基于游戲化學習的編程教學模式研究

張立立，徐博文，楊金柱*，王 彤，高東博

（1.東北大學 計算機科學與工程學院 計算機國家級實驗教學示范中心，沈陽 110819；2.中核控制系統工程有限公司，北京 102400）

學習利用cpp 知識、參考Qt 手冊，綜合運用計算機網絡，操作系統原理（多線程同步），數據結構，數據庫技術，MVC 設計模式，面向對象程序設計方法，軟件工程學科等知識開發實際系統。熟悉應用軟件的開發過程，要求軟件界面美觀，操作簡便，符合象棋棋牌室的實際游戲場景。

基于以上基本教學要求，本文開發了一套象棋棋牌室游戲系統，課程目標是通過學生熟悉的網絡游戲入手，逐步完善游戲功能，讓學生在編程學習中建立信心和成就感，從而對編程產生興趣，進行更深入的研究和探索。

一、系統功能介紹

系統由服務器、客戶端兩部分組成，客戶端具有選座界面、對局界面。

用戶啟動客戶端軟件之后，客戶端顯示界面并自動嘗試與服務器建立連接，若連接成功，界面顯示“已連接”；若連接失敗，系統顯示“未連接”，用戶可以通過“重新連接”按鈕來重新連接服務器。

服務器連接成功后，用戶可以輸入用戶名、密碼向服務器發送登錄請求，服務器校驗后向客戶端發送成功/失敗反饋。若已有客戶端使用此用戶名登錄，則不可以重復登陸。

完成登陸后，系統顯示當前登錄的用戶名和積分。此時，客戶端顯示選座界面，用戶可以：（1）創建比賽對局（房間）；（2）取消創建的對局（房間）；（3）加入已有的對局（房間）；（4）觀戰正在進行的對局。

當找到對手（加入房間/創建的房間被加入）或選擇觀戰模式之后，界面切換到對局界面。非觀戰模式下，用戶可以依據棋規移動棋子，移動不符合棋規時，系統不響應。

雙人對戰過程中如果某一方獲勝，對戰終止。

此時，勝負兩方分別加減積分，客戶端返回選座界面；如果有一方點擊“退出/認輸”按鈕，則判定這一方為負，其他同上。觀戰過程中，點擊“退出/認輸”按鈕，客戶端返回選座界面。流程如圖1 所示。

圖1 系統功能流程圖

二、系統詳細設計及方案

整個系統由一個中心服務器和若干個客戶端組成。用戶功能上主要有對局系統和棋牌室座位管理系統兩部分。

服務器和客戶端均利用C++和Qt 框架編寫。為了實現了多人時操作、客戶端網絡通信不影響用戶操作，使用了多線程技術。服務器和客戶端之間采用TCP 協議進行通信，服務器采用改進過的bio 模式，即為每個客戶端連接建立兩個線程分別用來收發網絡消息。

選座系統、棋規判定系統和棋盤模型等均位于服務器端。客戶端部分除了網絡模塊之外，僅保存視圖。服務器端連接mysql 數據庫存儲用戶名、密碼和積分信息。

（一）Qt 簡介

Qt 是一個跨平臺的C++應用程序開發框架。它提供給開發者建立圖形用戶界面所需的功能，廣泛用于開發GUI 程序，也可用于開發非GUI 程序。Qt 是完全面向對象的，很容易擴展，并且允許真正地組件編程。

（二）網絡通信及消息處理

服務器端由一個線程負責建立TCP 連接，連接建立成功后，開啟兩個新的線程用來進行socket 通信。

一個線程用于向客戶端發送數據，相當于“生產者消費者”模型中的消費者。在沒有需要發送的消息時利用Qt 框架的WaitCondition 等待（相當于優化后的自旋鎖，可以有效降低cpu 使用率）。當需要發送消息時，其他線程設置好此消息線程對象的消息內容成員，并喚醒此線程（相當于打開自旋鎖），就可以實現消息發送。在使用Qt 的信號與槽連接時，使用Qt::Dirrectconnection連接方案，否則會因為目標線程阻塞而無法喚醒線程發送消息。

另一個線程用于接收客戶端數據，對于每一次接收的數據。利用Qt 的信號與槽機制注冊到UserConnection類的doRecv 函數。這樣就形成了如下設計。

每個抽象的UserConnection 對應一個實際的用戶連接。

所有連接（UserConnection）共享一個RoomManager類的對象roommanager。

所有連接（UserConnection）共享一個數據庫操作類。

每個連接有一個獨立的連接抽象層（組合了收發線程的TCPConnection 類）用于管理收發線程。

對于服務器的消息發送，調用連接抽象層的send函數即可向客戶端發送消息。

對于服務器的消息接收，直接回調doRecv 函數，相應的業務就可以在此函數中得到處理，而無需考慮網絡具體實現。

用這樣類似java web 中servlet 的方式可以對底層的網絡部分更好地封裝，降低耦合便于拓展。

客戶端的網絡模塊設計與服務器類似，只是不同于服務器多個連接，客戶端僅有收發兩個線程。

（三）對局系統的實現

系統整體采用mvc 設計模式，便于降低代碼耦合性，有利于組件的重用。如圖2 所示。

圖2 mvc 設計模式

客戶端的ChessView 等類繼承自Qt 的Widget，用來與用戶交互。

服務器的ChessField 類是棋盤模型，棋規判定、勝負判定等業務邏輯在此類中實現。這個類聚合了抽象類ChessPiece 的不同實現，對應不同種類的棋子。每個子類有各自的邊界判斷，移動判斷函數。

控制器為上文提到的UserConnection 類。

（四）座位管理系統的實現

每一個UserConnection 中都有一個相同的Room－Manager 類指針指向一個共享的RoomManager 對象，程序截圖如圖3 所示。

圖3 RoomManager 類指針函數程序

可以看到：該類提供了新建房間、加入房間、觀看對局等接口，接收的參數是User，用戶連接使用時通過傳入this 指針就可以實現操作。

存儲的數據結構使用了鍵值對（QMap），其結果如圖4 所示。

圖4 QMap 結構圖

對于一個沒有對手的“單人房間”，在room_struct 當中存放兩個nullptr，這時鍵UserConnection 代表房間，作為房間句柄。

“加入比賽”時，為新加入的人也創建一個鍵值對，即一個“房間”分配兩個空間，這樣可以更加高效地定位棋盤模型和對手。

調用roomInfo 函數不直接返回該數據結構，而是將冗余的第二份房間信息去除，這樣得到的QMap 的鍵UserConnection 可以唯一標識一個房間，作為房間句柄使用。程序截圖如圖5 所示。

圖5 QMap 的鍵函數程序

這個類同時也維護用戶列表，提供重復登陸判斷等接口。

三、系統測試

（一）系統調試和難點分析

1.并發過程中數據一致性問題

問題描述：調試時，程序運行過程中出現非預期的不合理結果。比如修改某些數據不生效等情況。

原因：roommanager 共享對象在多線程環境下有可能同時被多個線程同時寫入，進而出現數據一致性問題。

解決方案：roommanager 等多線程共享對象，在需要寫入時需要用Qt 提供的QMutex 互斥鎖對給資源加鎖，在修改完成后釋放互斥鎖，在此過程中其他的線程將不能進行修改。

2.客戶端連接釋放問題

問題描述：調試過程中，客戶端程序突然終止連接后，服務器程序常常無響應或是異常終止。而作為一個服務器，因為某客戶端的某些行為導致崩潰是不能接受的。

原因：C++語言是不同于java 一類具有垃圾回收器的編程語言，需要手動管理內存及相應的資源。在客戶端中斷連接以后，必須要結束為該用戶創建的連接線程，釋放內存，清除所有此用戶的對局狀態信息，同時從已登陸用戶列表中移除該用戶。

解決方案：必須找到合理的方式釋放資源。

在線程創建過程中將RecvThread 類的die 信號與TCPConnection 類的析構方法連接。當檢測到客戶端連接中斷后，RecvThread 發出die 信號。這時，首先析構TCPConnection 對象，在～TCPConnection（）中析構User－Connection 類的對象。

為了清除所有此用戶的對局狀態信息，同時從已登陸用戶列表中移除該用戶：UserConnection 類的析構方法調用RoomManager：：logoff，此函數釋放所有包含UserConnection 的對局。并在users：QSet 中刪除這個User，從而實現將該用戶標記為非登陸狀態。

完成以上這些之后，關閉TCPSendThread 線程，由于此線程處于阻塞狀態（等待網絡消息的生產者生產消息），故不能直接結束線程。使用Qt 提供的terminate（）函數強制終止線程有會帶來一系列的問題，比如影響到其他正常運行的線程。故設計了如圖6 所示的interrupt 方法。

圖6 interrupt 方法程序設計

最后，需要終止TCPRecvThread。

（二）系統運行界面

圖7 為系統登錄界面，正確輸入用戶名和密碼后，點擊登錄按鈕，可以進入到選座系統界面，如圖8 所示。

圖7 系統登錄成功界面

圖8 選座系統界面

選座完成后，點擊建立房間，進入對戰模式，如圖9所示。

圖9 對戰界面

四、結束語

本文給出了使用C++和Qt 技術進行象棋棋牌室游戲軟件的設計方案，詳細介紹了系統各部分的功能原理、運行流程及具體的實現方案，最后對系統各個功能進行測試。本設計案例重在鞏固學生對理論知識的理解，讓學生明白只有通過實踐才能驗證所學所得、才能熟練掌握課程知識。在實踐中多層次全方位的學習知識、在實踐中加深對所學知識的印象，鍛煉軟件開發的能力，以及對系統調試和解決實際問題的能力。