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前言
本文作者赵杭天。他加入了“2022 RTE 编程挑战赛”——“赛道二 场景化白板插件利用开发”，并凭借作品“成语解谜”取得了该赛道大奖。“成语解谜”是一个基于互动白板 SDK 的互动小游戏利用。通过前端编码、调用白板 API 能力、定制化后端逻辑等，实现了一个老少咸宜、寓教于乐的成语解谜游戏。其中的流程、步骤与相干的技术栈在白板互动利用开发上具备肯定的通用性。本文将分享该项目标开发过程，包含一些要害性能的实现，心愿与各位同学一起交换，共同进步。大家能够拜访 game.willtian.cn/idiom2/，在线体验该作品。
01 选题
为什么要做这样一款小游戏？有几个起因。
零几年刚上小学的时候，第一次接触到电脑和教育软件，外面有一些小游戏，真的会被疏导去学习到一些货色，比方一些名词概念、迷信常识，对小孩子挺有帮忙。
“白板”两个字，给我的第一感觉是回到了校园。在学校里都能遇到很好的同学和老师，有很多美妙的回顾。小时候喜爱读成语字典，就像看故事书，而后在教室里也会玩一些相似成语解谜这样的字谜游戏。
20 年疫情在家会玩一些益智休闲游戏，能玩到本人做的游戏，感觉很开心。另外，这类游戏很适宜碎片化的工夫，并且能让用户学习到一些货色。尤其适宜小朋友和喜爱休闲游戏的大敌人；对于前辈，操作上比拟敌对，内容也容易引起共鸣。从市场和社会上看，都是有价值的。
02 什么是互动白板 SDK
互动白板的正式名称叫 声网 Flat（点击文末“浏览原文”，理解更多），官网的解释是：“集体老师可间接应用的在线授课软件，开箱即用，前后端齐全开源，疾速搭建简洁好看的在线教室”。它运行起来初始界面长这样子：
互动白板初始界面
左侧工具栏图标通知咱们，这是一个能够在下面写写画画的货色。它具备这些特点：
1. 互动性，每个房间对应一个互动白板，默认状况下，房间内所有人都能够操作白板，并且交互成果所有人可见的；
2. 扩展性，除根本的书写、涂鸦性能外，互动白板反对自定义利用（点击工具栏最上面的“田”字型图标查看所有利用）；
集体认为反对各种 APPs 是 Flat 互动白板最弱小的性能，通过 Flat 提供的 SDK 能力，咱们能够实现许多简单的性能的白板利用。
每个房间对应一个白板
互动白板的内容，包含文字、涂鸦以及 App，可由 SDK 中的 Window Manager 对象来管制。能够通过 官网提供的 demo 来疾速相熟一个 App 开发流程。利用 Window Manager 的 API 接口，咱们能够实现利用实例通信等操作，具体例子请见后文。
03 架构布局
在开展具体例子前，先介绍“成语解谜“我的项目的整体框架。如下图，咱们将前后端拆散的形式，前端专一页面绘制与互动，后端专一题目生成与后果判断。用户拜访前端页面无需下载全量词库，大幅提高访问速度。前端利用 Window Manager 的 context API 接口，在声网服务器上进行 App 实例的同步与播送。
前端 App 实例与声网服务、游戏后端的通信
04 界面设计
咱们采纳“设计驱动”的开发模式，首先画出设计图，而后一步一步的把脑海里的画面通过代码变成事实 :
设计草图
游戏主界面设计图如上，交互设计如下：
1. 谜面随机呈现若干个成语，这些成语由公共字进行关联，作为生成的约束条件；
2. 成语间关联的公共字被挖走并随机排列，作为候选字；
3. 用户通过“触摸 -> 拖拽 -> 搁置”交互操作候选字的实现对谜面的补全；
4.“提交”失去对用户谜面的判断后果，别离对应通关与未通过的场景；
5.“重置”将谜面和候选字复原到游戏初始状态；
6.“答案”通过弹窗展现谜面蕴含成语的信息，包含字型、字音、释义、出处以及用例；
（对于比较复杂的场景，倡议把场景间接切换的逻辑都画进去，造成一个比拟实现的需要文档）
抓住主要矛盾，优先实现外围性能的开发，实现产品原型后，再持续打磨，解决次要矛盾。
05 前端开发
实现游戏根本界面设计后，咱们开始抉择前端框架并实现界面开发。
适宜游戏开发的前端框架很多，Three.js、Phaser、Cocos2d-js 等，针对具体需要抉择。个人感觉 Three.js 比拟底层，用来写游戏代码量可能比拟大。Cocos2d-js 封装程度较高，须要相熟 Cocos 的工具链，对于非专业做游戏的同学而言，上手难度不低而且技术可迁移性不高。
这里抉择的是 PixiJS，PixiJS 是一个基于 2D WebGL 的渲染引擎，兼容 HTML5 Canvas。它有一系列正当、整洁的 APIs，反对 Sprite，将对象形象为各种层级的 Container。相似 React/Vue 数据驱动的设计，在 PixiJS 中，通过批改 Container 的参数，即可产生用户界面的变动。Pixi 的 API 实际上是 Flash 率先应用的，通过重复改良，有 Flash 教训的同学极易上手。
入口
以“成语解谜”为例，咱们来介绍编码的一些细节。首先咱们找到本人代码的挂载点，依据 文档给出的 demo 或者 本文提供的例子，找到这个入口文件：
自定义利用的入口（src/index.js）
留神到 const box = context.getBox(); 这一行，box 对应这个利用关上的窗口。咱们通过 box.mountContent 向窗口挂载了蕴含咱们的 App 实例的 div 容器 $content。
App 类
接下来，咱们定义 App 类。要害代码如下。
App 类（src/app.js）App 类中持有一个 PIXI.Application 实例，此外 App 类还持有一些绝对 App 维度上的变量与办法，例如：从 setup（见 src/index.js）里透传的过去的 context（用于调用 Window Manager 的 API）、App 实例的 id（用于前端辨别 App 实例）、layers（图层）、resizeObserver（用于监听界面变动并自适应布局）getRandomString（生成每局游戏的 token，用于后端交互）、storage（用于在声网服务器上存取 App 的状态）等。
Scene 类
咱们为每个场景写一个 Scene 类，这里只有一个场景。App 类实例化了 Scene 类，并应用 addChild 将 scene 实例退出渲染。接下来咱们为主界面写一个 Scene。要害代码如下：
Scene 类（src/scene.js）
在 Scene 的构造函数里实例化了“提交”、“重置”和“答案”三个按键，并定义了对应事件。咱们在 Scene 里实例化了类 Idiom，一个 Idiom 实例对应一套字谜与候选字，Idiom 又有子对象 Piece，Piece 对应具体的每一个字块。因为 Scene 的按键事件函数的须要，咱们把 Piece 状态的保留 / 读取办法写在了 Scene 类里。
Idiom 类 & Piece 类
咱们在 Idiom 类里定义了谜面与候选字的（Piece）字块生成办法、重置办法、拖拽失效办法。在 Piece 类中实现拖拽时的外观行为。
Idiom 类（src/idiom.js）
Piece 类（src/piece.js）
整体成果
主界面运行成果
06 后端开发
实例关联与隔离
因为词库比拟大，用户每次加载残缺词库会耗费较多的带宽和工夫，对用户体验影响较大。咱们通过搭建后端将谜面的获取、提交后果的验证、答案的获取，进行服务化，晋升用户体验。
如上文“架构布局”所述，咱们和每个 App 实例均持有一个 token，用于与后端通信时，对应上后端的游戏实例对象。UserGames 的 key 即为 token，在承受到浏览器发来的申请后，后端会在 UserGames 中查找相应的游戏实例 BoardGame，并失去以后的游戏状态，包含谜面 table、答案 answers、答案解析 answerDetail 等。
应用 UserGames 的 key(token) 来隔离游戏实例，并与前端 App 实例关联
谜面生成
谜面是怎么生成的呢，根本的算法思路是：
1. 预处理成语库，建设所有成语的字索引 NthOfChar *[]map[rune][][]rune，保留第 n 个字为 m 的信息；
2. 应用 DFS 递归搜寻谜面。在以后成语找一个字 k 作为下一个生成开始的节点，依据约束条件，选定新成语以及新成语摆放地位：
a. k 必须呈现在新成语中；
b. 新成语搁置后须保障以后谜面不被毁坏；
搜寻的过程中应用索引 NthOfChar 实现剪枝；
多解兼容
咱们通过生成算法造成的谜面同时会产生 1 个惟一的答案。但实际上可能答案并不惟一，尤其是在成语较多时，替换某几个字，亦可生成正当的答案。针对这种状况，我须要一一校验用户提交的成语。若成语库里总共有 N 个成语，对成语库的成语生成字典树 Trie，能够将查找时间复杂度从 O(N) 降落到 O(1)，最多 4 次搜寻。
全局单例
负责游戏实例生成的构造体 GlobalBoard 贮存了全量成语以及两头数据信息，作为全局单例，缩小内存拷贝；对于每个问题（谜面）获取的申请，间接返回 GlobalBoard 生成后果的拷贝。
应用全局单例与状态拷贝的形式优化内存应用
07 App 实例通信
实例状态的同步
到目前为止，咱们根本实现单用户的游戏。然而当咱们关上两个浏览器 tab 模仿多用户操作时会发现，App 的交互仅对以后用户失效，其余用户是无感知的。体现为，A 用户关上 App，拖拽到 App 窗口适合的地位，开始游戏，将候选词与空字块替换，而后提交；同时，B 用户在同一房间，却只看到了 A 关上 App，拖拽 App，看到的 App 内容与 A 的 App 展现内容并不同步，也感知不到 A 对 App 做的操作（能看到 A 鼠标光标静止，这是 Flat 兜底的同步逻辑）。
针对以后问题，咱们能够天然想到必须有某种机制，使用户在本地对 App 实例操作后，同步状态到某个所有用户可拜访的远端服务里，而后告诉所有用户将远端服务贮存的状态同步到本地 App 实例中，从新渲染 App 画面 ，这样才能够实现 多用户的互动。
谈到这里，大家可能会想到，那咱们是否能够在本人写的后端服务中退出同步性能呢？让咱们构思一下做这样的同步性能须要做哪些事：
1. 设计一套通信机制，本地实例可能被动感知远端状态的更新；
2. 解决好超时、重连、弱网等问题；
3. 提早足够低，能承受业务稳定的负载；
4. 服务通过充沛的测试，足够稳固；
认真思考会发现，稳固牢靠的实时通信其实是一个比拟大的课题，并不应该成为实现业务、产生业务价值的一个次要工作，换言之，本人造轮子的投入产出并不高。声网在实时网络通信畛域耕耘多年，基于其技术积攒，在 Flat 我的项目中提供一系列十分有用的通信 APIs，这些 APIs 设计与 React 很像，比拟容易上手。上面咱们通过这些 APIs 进行同步与播送，解决互动性的问题。
让咱们回到前端代码里，在 app.js 的 App 类做一些批改：
初始化实例的 storage
咱们给每个 App 实例持有一份 storage 对象，storage 对象来自白板利用创立时失去的 context。这里的 storage.ensureState 用以确保 storage.state 蕴含某些初始值。context.storage 实际上关联了远端服务的一个存储实例，它实时监听到本地 storage 的变动，当变动产生时，将主动同步最新的 storage 到服务端。即便是不同的用户，同一房间雷同的利用实例，实际上会对应到同一个远端 storage，画一张图直观一些：
storage 关联关系图
弄明确 storage 的同步个性，咱们要做的就是 在游戏状态发生变化的时候更新 context.storage，以及 减少监听 context.storage 变动的回调事件，将远端 context.storage 同步到游戏（利用实例）中。
咱们将状态的 push/pull 办法做封装，使代码更利于保护。这里的 storage.setState 和 React 的 setState 相似，更新 storage.state 并同步到所有客户端。
游戏状态 -> 远端 storage
减少监听事件，addStateChangedListener在有人调用 storage.setState() 后触发 (蕴含以后 storage)，在这里咱们编写将远端 storage 同步到游戏状态的逻辑。
远端 storage -> 游戏状态
分布式锁
构想这么一个场景，咱们的用户须要独特操作同一个 App 实例，比方共同完成一场解谜游戏，用户 A、B 简直同时点击了“提交”，后端接到提交申请，判断答案正确，而后为游戏实例散发新的题目，此时，若后端在为 A 散发题目的过程中 B 的申请达到，且也给 B 散发新的题目，会导致 A、B 前端收到不统一的新题目。此外，还有一种场景，用户 C 因为弱网或其余起因，提交后未马上收到反馈，反复频繁地点击提交，将导致发动反复申请，用户较多且申请工夫集中时，容易导致负载稳定，影响服务质量。
因而，咱们有必要为“提交”减少一个分布式的锁，使在某个 App 实例里，所有工夫里，只能由一个用户提交。
通过 context.storage 实现分布式锁
实例播送
当对于某个 App 实例，某个用户提交通过失去新的游戏状态（新的谜面与候选词等）后，须要将状态同步给其余用户。实际上咱们能够将获取新游戏与状态写入本地游戏这两步拆散，在进行播送时本人也会接管到，所有包含本人在内的用户监听到播送立刻写入本地游戏。如图所示：
先获取新状态再通过播送进行状态同步的流程
咱们能够利用播送与监听 API context.dispatchMagixEvent(event, payload) 和 context.addMagixEventListener(event, listener) 上述性能：
在游戏状态发生变化（提交胜利和重置）时播送
监听播送产生，并依据具体事件做不同操作
至此，咱们的逾越前后端的实例通信局部也实现了，实现了用户对 App 实例操作时交互的同步，并解决了如同时、反复提交这类的并发问题。此类问题在其余互动利用的开发中也普遍存在，这里提供了一些参考。
08 小结
声网 Flat 开源我的项目提供了白板 SDK，反对开发自定义 App，为在线教育和白板利用提供了微小的设想空间。本次分享从一个首次接触 Flat 开发者的视角，介绍了互动白板的特点，并从基于理论例子——实现一款互动小游戏，分享了小游戏前端框架的抉择与应用、整体架构设计思路、后端开发流程等。同时介绍一些实用的 window-manager API，并在实战中如何应用这些 APIs 来疾速解决一些本来比较复杂的问题。心愿能对大家开发 Flat 白板自定义利用、在线互动小游戏中提供一些参考和帮忙。因为工夫仓促，仍存在许多有待欠缺和优化的点，请大家不吝指出。抛砖引玉，互动教育、教育游戏等在国内外仍有较大的市场前景，心愿与大家有更多的交换与单干，谢谢大家。
- 参考：
https://github.com/netless-io/window-manager/blob/master/docs/develop-app.md
- https://github.com/netless-io/window-manager/blob/master/docs/app-context.md
- 成语解谜：
https://github.com/Zhao-hangtian/happy-star
- 大赛官网：
https://www.agora.io/cn/rte-hackathon-2022
- 大赛作品仓库：
https://github.com/AgoraIO-Community/RTE-2022-Innovation-Challenge