《從零開始PYTHON3》第十四講
通常來說，Python解釋執行，運行速度慢，並不適合完整的開發游戲。隨着電腦速度的快速提高，這種情況有所好轉，但開發游戲仍然不是Python的重點工作。
大多應用是利用Python開發效率高的特點，進行游戲原型驗證，或者在大的游戲系統中，使用Python進行地圖、場景等定制。還有就是使用游戲開發的技術和理念,將Python用於商業視覺展示、工程效果展示。
原型驗證：指的是有了一個好的游戲想法，完整的開發出來肯定需要大量的人員、費用、時間，利用Python編程簡單高效的特點，先模擬完成一部分游戲的功能，從而能夠展示給投資人、客戶，獲取大家的認可，進而得到經費投入。
地圖、場景定制：游戲的開發肯定需要很多專業技術方面的高精尖人才，但游戲的運營、地圖的設計、故事情節等。這都是商業或者藝術方面的專業強項，而這些人員不大可能使用c/c++等常用的游戲開發工具來做這些工作。因此，游戲開發過程中，通常完成Python語言的接口，讓這些商業、藝術工作人員也能使用比較方便的手段進行游戲功能的調整。
此外，現代的游戲開發已經是一個大團隊合作的產物，已經非常難以單打獨斗完成一款游戲。所以學習游戲編程的目標並不是希望自己獨立完成一個游戲，而是用這種思路來解決具體問題。
通常游戲開發的工作分工是這樣的：
其中音效、畫面都會由更專業的團隊完成。最后由程序人員集成在游戲中。在游戲中，音樂音效、操作控制、游戲邏輯、畫面幾個部分，都是並行在同時進行的。它們必須共同生效，游戲才會好玩。
Pygame編程和音樂播放
Pygame是一個強大的游戲擴展包，首先也是安裝：
#使用管理員模式啟動cmd命令行，然后執行：
pip install pygame #某些系統是pip3 install pygame
這個安裝擴展包的過程，我們重復了很多遍，這個算是最后一遍了。因為Pygame是我們課程講解的最后一個擴展包。比起來其它的軟件，Python的擴展包，只要你知道了名字，安裝幾乎都是相同的。即便不同的操作系統，差別也不大。
在這一講，我們會采用跟以前不同的方法來講述Pygame擴展包的使用。原因是Python有非常多的擴展包。即便官方內置的擴展包，也量非常大。如果完全等待別人教你使用這種方式是不可能的，此外即便是別人教過了，Python和擴展包的升級也非常的快。原有的使用方法，很可能現在已經不適用了。這些都要求你有自己探索的能力，在Python基本技能的學習掌握之后，根據自己的編程需求，選擇相應的擴展包，查找資料、文檔。在網上資料的幫助下，掌握擴展包的使用方法。
從目前行業內的使用情況看，最大的障礙在於目前主要的文檔來源都是英文的，這要求我們具備一定的英文閱讀能力。此外，雖然版本的更新對擴展包的使用有一些差別，但這種差別畢竟不算大。所以在國內一些相對較早的文檔幫助下，再對應國外新版本的文檔，也能降低你的學習門檻。
只是播放mp3，Python有很多擴展包可以選，很多操作起來也更簡便。不過pygame是為了游戲設計，除了背景音樂，音效、與畫面的協作也考慮的更多。所以雖然用起來復雜一些，我們依然還是選擇學習用Pygame播放mp3音樂。目的，更多是期望學習者除了學習python相關的知識，也更多理解現代計算機並發多任務和多種約束條件下的編程思維。
拿到一個新的擴展包，通常你有這樣幾種途徑了解它的使用：
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到官網查看官方文檔（通常是英文）
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在搜索引擎網站比如百度搜索中文的資料，這種情況比較多見，因為大多情況下，你之所以知道這個擴展包，也是在網上搜索相關資料的時候，別人介紹的。而通常這種情況下，都已經有包簡單實用的介紹。
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使用Python內置的dir()/help()函數，當前還是英文資料，適合已經了解擴展包的基本架構，只是在函數選擇、調用的時候查找資料
所以，實際上，通過搜索引擎查找相關資料，應當是你上手的最優選擇。以pygame為例，通過查找中文的資料，總結之后，應當能寫出這樣的程序：
#MP3播放器
#引入擴展庫
import pygame
#歌曲文件
file='rongHua.mp3'
#初始化聲音庫
pygame.mixer.init(frequency=44100)
print("播放音樂-絨花")
#載入音樂文件
pygame.mixer.music.load(file)
#播放聲音
pygame.mixer.music.play()
程序每一條語句都有注釋，大概的框架上看，應當也是順序執行的。有一些參數可能你還不能明白，比如frequency=44100，不過應當不影響你抄過來用。這個是指定音頻庫使用的采樣頻率，44100一般已經是高保真音樂的采樣頻率了。通常mp3文件都是這種格式。另外忘了交代，rongHua.mp3是我們要播放的聲音文件名稱，記得要提前准備好，放到程序同一個目錄。
執行程序之后發現，詭異的事情發生了，程序只顯示了一行文字：“播放音樂-絨花”，然后就退出了，並沒有事情發生，也沒有音樂播放出來。
一開始就說過了，本講重點不完全是播放一首音樂，而是希望能引導大家使用探索的方式，來了解一個新的擴展包如何學習和使用。所以不要等待着我說出答案，而是積極的思考，判斷出現了什么問題，並且嘗試去解決。
首先要說明的是，程序本身引入pygame庫、庫的初始化還有播放語句語句本身都並沒有什么錯誤。通常在網上查找資料的時候，只要認真閱讀，比較容易保證這一點。難以馬上學會並應用到編程中的，是關於某個庫“架構”方面的內容，也就是影響程序結構方面的內容。如果覺得這句話比較抽象的話，你可以回憶一下上一講我們嘗試過的flask網絡編程框架。框架、架構，這兩個詞在這里基本可以划等號了。
我們的程序沒有能播放出來音樂，也是這方面的原因。
通常游戲程序要包含至少4部分的內容，我們用本講開始的那張圖來說明，音樂、畫面、操控、邏輯這四部分內容是並行運行，相互配合，才能展現給用戶一個圖文並茂、流暢、吸引人的游戲。
因此作為游戲的一部分，音樂的播放也不可能像我們前面學過的繪圖、計算等操作一樣，在音樂沒有播放完成前，程序停止在那里一直等待。事實上通常游戲的做法都是，發出播放音樂的命令之后，命令本身馬上返回，讓程序有能力並行去處理按鍵輸入、繪圖等動作。
而在我們上面的程序中，播放這個命令肯定是發出去了，但沒有等音樂聲響起，程序就已經結束退出了。程序的結束退出將自動的釋放程序打開的各項資源，清理運行的痕跡，從而音樂也就不可能再放出來了。
這僅僅是我們推測分析的結果，我們來證明一下，方法就是在程序最后增加一行語句：
#程序等待5秒鍾
pygame.time.delay(1000*5)
使用這樣語句的目的是，如果我們上面的推測成立，那肯定要對程序做結構上的調整。這個工作量會比較大，所以我們先使用簡單的語句來驗證一下我們的思考。
再次運行程序，你會聽到音樂響了5秒鍾，然后程序退出，音樂也停止了。
這基本可以證明，我們的思考正確。此外似乎還有些別的問題，比如音樂一開始有一個“破音”，這讓人感覺不好。而且程序似乎有的時候能正常播放，有的時候還是不穩定，無法播放成功。
下面要如何改進程序呢？
通常我們會繼續在網上搜索pygame模塊使用的案例，閱讀別人的程序，有的時候運氣好，你碰到的程序代碼，跟你想寫的代碼是完全相同的功能，這時候你可以拷貝過來直接使用。但大多時候，你只能找到功能相近的代碼，所以仍然需要你閱讀別人的程序，並從其中學習對你有用的部分。
比如，你可能搜索到我們第一講演示的游戲，其中當然也有聲音處理的部分，你會重點閱讀這部分的代碼，來找出同自己程序的區別，以求解決問題。
在這個過程中，我們又做出了一些判斷，當然這些判斷依然需要大量程序的經驗，所以並不能要求初學者也能輕易做到。但復雜的做不到，你可以從簡單的入手，逐漸積累。這里只是想告訴你正確的學習思路：
- Pygame作為一個游戲開發庫，聲音的播放需要依賴一個窗口，也就是游戲的畫面。沒有窗口的情況下，播放進程無法穩定的工作。這一項原因推測來自於，很多網上找到的代碼，在聲音處理上並沒有太多不同，但能正常工作，所以會有這樣的猜測。
- Python的各個功能，初始化一般意味着建立各項必須的資源，完成工作后，退出之前，應當釋放掉這些資源，特別是系統公用的聲音、顯示等，如果程序只是退出，沒有釋放，就可能導致再次運行的時候，聲音無法正確完成初始化，畢竟一個系統的設備，是被所有程序所公用的。
- 系統本身原因，不能快速的連續的初始化及釋放，兩次運行之間應當等待片刻。這個判斷，在多次運行程序，查找規律的過程中，能很快的發現，當然需要你足夠的細心觀察。
- “破音”是因為在聲音設備初始化后，尚未穩定之前就開始發送音頻數據，此時的數據無法被正常解析，造成破音。這僅為猜測，需要實驗的證實。
驗證思考最好的辦法就是修改程序，然后再次運行實驗，因此我們再完成一版程序：
#引入擴展庫
import pygame
#歌曲文件
file='rongHua.mp3'
#初始化pygame顯示庫
pygame.display.init()
#打開一個窗口
screen = pygame.display.set_mode([200,100])
#初始化pygame聲音庫
pygame.mixer.init(frequency=44100)
print("播放音樂-絨花")
#載入音樂文件
pygame.mixer.music.load(file)
#保存當前音量
v = pygame.mixer.music.get_volume()
#設置為靜音，防止開始的爆破音
pygame.mixer.music.set_volume(0)
#播放聲音
pygame.mixer.music.play()
#延時0.2秒打開聲音，避過爆破音
pygame.time.delay(200)
pygame.mixer.music.set_volume(v)
#播放5秒鍾
pygame.time.delay(1000*5)
#停止播放
pygame.mixer.music.stop()
#退出聲音庫和顯示庫
pygame.mixer.quit()
pygame.display.quit()
每一行代碼都有注釋，我只講解跟上一版不同的代碼：
- 初始化的時候打開一個窗口，雖然什么也沒有顯示，但讓播放器有了載體。
- 一開始關閉聲音，延時再打開音量，避開一開始的爆破音。
- 程序退出前關閉播放，釋放各項資源。
此外這些工作中，用到了很多新的函數，這些函數一開始你並不可能知道。這些函數的學習一般是兩個方向，一是概要的瀏覽pygame的手冊或者幫助，在心中有一個粗的概念，這樣用到什么功能的時候，你會想起來可能有某個函數能完成這個功能，然后再精細查看。第二是希望用到某個功能，在網上查找使用Python或者pygame如何做到這個功能。當然還有另外一種渠道，有可能你直接搜索到了功能相近的代碼，從中間直接抄過來使用。
試運行之后我們開心的發現，穩定性問題和爆破音都解決了，剩下最關鍵的，如何完整的播放音樂文件？
這涉及到了我們前面講過的程序結構問題，也是一個框架型的程序庫對程序結構的要求。這一部分一般沒有好辦法，只能通過閱讀官方的文檔或者閱讀其它程序的成熟代碼來獲取，這個過程一般會較長。好在我們大多情況下不會上來就碰到這么復雜的問題，都是循序漸進。並且大多的擴展包只是增加功能性的函數，並不要求程序的結構有多少改變。
我們通過一張對比圖來說明pygame對程序結構的要求：
傳統程序雖然我們不怎么熟悉聲音處理，但結構我們都比較熟悉。程序中可能有循環，但總體是串行執行的，完成一件事情，才去做另外一件。
從外觀上看，右側的游戲程序結構，跟左側不過多了一個循環。但你要記得，這里面每一項都是並行執行的，每一個步驟並不會等待這一項工作做完，就會返回接受新的命令，所以程序的聲音、圖像、程序邏輯、鍵盤控制，才可能一起發生作用。
這種並行處理的程序，同傳統的程序比，有很多不可協調的理念區別，pygame為了做到並行，采用了“事件驅動”的理念來完成這種控制。
事件驅動實際是存在很久的編程方式了，一般傳統的Windows程序，都使用微軟公司提供的消息循環，來處理所有的窗口事件。Python pygame的事件處理，也是采用類似的機制。
總結一下使用事件驅動的方式來編寫pygame程序的要點：
- 聲音、圖像、鍵盤鼠標輸入、游戲邏輯必須並行進行，任何一個局部不能長時間無限制的執行（網絡編程實際也是並行的，但在小型網站項目中，沒有體現那么清晰和嚴格）
- 各個環節之間的同步、配合，都是通過互相發送消息的方式來完成的。從獨立一個功能（模塊）角度來看，往往是得到某個消息之后，開始進行某項任務，這種方式叫做事件驅動
- 各種消息都是通過核心的消息傳遞模塊完成的，程序的主循環一般就是不停的讀取消息，根據消息的定義分發給不同模塊，並執行不同功能，也稱為消息循環
我們根據剛才這些理念，重新改寫程序，這個程序最終形成code4.py，這里只介紹重點的消息循環部分：
#... 初始化及基本播放代碼忽略...
#自定義一條消息(一個事件)用於表示播放結束
#pygame.USEREVENT是pygame中預定義的用戶消息起始值
MUSIC_END = pygame.USEREVENT + 1
#設置當前音樂播放完成后，發送自定義的消息
pygame.mixer.music.set_endevent(MUSIC_END)
#延時0.2秒打開聲音，避過爆破音
pygame.time.delay(200)
pygame.mixer.music.set_volume(v)
#定義一個退出程序標志
requireQuit = False
#程序主循環
while not requireQuit:
#循環接受各種事件
for event in pygame.event.get():
#如果是自定義的播放完成消息
if event.type == MUSIC_END:
requireQuit=True #退出
break
#界面窗口菜單關閉申請
elif event.type == pygame.QUIT:
requireQuit=True
break
#有鍵盤抬起
elif event.type == pygame.KEYUP:
#q鍵
if event.key == pygame.K_q:
requireQuit=True
break
#... 退出操作 ...
程序中，我們自己定義了一條消息。所謂消息，並不是平常人類喜聞樂見的一條短信或者語音，其實就是一個整數數字。為了容易記憶，我們當然自己定義了一個變量名來代表它，但實際它就是一個數字。
原因是對計算機來講，其實一切都是數字，我們用一個字符串反而讓計算機執行的更慢。
隨后，因為我們的消息循環中肯定還可能嵌套循環，一個break語句只能打破內部的循環，並不能讓外部循環也退出，所以我們定義了一個bool的變量，來表示程序是否需要退出循環。
這里的消息循環從技術上並沒有啥難度，主要是你需要適應這么多新的函數和預定義的變量（這里當然當做常量來用，比如表示pygame需要退出）。
在內部循環中，我們判斷了三種可能需要退出的消息。一是自己定義的，如果音樂播放結束，應當退出；二是用戶用鼠標關閉窗口，程序應當退出；三是按q鍵表示用戶希望退出播放。
按下按鍵游戲采取相應動作是很常見的游戲處理工作，我們在這里等待用戶按下按鍵然后再松開的這一刻退出，這樣防止用戶按下q鍵一直沒有松手所導致的程序退出后，屏幕上還會出現很多q字符的情況。
現在的程序已經能正常的播放音樂了，實際上我們的程序還能進一步優化。比如1.添加播放的時間顯示；2.向前向后跳轉播放。
這兩個功能都可以在消息循環中處理，這樣程序才是並行的。現在你可能感覺到了，實際上消息循環中，才是程序的主要邏輯。的確如此，其實所有的游戲基本都是在消息循環中做所有的主要工作，當然具體工作細節，都是由已經定義好的函數或叫子程序來具體執行完成的，在主循環中，只是對這些函數的組織、管理和調用。
顯示播放位置：
#程序主循環
while not requireQuit:
#獲取當前播放位置
pos=pygame.mixer.music.get_pos()
#顯示
print("Playing:", pos,end='\r')
消息循環中，在按鍵部分添加代碼：
#如果是向右鍵，則前跳10秒
elif event.key == pygame.K_LEFT:
pygame.mixer.music.set_pos(pos/1000-10)
#如果是向左鍵，則后跳10秒
elif event.key == pygame.K_RIGHT:
pygame.mixer.music.set_pos(pos/1000+10)
這樣的功能增加，依賴於你對pygame擴展庫越來越熟悉，通過閱讀文檔，發現pygame擴展庫能提供什么樣的功能。而這個功能你又需要，就可以加入到程序中。
練習時間
其實本講可以說從開始到現在都是挑戰，因此沒有再設置單獨的挑戰環節。
我們直接進入練習的環節：
- 以本講前面最終版代碼code5.py為藍本，修改程序，實現由命令行參數接受mp3文件名，並播放
- 除了q鍵之外，請設定ESC鍵也作為退出按鍵。提示，ESC鍵的代碼為：pygame.K_ESCAPE
本講小結
- python並不是很適合進行游戲編程，但游戲編程的學習能讓你的程序更友好，並具有豐富的表現力
- 並行、事件驅動的編程思想，是現代程序開發的前沿思想，對於提高程序的效率和穩定性有重要的幫助
- 在一個新模塊的學習中，循序漸進，逐步完善代碼是常用的一種手段。在本講，我們更側重講述，你接觸到一個新的擴展包，如何查找資料、分析問題，最終掌握它的使用
練習答案
請參考mp3Player.py程序。
（所有本系列中出現、使用過的源碼將會在連載完成后統一整理提供下載。）