1、青岛科技大学本科综合课程设计论文- 1 -1 引言随着计算机技术的不断发展，网络技术的普及范围越来越广，网络能够提供的服务多样、便捷，已经成为人们生产生活中不可缺少的重要组成部分。如今网络休闲游戏发展迅速，它凭借健康、方便、互动性强、益智等诸多优点，成为大部分现代人休闲娱乐的首选。网络五子棋游戏是使用 Java 语言开发的一款游戏。它使用 SOCKET 建立连接，多线程处理数据，以及可嵌入网络浏览器的 APPLET 作为客户端，这些特点使这款游戏无论是服务器还是客户端的实现都相对容易。通过对该软件的编写，还可以巩固学生对以上各种知识的掌握和理解。网络五子棋游戏- 2 -2 JAVA语言概述2.
2、1 JAVA简介JAVA 是 Sun Microsystem 公司开发的编程语言，是一个简单，面向对象，分布式，解释性，强壮，安全，与系统无关，可移植，高性能，多线程和动态的语言。2.1.1 JAVA的基本特点(1) 简单性Java 与 C+语言非常相近，但 Java 比 C+简单，它抛弃了 C+中的一些不是绝对必要的功能，如头文件、预处理文件、指针、结构、运算符重载、多重继承以及自动强迫同型。 Java 实现了自动的垃圾收集，简化了内存管理的工作。(2) 面向对象Java 提供了简单的类机制和动态的构架模型。对象中封装了它的状态变量和方法，很好地实现了模块化和信息隐藏；而类则提供了一类对象的
3、原型，通过继承和重载机制，子类可以使用或重新定义父类或超类所提供的方法，从而既实现了代码的复用，又提供了一种动态的解决方案。(3) 多线程多线程使应用程序可以同时进行不同的操作，处理不同的事件。在多线程机制中，不同的线程处理不同的任务，他们之间互不干涉，不会由于一处等待影响其他部分，这样容易实现网络上的实时交互操作。(4) 分布性Java 是面向网络的语言。通过它提供的类库可以处理 TCP/IP 协议，用户可以通过 URL 地址在网络上很方便的访问其他对象。青岛科技大学本科综合课程设计论文- 3 -(5) 体系结构中立Java 是一种网络语言，为使 Java 程序能在网络的任何地方运行，Jav
4、a 解释器生成与体系结构无关的字节码结构的文件格式。为了使 Java的应用程序能不依赖于具体的系统，Java 语言环境还提供了用于访问底层操作系统功能的类组成的包，当程序使用这些包时，可以确保它能运行在各种支持 Java 的平台上。(6) 安全性用于网络、分布环境下的 Java 必须要防止病毒的入侵，Java 不支持指针，一切对内存的访问都必须通过对象的实例变量来实现，这样就防止了程序员使用欺骗手段访问对象的私有成员，同时也避免了指针操作中容易产生的错误。2.1.2 Java中输入/输出流概念过滤流 DataInputStream 和 DataOutputStream 除了分别作为Filter
5、InputStream 和 FilterOutputStream 的子类外，还分别实现了接口DataInput 和 DataOutput。接口 DataInput 中定义的方法主要包括从流中读取基本类型的数据、读取一行数据、或者读取指定长度的字节数，如readBoolean()、 readInt()、readLine()、readFully()等。接口DataOutput 中定义的方法主要是向流中写入基本类型的数据或者写入一定长度的字节数组，如 writeChar()、writeDouble()。 DataInputStream 可以从所连接的输入流中读取与机器无关的基本类型数据，用以实现一种
6、独立于具体平台的输入方式；DataOutputStream 可以向所连接的输出流写入基本类型的数据。2.1.3 Socket 机制Socket 是面向客户/服务器模型设计的，网络上的两个程序通过一个双向的通讯连接实现数据的交换，这个双向链路的一端称为一个 Socket。 Socket 通常用来实现客户方和服务方的连接。客户程序可以向 Socket 写请求，服务器将处理此请求，然后通过 Socket 将结果返回给用户。Socket 通信机制提供了两种通讯方式：有联接和无联接方式，分别面网络五子棋游戏- 4 -向不同的应用需求。使用有联接方式时，通信链路提供了可靠的，全双工的字节流服务。在该方式下
7、，通信双方必须创建一个联接过程并建立一条通讯链路，以后的网络通信操作完全在这一对进程之间进行，通信完毕关闭此联接过程。使用无联接方式时其系统开销比无联接方式小，但通信链路提供了不可靠的数据报服务，不能保证信源所传输的数据一定能够到达信宿。在该方式下，通信双方不必创建一个联接过程和建立一条通讯链路，网络通信操作在不同的主机和进程之间转发进行。在 java 中使用套接字相当简单，Java API 为处理套接字的通信提供了一个类 .Socket。使得编写网络应用程序相对容易。JAVA 支持流套接字（stream socket）和数据报套接字（datagram socket） 。流套接字使用 TCP（
8、Transmission Control Protocol，传输控制协议）进行数据传输，而数据报套接字使用 UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议） 。在 Socket 层实现的 Java 网络程序是严格同步的。从一台机器发送数据的操作要求对应一个从其他机器接受数据的操作。2.2 JAVA工具JDK1) Java 编译器Java 编译器将 Java 源代码文件编译成可执行的 Java 字节码。Java 源代码文件的扩展名为 .java，Java 编译器把这种扩展名的文件编译成扩展名为.class 的文件。源文件中的每个类在编译后都将产生一个 class 文件，这意
9、味一个 Java 源代码文件可能编译生成多个 class 文件。2) Java 解释器Java 解释器对编译生成的字节码格式的可执行程序的运行提供支持，它是运行非图形 Java 程序的命令行工具。青岛科技大学本科综合课程设计论文- 5 -3 程序的设计思路和算法3.1 人机博弈的要点人机对弈的程序，至少应具备以下 5 个部分：(1)某种在机器中表示棋局的方法，能够让程序知道博弈的状态。(2)产生合法走法的规则，以使博弈公正地进行，并可判断人类对手是否乱走。(3)从所有合法的走法中选择最佳的走法技术。(4)一种评估局面优劣的方法，用以同上面的技术配合做出智能的选择。(5)一个界面，有了他，这个程
10、序才能用。3.2 五子棋特点及规则五子棋的娱乐性强、规则简单、易学、流行性广。普通人不需长时间专门训练即可自如行棋。因此极受大众欢迎。五子棋的规则为：(1)棋盘 采用像围棋盘一样的 15 路或 19 路线的棋盘，在此采用 19 路的棋盘。(2)下法 两人分别执黑白两色棋子。轮流在棋盘上选择一个无子的交叉点落子，无子的交叉点又被称为空点。(3)输赢判断 黑、白双方有一方的五个棋子在横、竖或斜方向上连接成一线即为该方赢。3.3 算法设计3.3.1 博弈树的搜索过程在以下讨论中，命名 2 个博弈者 MAX 和 MIN。下面的任务是为 MAX 找最佳的移动。假设 MAX 先移动，然后 2 个博弈者轮流
11、移动。因此，深度为偶数的节点，对应于 MAX 下一步移动的位置，称为 MAX 节点；深度为奇数的节点对应于MIN 下一步移动的位置，称为 MIN 节点(博弈树的顶节点深度为 0)。k 层包括深网络五子棋游戏- 6 -度为 2k 和 2k1 的节点。通常用层数表示博弈树的搜索深度，他可以表示出向前预测的必须认识到搜索到终点是不可能的(除了在博弈快结束时)，所以，常采用在有限范围搜索方法。这里使用启发式搜索。在启发式搜索的过程中，关键的一步是如何确定下一个要考察的节点，在确定节点时只要能充分利用与问题有关的信息，估计出节点的重要性，就能在搜索时选择重要性较高的节点，以利于博弈者以较快的速度求出最佳
12、的棋步。3.32 采用静态评估函数这里用评估函数 h(i)衡量每一个叶节点位置的“值”。 一个最佳首步可以由一个最小最大化过程产生。假设轮到 MAX 从搜索树的叶节点中选取，他肯定选择拥有最大值的节点。因此，MIN 叶节点的一个 MAX 节点双亲的倒推值就等于叶节点的静态评估值中的最大值。另一方面，MIN 从叶结点中选取时，必须选取最小的节点(即最负的值)。既然如此，MAX 叶节点的 MIN 双亲节点被分配一个倒推值，他等于叶节点静态评估值的最小值。在所有叶节点的父节点被赋予倒推值后，开始倒推另一层，假定 MAX 将选择有最大倒推值的 MIN 的后继节点，而 MIN 会选择有最小倒推值的 MA
13、X 后继节点。继续逐层对节点评估，直到最后开始节点的后继者被赋予倒推值。MAX 将选择有最大倒推值的节点作为他的首步。整个过程的有效性基于这样的假设。用整个棋盘估值的函数 h(n)为静态估值函数。设想当前棋局 S 为轮到计算机方下棋(用 表示)，任选一空点作为计算机方的下棋位置(可有若干种选择)，接着考虑在此情况下游戏者一方下棋的棋局(用 O 表示)；从某一“O”棋局出发，任选一空点作为游戏者一方的落子处(又有若干种选择)，再次形成计算机方下棋的“ ”棋局；依此类推，这样可形成一棵以 S 为根结点的博弈树，该树以 O 棋局为第 2 层子结点，以棋局为第 3 层子结点等等。如果继续向前搜索，可形
14、成多层子结点，现在以向前搜索 3 层子结点为例来说明极大极小值的过程。对第 3 层子结点的某一棋青岛科技大学本科综合课程设计论文- 7 -局 n，求出其估计值 h(n)，假设有一博弈树已形成，如图 1 所示，h(n)的值由各结点旁的数值给出。根据极小极大化分析法，先计算第 3 层子结点 h(n)值，然后第 2 层子结点的估计值取他的各后继子结点的极小值，根结点的估计值取他的各子结点的极大值。这个取得最大估计值的子结点即为从 S 出发的计算机方的最佳落子方案。棋盘上某一行、某一列或某一对角线为一路，这里使 用的棋盘为 19 行 19 列，因此，行和列方向上共有 191938 路；从左下到右上方向
15、的对角线有 37 路，同样，从左上到右下方向的对角线也有 37 路。但对于五子棋来说必须在一条直线上有连续五个棋子才能赢。因此，在对角线上就可以减少 8 路。所以，整个棋盘路的总数为：对某一棋局 n，第 i 路得分：h(i)h c(i)h m(i)。 其中：h c(i)为计算机方在第 i 路估计值得分，h m(i)为游戏者一方在第 i 路得分。对的得分规则作如下说明。规则中代表一空点；o 代表对方棋子；代表有计算机方棋子；表示连续 2 点为空点；表示连续 3 个空点接一个计算机方棋子，再接两空点。某一规则 表示如在 i 路上有棋子构成形如则 hc(i)30。其他规则表示相同。网络五子棋游戏-
16、8 -在系统中使用的主要估值规则如下：由对称性可知和的估值相同，同理可得其他具有这样对称性的估值都认为是相等的。在连续两路上出现(3)的情形=h c(i)=5 000,一路出现(3)，另外一路出现(4)=h c(i)=5 000。所以在整个棋盘上的总估值为：为了增加系统的智能化也可以添加其他的一些规则。3.33 遗传算法优化估值函数在博弈程序的几大主要部分里，估值函数是与具体的棋类知识紧密结合的一部分。可以说估值函数在很大程度上决定了博弈程序的棋力高低。上面给出的估值是根据实际经验给出的。如何对上述的估值进行优化呢？下面采用遗传算法来改进静态估值。遗传算法的估计值在很大的程度上也依赖于实施者的
17、经验。但是可以利用一些高水平名局棋谱或同其他博弈程序对弈，看使用某一组参数时取胜的机率有多大来进行较验。经过几次的试验一般就可以得到较好的静态估值。传统的算法一般只能维护一组较好的参数。遗传算法同传统的算法相比可以同时维护几组较好的参数，通过向其中添加一组新参数，通常是将几组老参数中选出的值组合在一起做一点变化。然后同几组老的参数比较孰优孰劣，将最差的一组从中去除。这里面较重要的操作是交叉和变异操作。交叉通过随机交换父代个体的信息来继承已有参数中的优良内容；变异通过随机改变青岛科技大学本科综合课程设计论文- 9 -个体中的基因而增加种群的多样性，避免优化的因局部震荡而失败。 可以将遗传算法的优
18、化估值参数的过程用图 2 表示。遗传算法的优点：(1)由于搜索算法是从问题的解开始的，而不是一组参数。所以被局部震荡干扰导致求最优解失败的可能性大大减小。(2)此算法能将搜索重点集中于性能高的部分，能较快地求出最佳的参数。在使用中应当注意的问题如下：种群数目 这是影响算法性能的重要因素。种群数目过大，会导致运算时间太长，结果收敛缓慢；种群数目太小则可能导致算法精度过低，甚至停止不前。交叉概率 这个用于控制交叉操作的频度。此概率过大会导致种群中的个体更新过快，较优的个体不能稳定的保持和传递信息；此概率过小则会使优化的过程缓慢甚至停止不前。变异概率 这个概率用于控制产生变异个体的频度，目的是防止整
19、个种群中任意参数的几个基因保持不变。一 般使用一个很小的概率即足以达成此任务；概率太大则遗传信息无法稳定传递，从而使优化过程变成随机过程，失去确切的方向而导致失败。4 程序实现4.1 程序设计思路实现一个用户可以 Internet 上任何地方的不同机上进行游戏，使用多线程和网络套接字数据流的分布式五子棋游戏，根据要完成的功能，本程序采用多客户服务方式。服务器创建服务器 Socket，始终处于监听等待状态。客户端是动作的发起者，何时发出申请由客户端决定。客户端向服务器发出申请，服务器给予响应，客户端发出申请后立即可从 Socket 通道去取服务方的结果。服务器接受两个客户端连接后开始一个线程，不
20、断接受客户端发来的数据，并把处理后的数据传送给客户端。服务器可以创建任意多局(图 3-1)。网络五子棋游戏- 10 -服 务 器游戏局 1 游戏局 N客户端 1客户端 2 客户端 M客户端 N 图 3-1 系统框架Fig.3-1 Frame of System在对服务器与客户端的设计开发之前，为了使开发方便，将服务器与客户端之间用以通信的变量规定好。通过编写一个接口 GameConstant()，在其中定义各个常量的值：public static int PLAYER1 = 1;public static int PLAYER2 = 2;public static int PLAYER1_WO
21、N = 1;public static int PLAYER2_WON = 2;public static int DRAW = 3;public static int CONTINUE = 4; public static int STOP = 100;public static int GAMEPORT = 8000; 服务器和客户端在设计时继承接口 GameConstant()里面的所有数据。4.2 服务器的设计与实现青岛科技大学本科综合课程设计论文- 11 -为了使界面友好，服务器使用图形组件，创建成一个可以显示游戏信息的框架。在框架中创建一个包含文本区的滚动窗格，并在文本区显示游戏信
22、息(图 3-2)。图 3-2 服务器界面Fig.3-2 Interface of Game-server要建立服务器，需要创建一个服务器 Socket，并把它附加到一个端口上，服务器通过这个端口监听连接请求。端口标识 Socket 上的 TCP 服务。网络的类存放在 包中，引入包后通过实现一个 ServerSocket 的实例就可以创建一个服务器 Socket，并把它附加到一个端口(GAMEPORT) 上：ServerSocket serverSocket = new ServerSocket (GAMEPORT);然后，服务器使用下列语句开始监听连接请求：Socket player1 =
23、serverSocket.accept ();Socket player2 = serverSocket.accept ();服务器开始等待，直到客户提出连接请求。连接建立后，服务器通过数据输入流从客户端接收信息，并且通过数据输出流把相应的标记发送给客户端。网络五子棋游戏- 12 -new DataOutputStream(player1.getOutputStream().writeInt(PLAYER1);new DataOutputStream(player2.getOutputStream().writeInt(PLAYER2);当客户端满足开局条件时，就开启一个线程处理客户之间数据，
24、同时继续监听其它客户端的连接请求。多线程是 Java 的一个特点，多线程可以使程序反应更快、交互性更强，并能提高执行效率。创建一个新的线程的生命周期如下状态: 新建，就绪，运行，阻塞，死亡。在 Java 中，提供了多种控制线程的方法，在服务器中用到的主要以下几种：public void run ()Java 运行系统调用这个方法来执行线程。在用户线程类中，必须覆盖这个方法并且提供线程执行的代码。public void start ()该方法启动线程，它引起对 run()方法的调用。客户类中的可运行对象调用该方法。服务器程序采用类 HandleGame 继承 Thread 类来实现对线程的调用，
25、同时对 run ()方法覆盖。 以下是 HandleGame () 类里面主要的数据域和方法：private char cell： Char 类型数组用来记录玩家的标记。private DataInputStream isFromPlayer1;private DataOutputStream osToPlayer1;private DataInputStream isFromPlayer2;private DataOutputStream osToPlayer2;：四个数据流用来实现与两个玩家之间信息的传递。public HandleGame (Socket player1, Socket
26、player2)：构造函数，两个参数用以接收传递过来的 Socket 对象。public void run()：对继承 Thread 类中的 run ()方法进行覆盖。青岛科技大学本科综合课程设计论文- 13 -private boolean isFull() ：判断是否满格。private boolean isWon(int row,int column,char token)：判断新标记的单元格是否使一方获胜。游戏局一旦建立起来，服务器便于工作交替地从客户端那里接收数据。从客户端接收到数据后，服务器判断游戏状态，并根据结果进行相关操作，直至游戏结束。4.3 客户端的设计与实现客户端负责与玩
27、家的交互。因此要创建一个界面,包括一个 20*20 的下棋区域，当玩家选定单元格或接收到别的玩家选定的单元格时，用不同的标记显示；两个显示游戏名称和游戏状态的标签和两个菜单栏上的按键用以进行控制，如图 3-3：网络五子棋游戏- 14 -图 3-3 客户端界面Fig.3-3 Interface of Game-client这里客户程序设计成一个 Java Applet，用户可以在 Web 浏览器里运行。当用户打开 GameClient.html 文件时，浏览器调用 init ()方法对界面进行初始化。点击 Start 时开启一个线程和服务器连接，通过数据流进行数据交换。connectToServ
28、er = new Socket(“localhost“, GAMEPORT);isFromServer = new DataInputStream(connectToServer.getInputStream();osToServer = new DataOutputStream(connectToServer.getOutputStream();下面是类 GameClient 的主要方法和数据：public class GameClient extends JAppletimplements Runnable, ActionListener, GameConstants青岛科技大学本科综合课
29、程设计论文- 15 -private boolean myTurn = false; ：标记是否轮到自己下棋private char myToken = ; ：标记自己的棋子private char otherToken = ; ：标记对手的棋子private Cell cell = new Cell2020; ：生成 20*20 个单元格private int rowSelected; ：记录所选单元格的行private int columnSelected; ：记录所选单元格的列private boolean continueToPlay = true;private boolean wa
30、iting = true; ：记录游戏进行中的状态public void init()：初始化用户界面，打开网页时由浏览器调用public void actionPerformed(ActionEvent e)：覆盖 ActionListener 接口里面 actionPerformed ()方法，用来处理用户点击菜单栏引起的操作。public void run()覆盖 Runnable 接口里的 run ()方法，用以对游戏过程中的数据传输，处理，控制。在客户程序的类中，由于它继承了 Applet 类，所以不能再通过声明Thread 类的扩展来实现，只能通过实现 Java 提供的一个 Run
31、nable 接口，进行线程的创建和运行。Runnable 接口的实现是非常简单的，它只包含 run ()方法，使用时只要将该方法覆盖。从游戏设计来看，单元格是处理鼠标点击事件和显示标记的 GUI 对象。在这里使用的是面板，设置单元格 Cell 为 JPanel 的子类。将 Cell 类声明为内部类，可以直接使用 GameClient 类中定义的变量与方法，使程序简洁明了。网络五子棋游戏- 16 -Cell 类中包含以下主要数据和方法：public class Cell extends JPanel implements MouseListenerprivate int row; private
32、 int column;private char token = ;public Cell(int row, int column)：构造函数public void paintComponent(Graphics g)：Graphics 对象 g 是由 Java 运行系统自动创建，这个对象控制信息的绘制方式。可以使用定义在 Graphics 类中的多种画法绘制字符串的几何图形。public void mouseClicked(MouseEvent e)public void mouseExited(MouseEvent e)public void mouseEntered(MouseEvent
33、 e)public void mouseReleased(MouseEvent e)public void mousePressed(MouseEvent e)：接口 MouseListener 中的方法。4.4 程序的运行首先将编写好的程序使用 Java 编译器编译，生成以 class 为扩展名的类文件，然后使用 Java 解释器分别运行服务器和客户端。客户端发出连接，服务器接收后开启线程对游戏进行控制，游戏结束时关闭线程。具体流程如图 3-4 所示：青岛科技大学本科综合课程设计论文- 17 -玩家一1. 初始化用户界面2. 向服务器请求连接，并从服务器获知所用棋子的标记。3. 从服务器得到
34、开始标志。4. 等待玩家标记单元格，并向服务器发送单元格的行号和列号。5. 从服务器接收游戏状态。6. 如果状态是 WIN，显示是胜者，如果玩家二获胜，接收玩家二的最后一步走棋信息。中断循环。7. 如果状态是 DRAW，显示游戏结束，中断循环。8. 如果状态是CONTINUE，接收玩家二选定的单元格的行号和列号，标记玩家二选定的单元格。服务器创建一个服务器套接字。接收第一个玩家的连接请求，并且通知玩家他是玩家一，使用标记“X”。接收第二个玩家的连接请求，并且通知玩家他是玩家二，使用标记“O”。启动对局线程。处理对局：1 告诉玩家一开始游戏。2 接收玩家一选定单元格的行和列。3 判断游戏状态（S
35、TOP，WIN，DRAW，CONTINUE） 。如果玩家一退出，向玩家二发送状态（STOP） ，退出。4 如果玩家一获胜，给两个玩家都发送状态（PLAYER1_WON） ，并且向玩家二发送玩家一的走棋信息。退出。5 如果状态是 CONTINUE，通知玩家二轮他走棋，并且向玩家二发送玩家一最新选定单元格的行和列。6 接收玩家二选定的单元格的行和列。7 如果玩家二退出，向玩家一发送状态（STOP） ，退出。8 如果玩家二获胜，给两个玩家都发送状态（PLAYER2_WON）,并且向玩家一发送玩家二的走棋信息。退出。9 如果状态是 CONTINUE，发送状态，并且向玩家一发送玩家二最近选定的单元格的行
36、和列。玩家二1 初始化用户界面2 向服务器请求连接，并从服务器获知所用棋子的标记。3 从服务器接收游戏状态。4 如果状态是 WIN，显示是胜者，如果玩家一获胜，接收玩家一的最后一步走棋信息。中断循环。5 如果状态是CONTINUE，接收玩家一选定的单元格的行号和列号，标记玩家一选定的单元格。6 等待玩家标记单元格，并向服务器发送单元格的行号和列号。图 3-4 运行流程网络五子棋游戏- 18 -Fig.3-4 Flow Chart5 小结随着计算机和网络技术的不断发展，信息技术给人们带来的帮助越来越大，单独一台计算机已经不能满足人们的需求，网络正在成为大多数人群生产、生活中密不可分的一部分。Java 作为一种分布式和可移植的计算机语言，在网络软件开发上有着特别的优点。它开发方便、快捷，安全性高，对以往复杂的功能，尤其是网络通信等方面，实现起来简洁明了，在网络编程领域有着巨大的发展潜力。在当今网络经济飞速发展的时代，Java 技术的平台无关性、可重用性、模块化等特点大大减少了重复劳动，无论是开发用于 Internet 浏览的网站还是功能复杂的网络应用系统，Java 都可以提供有力的支持。相信只要合理地利用 Java 技术，必定可以在电子商务、大型网站建设中发挥日益重要的作用。青岛科技大学本科综合课程设计论文- 19 -
