使用 Firestore 添加多人游戏支持

多人游戏需要一种方法来同步玩家之间的游戏状态。总的来说,存在两种类型的多人游戏

  1. 高滴答率。这些游戏需要以低延迟每秒同步游戏状态多次。这些将包括动作游戏、体育游戏、格斗游戏。

  2. 低滴答率。这些游戏只需要偶尔同步游戏状态,延迟的影响较小。这些将包括纸牌游戏、策略游戏、益智游戏。

这类似于实时游戏和回合制游戏之间的区别,尽管这个类比并不完全准确。例如,实时策略游戏(顾名思义)在实时运行,但这并不意味着它们具有很高的滴答率。这些游戏可以在本地机器上模拟玩家交互之间发生的许多事情。因此,它们不需要经常同步游戏状态。

An illustration of two mobile phones and a two-way arrow between them

如果作为开发者,你可以选择较低的滴答率,那么你应该选择较低的滴答率。较低的滴答率可以降低延迟要求和服务器成本。有时,游戏需要高滴答率的同步。对于这些情况,像 Firestore 这样的解决方案并不适合。选择一个专用的多人游戏服务器解决方案,例如 Nakama。Nakama 有一个 Dart 包

如果你预计你的游戏需要低滴答率的同步,请继续阅读。

这个食谱演示了如何使用 cloud_firestore 在你的游戏中实现多人游戏功能。这个食谱不需要服务器。它使用两个或多个客户端通过 Cloud Firestore 共享游戏状态。

1. 为您的游戏准备多人游戏

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编写你的游戏代码,使其能够响应本地事件和远程事件来改变游戏状态。本地事件可以是玩家操作或一些游戏逻辑。远程事件可以是来自服务器的世界更新。

Screenshot of the card game

为了简化这个食谱,从 card 模板开始,你可以在 flutter/games 仓库 中找到它。运行以下命令克隆该仓库

git clone https://github.com/flutter/games.git

templates/card 中打开项目。

2. 安装 Firestore

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Cloud Firestore 是一个水平扩展的云端 NoSQL 文档数据库。它包含内置的实时同步功能。这非常适合我们的需求。它将游戏状态更新到云数据库中,因此每个玩家都能看到相同的状态。

如果你想快速了解 Cloud Firestore,可以观看以下视频,时长 15 分钟

要将 Firestore 添加到你的 Flutter 项目中,请按照 Cloud Firestore 入门 指南中的前两步操作

预期结果包括

  • 一个准备好的云端 Firestore 数据库,处于测试模式
  • 一个生成的 firebase_options.dart 文件
  • 你的 pubspec.yaml 中添加了相应的插件

不需要在此步骤中编写任何 Dart 代码。一旦您理解了该指南中编写 Dart 代码的步骤,请返回此食谱。

3. 初始化 Firestore

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  1. 打开lib/main.dart并导入插件,以及在上一步骤中由flutterfire configure生成的firebase_options.dart文件。

    dart
    import 'package:cloud_firestore/cloud_firestore.dart';
    import 'package:firebase_core/firebase_core.dart';
    
    import 'firebase_options.dart';
  2. 将以下代码添加到lib/main.dartrunApp()调用之前的代码中

    dart
    WidgetsFlutterBinding.ensureInitialized();
    
    await Firebase.initializeApp(
      options: DefaultFirebaseOptions.currentPlatform,
    );

    这确保了 Firebase 在游戏启动时初始化。

  3. 将 Firestore 实例添加到应用程序中。这样,任何小部件都可以访问此实例。如果需要,小部件也可以对实例丢失做出反应。

    要使用card模板执行此操作,您可以使用provider包(它已作为依赖项安装)。

    用以下代码替换样板runApp(MyApp())

    dart
    runApp(
      Provider.value(
        value: FirebaseFirestore.instance,
        child: MyApp(),
      ),
    );

    将提供程序放在MyApp之上,而不是放在里面。这使您能够在没有 Firebase 的情况下测试应用程序。

4. 创建 Firestore 控制器类

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虽然您可以直接与 Firestore 交谈,但您应该编写一个专门的控制器类,以使代码更易读和更易维护。

如何实现控制器取决于您的游戏以及您的多人游戏体验的具体设计。对于card模板的情况,您可以同步两个圆形游戏区域的内容。这对于完整的多人游戏体验来说还不够,但这是一个良好的开端。

Screenshot of the card game, with arrows pointing to playing areas

要创建控制器,请将以下代码复制并粘贴到一个名为lib/multiplayer/firestore_controller.dart的新文件中。

dart
import 'dart:async';

import 'package:cloud_firestore/cloud_firestore.dart';
import 'package:flutter/foundation.dart';
import 'package:logging/logging.dart';

import '../game_internals/board_state.dart';
import '../game_internals/playing_area.dart';
import '../game_internals/playing_card.dart';

class FirestoreController {
  static final _log = Logger('FirestoreController');

  final FirebaseFirestore instance;

  final BoardState boardState;

  /// For now, there is only one match. But in order to be ready
  /// for match-making, put it in a Firestore collection called matches.
  late final _matchRef = instance.collection('matches').doc('match_1');

  late final _areaOneRef = _matchRef
      .collection('areas')
      .doc('area_one')
      .withConverter<List<PlayingCard>>(
          fromFirestore: _cardsFromFirestore, toFirestore: _cardsToFirestore);

  late final _areaTwoRef = _matchRef
      .collection('areas')
      .doc('area_two')
      .withConverter<List<PlayingCard>>(
          fromFirestore: _cardsFromFirestore, toFirestore: _cardsToFirestore);

  StreamSubscription? _areaOneFirestoreSubscription;
  StreamSubscription? _areaTwoFirestoreSubscription;

  StreamSubscription? _areaOneLocalSubscription;
  StreamSubscription? _areaTwoLocalSubscription;

  FirestoreController({required this.instance, required this.boardState}) {
    // Subscribe to the remote changes (from Firestore).
    _areaOneFirestoreSubscription = _areaOneRef.snapshots().listen((snapshot) {
      _updateLocalFromFirestore(boardState.areaOne, snapshot);
    });
    _areaTwoFirestoreSubscription = _areaTwoRef.snapshots().listen((snapshot) {
      _updateLocalFromFirestore(boardState.areaTwo, snapshot);
    });

    // Subscribe to the local changes in game state.
    _areaOneLocalSubscription = boardState.areaOne.playerChanges.listen((_) {
      _updateFirestoreFromLocalAreaOne();
    });
    _areaTwoLocalSubscription = boardState.areaTwo.playerChanges.listen((_) {
      _updateFirestoreFromLocalAreaTwo();
    });

    _log.fine('Initialized');
  }

  void dispose() {
    _areaOneFirestoreSubscription?.cancel();
    _areaTwoFirestoreSubscription?.cancel();
    _areaOneLocalSubscription?.cancel();
    _areaTwoLocalSubscription?.cancel();

    _log.fine('Disposed');
  }

  /// Takes the raw JSON snapshot coming from Firestore and attempts to
  /// convert it into a list of [PlayingCard]s.
  List<PlayingCard> _cardsFromFirestore(
    DocumentSnapshot<Map<String, dynamic>> snapshot,
    SnapshotOptions? options,
  ) {
    final data = snapshot.data()?['cards'] as List?;

    if (data == null) {
      _log.info('No data found on Firestore, returning empty list');
      return [];
    }

    final list = List.castFrom<Object?, Map<String, Object?>>(data);

    try {
      return list.map((raw) => PlayingCard.fromJson(raw)).toList();
    } catch (e) {
      throw FirebaseControllerException(
          'Failed to parse data from Firestore: $e');
    }
  }

  /// Takes a list of [PlayingCard]s and converts it into a JSON object
  /// that can be saved into Firestore.
  Map<String, Object?> _cardsToFirestore(
    List<PlayingCard> cards,
    SetOptions? options,
  ) {
    return {'cards': cards.map((c) => c.toJson()).toList()};
  }

  /// Updates Firestore with the local state of [area].
  Future<void> _updateFirestoreFromLocal(
      PlayingArea area, DocumentReference<List<PlayingCard>> ref) async {
    try {
      _log.fine('Updating Firestore with local data (${area.cards}) ...');
      await ref.set(area.cards);
      _log.fine('... done updating.');
    } catch (e) {
      throw FirebaseControllerException(
          'Failed to update Firestore with local data (${area.cards}): $e');
    }
  }

  /// Sends the local state of `boardState.areaOne` to Firestore.
  void _updateFirestoreFromLocalAreaOne() {
    _updateFirestoreFromLocal(boardState.areaOne, _areaOneRef);
  }

  /// Sends the local state of `boardState.areaTwo` to Firestore.
  void _updateFirestoreFromLocalAreaTwo() {
    _updateFirestoreFromLocal(boardState.areaTwo, _areaTwoRef);
  }

  /// Updates the local state of [area] with the data from Firestore.
  void _updateLocalFromFirestore(
      PlayingArea area, DocumentSnapshot<List<PlayingCard>> snapshot) {
    _log.fine('Received new data from Firestore (${snapshot.data()})');

    final cards = snapshot.data() ?? [];

    if (listEquals(cards, area.cards)) {
      _log.fine('No change');
    } else {
      _log.fine('Updating local data with Firestore data ($cards)');
      area.replaceWith(cards);
    }
  }
}

class FirebaseControllerException implements Exception {
  final String message;

  FirebaseControllerException(this.message);

  @override
  String toString() => 'FirebaseControllerException: $message';
}

注意此代码的以下功能

  • 控制器的构造函数接受一个BoardState。这使控制器能够操作游戏的本地状态。

  • 控制器订阅本地更改以更新 Firestore,并订阅远程更改以更新本地状态和 UI。

  • 字段_areaOneRef_areaTwoRef是 Firebase 文档引用。它们描述了每个区域的数据存储位置以及如何在本地 Dart 对象(List<PlayingCard>)和远程 JSON 对象(Map<String, dynamic>)之间进行转换。Firestore API 允许我们使用.snapshots()订阅这些引用,并使用.set()写入它们。

5. 使用 Firestore 控制器

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  1. 打开负责启动游戏会话的文件:对于card模板,它是lib/play_session/play_session_screen.dart。您从该文件实例化 Firestore 控制器。

  2. 导入 Firebase 和控制器

    dart
    import 'package:cloud_firestore/cloud_firestore.dart';
    import '../multiplayer/firestore_controller.dart';
  3. _PlaySessionScreenState 类中添加一个可空字段,用于保存控制器实例。

    dart
    FirestoreController? _firestoreController;
  4. 在同一个类的initState() 方法中,添加代码尝试读取 FirebaseFirestore 实例,如果成功,则构造控制器。您在“初始化 Firestore”步骤中将FirebaseFirestore 实例添加到main.dart 中。

    dart
    final firestore = context.read<FirebaseFirestore?>();
    if (firestore == null) {
      _log.warning("Firestore instance wasn't provided. "
          'Running without _firestoreController.');
    } else {
      _firestoreController = FirestoreController(
        instance: firestore,
        boardState: _boardState,
      );
    }
  5. 使用同一个类的dispose() 方法释放控制器。

    dart
    _firestoreController?.dispose();

6. 测试游戏

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  1. 在两台独立设备上或同一设备上的两个不同窗口中运行游戏。

  2. 观察在一台设备上将卡片添加到区域时,如何在另一台设备上显示。

  3. 打开Firebase 网页控制台 并导航到您的项目的 Firestore 数据库。

  4. 观察它如何实时更新数据。您甚至可以在控制台中编辑数据,并查看所有正在运行的客户端的更新。

    Screenshot of the Firebase Firestore data view

故障排除

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在测试 Firebase 集成时,您可能会遇到的最常见问题包括以下内容

  • 游戏在尝试访问 Firebase 时崩溃。

    • Firebase 集成尚未正确设置。重新访问“步骤 2”并确保在该步骤中运行flutterfire configure
  • 游戏在 macOS 上无法与 Firebase 通信。

    • 默认情况下,macOS 应用程序没有互联网访问权限。首先启用互联网授权

7. 下一步

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此时,游戏在客户端之间实现了近乎即时且可靠的状态同步。它缺少实际的游戏规则:何时可以出什么牌,以及结果如何。这取决于游戏本身,由您尝试。

An illustration of two mobile phones and a two-way arrow between them

此时,比赛的共享状态仅包括两个游戏区域和其中的卡片。您也可以将其他数据保存到_matchRef 中,例如玩家是谁以及轮到谁了。如果您不确定从哪里开始,请遵循一个或两个 Firestore 代码实验室,以熟悉 API。

一开始,一个简单的匹配就足以让你与同事和朋友测试你的多人游戏。随着发布日期的临近,你需要考虑身份验证和匹配机制。幸运的是,Firebase 提供了 内置的用户身份验证方式,Firestore 数据库结构可以处理多个匹配。你可以用尽可能多的记录填充匹配集合,而不是单个 match_1

Screenshot of the Firebase Firestore data view with additional matches

在线匹配可以从“等待”状态开始,只有第一个玩家在场。其他玩家可以在某种大厅中看到“等待”中的匹配。一旦有足够的玩家加入匹配,它就变为“活跃”。再次强调,具体的实现取决于你想要打造的在线体验。基本原理保持不变:一个大型文档集合,每个文档代表一个活跃或潜在的匹配。