTacToeWinRT::MainPage::board_PointerReleased(Platform::Object^ sender, Windows::UI::Xaml::Input::PointerRoutedEventArgs^ e)  {     if(game.is_started() && ! game.is_finished())     {        auto cellw = board->ActualWidth / 3;        auto cellh = board->ActualHeight / 3;          auto point = e->GetCurrentPoint(board);        auto row = static_cast(point->Position.Y / cellh);        auto col = static_cast(point->Position.X / cellw);          game.move(tictactoe_cell(row, col), tictactoe_player::user);        PlaceMark(tictactoe_cell(row, col), tictactoe_player::user);          if(!game.is_finished())        {           auto cell = game.move(tictactoe_player::computer);           PlaceMark(cell, tictactoe_player::computer);             if(game.is_finished())           {              DisplayResult(                 game.is_victory(tictactoe_player::computer) ?                  tictactoe_player::computer :                 tictactoe_player::none);           }        }        else        {           DisplayResult(              game.is_victory(tictactoe_player::user) ?               tictactoe_player::user :              tictactoe_player::none);        }     }  }    void TicTacToeWinRT::MainPage::DisplayResult(tictactoe_player const player)  {     Platform::String^ text = nullptr;     switch (player)     {     case tictactoe_player::none:        text = "It's a draw!";        break;     case tictactoe_player::computer:        text = "Computer wins!";        break;     case tictactoe_player::user:        text = "User wins!";        break;     }       txtStatus->Text = text;       if(player != tictactoe_player::none)     {        auto coordinates = game.get_winning_line();        if(coordinates.first.is_valid() && coordinates.second.is_valid())        {           PlaceCut(coordinates.first, coordinates.second);        }     }  }    void TicTacToeWinRT::MainPage::PlaceCut(tictactoe_cell const start, tictactoe_cell const end)  {     auto cellw = board->ActualWidth / 3;     auto cellh = board->ActualHeight / 3;       auto line = ref new Line();     line->X1 = start.col * cellw + cellw / 2;     line->Y1 = start.row * cellh + cellh / 2;       line->X2 = end.col * cellw + cellw / 2;     line->Y2 = end.row * cellh + cellh / 2;       line->StrokeStartLineCap = Windows::UI::Xaml::Media::PenLineCap::Round;     line->StrokeEndLineCap = Windows::UI::Xaml::Media::PenLineCap::Round;     line->StrokeThickness = 15;     line->Stroke = ref new SolidColorBrush(Windows::UI::Colors::Red);       line->Visibility = Windows::UI::Xaml::Visibility::Visible;       Grid::SetRow(line, 0);     Grid::SetColumn(line, 0);     Grid::SetRowSpan(line, 3);     Grid::SetColumnSpan(line, 3);       board->Children->Append(line);  }

结语

通过这篇文章我们能看到如何用C++语言实现一个简单的游戏，并且利用不同的技术在不同的用户界面上实现它。游戏的逻辑部分我们只用标准C++写了一次，并且使用了两种截然不同的技术用它来构建了2个应用：Win32 API，我们不得不明确的指定一些工作例如创建一个窗口并且绘制它，还有就是使用XAML的Windows Runtime，这里framework为我们做了大量的工作，是我们能够专注于游戏逻辑的实现（并且当我们需要去设计UI的时候，我们不仅仅只有手动声明这一种方法，不仅可以在XAML中，也可以在code behind里）。其中我们也看到了如何使用标准的容器例如std::array和std::set，并且无缝的在C++/CX中使用纯C++逻辑代码创建一个Windows Runtime应用。