Tutorial de introducción a Godot 3.0. Juego de Snake en C#

Llegó el día. Godot 3.0 salió a la luz. Se trata de una versión con muchas mejoras respecto a Godot 2.x. Se trata de un motor de videojuegos software libre, compatible con la mayoría de sistemas operativos (y consolas a través de una compañía privada). Aprovechando la ocasión voy a explicar como hacer un juego simple, usando C# y el motor 2D de Godot. Este tutorial sirve para familiarizarse con el motor.

Instalando Godot

Lo primero que tenemos que hacer es instalar Godot. Para ello vamos a la página de descarga y descargamos la versión que corresponda a nuestro sistema con Mono.

Es requisito indispensable tener instalado Mono SDK, tanto en Linux como en Windows. El Mono SDK se descarga desde http://www.mono-project.com/download/.

Una vez descargado tendremos un fichero con tres archivos. Descomprímelos en una carpeta. Ahora simplemente puedes ejecutar el fichero ejecutable.

Ventana de proyectos

Nada más arrancar tendremos una ventana de proyectos. Desde ahí podemos abrir proyectos que hayamos creado, descargar demos y plantillas o simplemente crear un proyecto nuevo.

Si le damos a Proyecto nuevo procederemos a la creación de un nuevo proyecto (¡¿qué complicado, verdad?!).

Una vez hecho esto ya estaríamos en el editor propiamente dicho.

Editor

Rápidamente cambiamos al modo 2D y hacemos zoom hacia atrás. Vamos a ajustar la pantalla. Para ello vamos a Proyecto->Ajustes de proyecto. Buscamos el apartado Display->Window y ajustamos la resolución base. Esta será la que usaremos para poner los elementos en pantalla. Después vamos a Stretch y configuramos el modo 2D y mantener el aspect ratio.

Esta configuración sirve para empezar con juegos simples en 2D puedan escalar fácilmente a distintas pantallas sin tener problemas de descuadres.

Ahora hacemos click en el más (+) para añadir un nodo a la escena.

Para nuestro juego, voy a añadir un Node2D, que hereda de CanvasItem y tiene APIs para dibujar rectángulos y círculos..

No lo tocamos y hacemos click derecho en el Nodo. Damos click a Attach Script:

Es importante tener un nombre de script distinto a Node2D. Esto puede dar problemas. Una vez hecho esto, se nos mostrará esta pantalla, que nos permite escribir el código en C#. A partir de ahora voy a usar Visual Studio Code, porque lo considero mejor para escribir código en C# que el editor de Godot. Creamos también dos Sprite hijos del Node2D. Apple y SnakeBody van a llamarse y les creamos scripts de C# también.

Dibujar en pantalla

Abrimos con el VS Code el fichero .cs que hemos creado, en mi caso, Snake.cs.

Dentro veremos una clase con dos funciones, _Ready y _Process. Estas son solo un ejemplo de las funciones que podemos sobreescribir en las clases asociadas a nodos. Otras funciones serían: _Draw, _Input. ¿Cuándo tenemos que usar cada una? Ready es una especie de constructor, ahí inicializamos todo lo que haga falta. Process es llamada constantemente, ahí hacemos las actualizaciones y comprobaciones pertinentes. Draw permite dibujar (si no trabajamos con imágenes es muy útil). Draw no se llama útil. ¿Qué tenemos que hacer en Snake.cs? Bueno, hay que tener un timer para ir generando manzanas, así como comprobar que la serpiente se ha comido la manzana.

En este código ya vemos cosas interesantes. La primera es que podemos usar cualquier librería de .NET, en este caso he usado clases que forman parte de .NET Standard pero cualquier librería que funcione con Mono debería funcionar. También se puede usar NuGet, al final, Godot tiene un fichero SLN y un CSPROJ, por lo que no es más que un proyecto normal de C#.

La segunda cosa es que hay varias funciones para interactuar con Godot en sí: GetNode (para obtener un nodo, hay que hacer casting), AddChild (para añadir un nodo a una escena) y RemoveChild (para quitar un nodo a una escena).

El código de SnakeBody.cs es más largo, pero no más complejo. Como vemos la serpiente la represento como List<Rect2>. Además hay una variable time puesta para que la serpiente vaya a trompicones (como el snake auténtico).

Se puede ver como la función DrawRect nos sirve para dibujar un rectángulo. La API no tiene pérdida y es parecida a la API de Cairo o la Canvas de HTML5.

También se puede ver como se puede usar LINQ para comprobar las intersecciones de la serpiente consigo misma (en realidad se comprueba la cabeza con el resto de trozos, ya que la cabeza es la parte que va a estar presente en todos los golpes).

Con Update se fuerza una nueva llamada a _Draw.

Por último tenemos _Input. En Godot, la entrada se maneja por acciones, una capa de abstracción. Esto quiere decir que no es recomendable comprobar si una tecla ha sido pulsada, simplemente se asignan teclas a acciones desde Godot (o desde el juego en un panel de configuración) y en nuestro código comprobar las acciones.

Crear acciones

Para crear acciones vamos a Proyecto->Ajustes de Proyecto->Mapa de entrada y creamos las acciones que creamos convenientes. Yo las he llamado move_left, move_right, move_down y move_up. Luego las asignamos teclas de forma muy intuitiva.

Con esto ya tendríamos todo para un snake completito. Si le damos a ejecutar, podemos ver el juego en acción.

Todo el código del juego lo tenéis en el GitHub de ejemplos del blog y se puede importar a vuestro Godot.

 

Al juego le faltan muchas cosas, como una pantalla de game over cuando se produce un choque. Y puntuación. Y más detalles. Pero eso ya os lo dejo a vosotros.

 

Juego de la Vida de Conway en C# con interfaz gráfica

Hoy os traigo un proyecto que realizamos Daniel Bazaco y yo. Se trata del clásico de juego de la vida, esta vez hecho en C# con .NET Core y Avalonia como librería gráfica. Funciona tanto en Windows como en GNU/Linux. El programa tiene la peculiaridad de que tiene implementados dos algoritmos totalmente distintos para el juego de la vida:

  • El clásico algoritmo de la matriz infinita.
  • Un algoritmo usando Quadtrees y tablas de dispersión optimizadas, que permite tener patrones precalculados.

La velocidad de este segundo algoritmo es muy superior a la del primero, aunque he de confesar que este segundo algoritmo no resulta evidente y tiene una desventaja en el modo gráfico. Este segundo algoritmo avanza a trompicones, por lo que no es posible realizar una animación gráfica idónea, a no ser que lo modifiquemos ligeramente. Este tercer algoritmo que es una modificación del segundo, es más lento, pero permite ser mostrado por la pantalla.

El programa admite ficheros tanto en formato estándar RLE como un formato propio, que hemos llamado Vaca. Puedes pasarte por la wiki del juego de la vida y probar los ficheros RLE que encuentres. No obstante, hay que tener cuidado, pues algunos ficheros RLE no son del juego de la vida, sino de otros juegos con normas ligeramente modificadas.

¿En qué consiste el Juego de la Vida?

El juego de la vida es un autómata celular de dos dimensiones. También se le ha categorizado como juego para cero jugadores.

El juego tiene unas normas sencillas. Cada celda puede estar viva o muerta. En la siguiente evolución, las celdas pueden pasar a vivas o muertas siguiendo este esquema:

  • Una célula muerta con exactamente 3 células vecinas vivas “nace” (es decir, al turno siguiente estará viva).
  • Una célula viva con 2 o 3 células vecinas vivas sigue viva, en otro caso muere o permanece muerta (por “soledad” o “superpoblación”).

Unas condiciones de partida determinadas podrán desencaminar comportamientos complejos y emergentes muy interesantes como las pistolas de gliders.

Uso

Pantalla de inicio de Conway

Desde aquí podemos dar a Nuevo patrón o Cargar patrón. Si le damos a Nuevo Patrón tendremos una matriz vacía y limpia. Podemos hacer click con el ratón para ir activando/desactivando las casillas. Puedes usar las teclas W, A, S y D o las flechas en pantalla para moverte por el universo infinito de Conway.

Una vez lo tengamos podemos guardarlo para no tener que volver a dibujarlo. Otra opción es cargar un patrón de la lista. Este programa admite formato RLE y Vaca, pero solo guarda archivos en formato Vaca.

Para ejecutar el juego de la vida hay tres botones importantes. El primero es Ejecutar, que ejecuta el juego de la vida indefinidamente. Se para cuando pulsamos Parar (el mismo botón).

El otro es Siguiente, que nos permite avanzar de iteración en iteración manualmente, muy interesante para observar al detalle ciertos patrones. Por otro lado tenemos Iterar N veces, que permite iterar N veces y que sirve para pruebas de rendimiento. Hay que tener en cuenta que tanto Siguiente como Iterar N veces funcionan un poco distinto con el algoritmo Quadtree (el activado por defecto), ya que este algoritmo hace varias evoluciones de golpe, para ser todavía más rápido. La parte mala es que no es posible ver en detalle cada algoritmo.

Algoritmo Matriz
Algoritmo Quadtree

Línea de comandos

Es posible ejecutar el juego de la vida en línea de comandos. Este modo permite cargar un archivo Vaca o RLE y ejecutarlo N iteraciones. Al finalizar se muestran estadísticas y se permite guardar el resultado o mostrarlo por pantalla con caracteres ASCII.

Hay dos parámetros, -i para indicar el fichero de entrada y -n para indicar las iteraciones a calcular.

Algoritmo Quadtree

¿Cómo funciona el algoritmo quadtree que tanto mejora el rendimiento del juego de la vida? Siendo sinceros, no es algoritmo sencillo o evidente. Su nombre más correcto es algoritmo Hashlife y fue descrito por Bill Gosper en los laboratorios de investigación de Xerox Palo Alto.

La idea básica es que muchas veces en el juego de la vida nos encontramos con patrones que se van repitiendo periódicamente y grandes zonas vacías.

Para ello recurre a un almacén de cuadrantes. Y es que ahora el universo ya no es una matriz infinita, sino un cuadrante. Y cada cuadrante tiene cuatro cuadrantes hijos (noroeste, noreste, suroeste y sureste), así hasta llegar al cuadrante mínimo ya no tiene hijos sino que es una celda viva o muerta. Esto evidentemente pone limitaciones al tamaño del universo, que será siempre potencia de dos.

El almacén es una tabla hash, pero no una corriente tipo HashMap de Java o Dictionary de C# sino que toma 4 elementos como índice, cuatro subcuadrantes. Si existe un elemento cuyos cuatro subcuadrantes son iguales (no se comprueba la igualdad exactamente, sería muy lento), se devuelve la siguiente iteración del cuadrante del almacén que cumple esos requisitos. De este modo no hace falta calcular los cuadrantes nada más que la primera vez que el programa se encontró con ellos.

Este sistema consume más memoria, pero mejora de forma sustancial la velocidad de ejecución. El algoritmo luego tiene bastantes más detalles (el diablo está en los detalles), pero esa es la idea principal, no calcular los cuadrantes más que una sola vez.

Descargar Conway

Podéis descargar Conway desde GitHub y compilarlo en Windows y GNU/Linux (Mac no está probado pero en principio funcionaría), con .NET Core 2.0 instalado.

Conway en GitHub

 

 

Interfaces gráficas multiplataforma en C# con .NET Core y Avalonia

Microsoft sorprendió a todos con la publicación de .NET Core el 27 de junio de 2016. Por primera vez, la plaatforma .NET se volvía multiplataforma, con soporte a macOS y GNU/Linux. Y además se volvía software libre, con licencia MIT y con un desarrollo transparente donde cualquiera puede proponer mejoras, subir parches, etc…

Esto posibilita tener soporte de primer nivel para uno de los lenguajes mejor diseñados actualmente, C#, que hasta entonces tenía un soporte de segunda en Linux, a través de Mono.

Inicialmente el soporte de Microsoft a .NET Core abarca: aplicaciones de consola, aplicaciones web ASP.NET y UWP. Mucha gente se desanimó por no tener WinForms o WPF en .NET Core. Sin embargo eso no quiera decir que no se puedan hacer interfaces gráficas en .NET Core. Aquí os presento la librería Avalonia, que aunque está en beta todavía, funciona sorprendentemente bien y en un futuro dará mucho de que hablar.

Avalonia funciona en Windows, macOS, GNU/Linux, Android e iOS. Usa XAML para las interfaces y su diseño se asemeja a WPF, aunque se han hecho cambios aprovechando características más potentes de C#. Avalonia no es WPF multiplataforma, es mejor.

Creando un proyecto

En primer lugar, tenemos que instalar .NET Core 2.0. Se descarga en la página oficial. A continuación comprobamos que se ha instalado correctamente con:

Creamos ahora un nuevo proyecto de tipo consola con new

Si todo va bien nos saldrá algo parecido a esto:

Se nos habrán generado una carpeta obj y dos archivos: Program.cs y GitHubRepos.csproj. El primero es el punto de entrada de nuestro programa, el otro es el fichero de proyecto de C#.

Vamos a probar que todo está en orden compilando el proyecto.

Añadiendo Avalonia

Vamos a añadir ahora Avalonia. Instalar dependencias antes en C# era algo complicado. Ahora es muy sencillo, gracias a la integración de dotnet con NuGet.

¡Ya no tenemos que hacer nada más! Nuestra aplicación será compatible ya con Windows y GNU/Linux. Para el resto de plataformas, hay más paquetes disponibles en NuGet, sin embargo desconozco su grado de funcionamiento. Solo he probado la librería en Windows 7, Windows 10, Ubuntu y Debian.

Program.cs

Program.cs define el punto de entrada a la aplicación. Aquí en una aplicación Avalonia podemos dejarlo tan simple como esto:

Básicamente viene a decir que arranque una aplicación Avalonia definida en la clase App con la ventana MainWindow. A continuación vamos a definir esas clases.

App.cs y App.xaml

En Avalonia tenemos que definir una clase que represente a la aplicación, normalmente la llamaremos App. Crea un fichero llamado App.cs en la misma carpeta de Program.cs, con un contenido tan simple como este:

Lo que hacemos aquí es pedir al intérprete de XAML que lea App.xaml simplemente y por lo demás, es una mera clase hija de Application.

El fichero App.xaml contiene definiciones XAML que se aplican a todo el programa, como el estilo visual:

MainWindow.cs y MainWindow.xaml

Ahora nos toca definir una clase para la ventana principal de la aplicación. El código para empezar es extremadamente simple también:

Aquí hacemos lo mismo que con App.cs, mandamos cargar el fichero XAML. Este fichero XAML contiene los widgets que va a llevar la ventana. Parecido a HTML, QML de Qt, Glade de GTK o FXML de Java o XUL de Mozilla.

GitHubRepos.csproj

Antes de poder compilar es necesario modificar el fichero de proyecto para incluir los ficheros XAML en el binario. Se trata de añadir un nuevo ItemGroup y dentro de él un EmbeddedResource.

Ahora ya podemos compilar con dotnet run.

Nos deberá salir algo como esto:

Añadiendo clicks

Vamos a darle vidilla a la aplicación añadiendo eventos. Para ello primero hay que darle un nombre al botón, un ID. Usamos Name en XAML. También usaremos un TextBlock para representar texto.

Ahora en MainWindow.cs, en el constructor, podemos obtener referencia a los objetos XAML con Find.

Y ya estaría. También comentar que la función LanzarDado puede ser async si nos conviene. A partir de ahora ya puedes sumergirte en el código de Avalonia (¡porque documentación todavía no hay!) y experimentar por tu cuenta.

Un ejemplo real, GitHubRepos

Ahora os voy a enseñar un ejemplo real de la comodidad que supone usar Avalononia con .NET Core. He aquí un pequeño programa que obtiene la lista de repositorios de un usuario y los muestra por pantalla.

Y este es su correspondiente XAML:

Adicionalmente, he usado una clase extra para serializar el JSON.

El resultado es bastante satisfactorio:

 

Diversión con punteros en Rust: bloques unsafe

Hola, soy Adrián Arroyo y bienvenidos a un nuevo episodio de Diversión con Punteros.

Hoy vamos a hablar de un tema apasionante. Los bloques unsafe de Rust así como de los raw pointers. ¿Has programado en C? Si es así, los raw pointers de Rust son exactamente iguales a los punteros de C. Si no sabes lo que es un puntero, te lo explico.

¿Qué es un puntero?

Un puntero es un tipo de variable que en vez de almacenar el dato, almacena la posición en memoria donde se encuentra el dato.

En lenguajes en lo que todo es un objeto (como Python), nunca trabajamos con los datos reales, sino siempre con punteros, pero el lenguaje lo gestiona de forma automática. En lenguajes más cercanos al metal por contra sí que suele dejarse esta opción.

Nuestro puntero es la variable que contiene 0x00ffbea0 y que apunta a la dirección de memoria donde se encuentra el dato

Rust tiene distintos tipos de punteros: Box, Rc, Arc, Vec, … Estos punteros son transparentes al usuario y muchas veces no tenemos que preocuparnos de su funcionamiento. Sin embargo, muchas veces queremos tener un control más fino del ordenador. Esto lo lograremos con los raw pointers. Se trata de punteros con los que podemos operar y desreferenciar.

Crear raw pointers no supone ningún problema, pero acceder al valor al que apuntan en memoria sí. Podría darse el caso de que no existiera valor alguno o hubiese sido modificado. En los punteros normales, el compilador de Rust se encarga de que no ocurra, pero en los raw pointers el compilador no lo puede saber. Es por ello, que para acceder al valor de un raw_pointer necesitas usar bloques de código unsafe, código inseguro en Rust.

Creando un raw pointer

Lo primero que hay que saber es que existen dos tipos de raw pointers en Rust, los mutables y los inmutables.

Los punteros inmutables tienen el tipo *const T y los mutables el tipo *mut T.

 

En este ejemplo, creamos una variable con valor 5 y le creamos un puntero, que contiene la dirección de memoria donde está el dato. Para representar la dirección de memoria se suele usar la notación hexadecimal. Antes debemos hacer un cast a usize. usize es un tipo en Rust cuyo tamaño depende de la máquina en cuestión (32 bits en máquinas de 32 bits, 64 bits en máquinas de 64 bits), siendo usado para representar direcciones de memoria, puesto que tiene el tamaño exacto para almacenarlas.

Hasta ahora no hemos usado unsafe. Esto es porque no hemos probado a acceder al valor. Para acceder a un valor, o deferrenciar, usamos el operador *.

Ambos prints imprimen 5. Hasta aquí no hemos hecho nada interesante con punteros. Todo esto era más fácil hacerlo sin punteros. Veamos alguna aplicación práctica de los punteros.

Modificar datos sin control

Si te pongo este código, ¿me puedes decir que salida dará?

Uno podría pensar que como en ningún sitio reasignamos numero, y numero es una variable de tipo i32, que implementa Copy, es imposible modificarle el valor. Y eso es correcto en las reglas de Rust normales, pero en unsafe, podemos pasar el puntero hacia otras funciones (los punteros también son Copy, ocupan el tamaño de un usize). Y esas funciones pueden modificar los datos en memoria a su antojo. Así, pues, la respuesta correcta es indeterminado. Hacer esto es una mala práctica, pero en ocasiones se puede ganar rendimiento o interactuar con una librería de C usando estos métodos.

Esta sería la versión completa del programa.

Aritmética de punteros

Una vez tenemos acceso a memoria podemos acceder a cualquier parte de memoria (en sistemas operativos modernos, memoria que esté asignada a nuestro programa). En C simplemente podíamos operar con el puntero como si fuese un número, con sumas, restas, multiplicaciones y divisiones. Estas operaciones eran un poco traicioneras porque eran relativas a la máquina. Sumar 1 a un puntero de int equivalía en realidad a sumar 4 al puntero en una máquina de 32 bits. En Rust esto no se permite, pero a cambio tenemos métodos que nos permiten hacer lo mismo. El más importante es offset. El offset nos permite desplazarnos por la memoria hacia delante y hacia atrás.

Este programa parte de una suposición para funcionar. Y es que numero, b y c están contiguos en memoria y en el mismo orden que como los que he declarado. En el puntero tenemos la dirección a numero, es decir, a 5. Sin embargo, si avanzamos en la memoria una posición llegaremos a al 35, y si avanzamos dos, llegamos a 42. Entonces podemos editar el contenido de esa memoria. Al acabar el programa b vale 120. Hemos modificado el valor y ni siquiera b se había declarado como mut. Esto os recuerdo, usadlo solo en casos excepcionales.

Reservar memoria al estilo C

Estas cosas empiezan a tener utilidad en cuanto podemos usar memoria dinámica al estilo C, es decir, con malloc, free, calloc y compañía. El equivalente a malloc en Rust suele ser Box o Vec y es lo que debemos usar. Box sabe que espacio en memoria tiene que reservar de antemano y Vec ya está preparado para ir creciendo de forma segura.

En este caso usamos malloc como en C para generar un array de forma dinámica con espacio suficiente para almacenar 10 elementos de tamaño i32.

Con esto ya hemos visto el lado oscuro de Rust, la parte unsafe. No hemos visto como llamar a funciones de C directamente, algo que también require usar bloques unsafe.

Como vemos, Rust no nos limita a la hora de hacer cualquier cosa que queramos, solo que nos reduce a los bloques unsafe, para que nosotros mismos tengamos mejor control de lo que hagamos.

Novedades de C++17

Después de tres años de trabajo, C++17 ha sido finalmente estandarizado. Esta nueva versión de C++ incorpora y elimina elementos del lenguaje, con el fin de ponerlo al día y convertirlo en un lenguaje moderno y eficaz. El comité ISO de C++ se ha tomado muy en serio su labor, C++11 supuso este cambio de mentalidad, que se ha mantenido en C++14 y ahora en C++17, la última versión de C++.

Repasemos las noveades que incorpora C++17 respecto a C++14

if-init

Ahora podemos incluir una sentencia de inicialización antes de la condición en sentencias if y switch. Esto es particularmente útil si queremos operar con un objeto y desconocemos su validez.

Declaraciones de descomposición

Azúcar sintántico que permite mejorar la legibiliad en ciertas situaciones. Por ejemplo, en el caso de las tuplas, su uso se vuelve trivial.

Esto funciona para multitud de estructuras de datos, como estructuras, arrays, std::array, std::map,…

Deduction Guides

Ahora es menos necesario que nunca indicar los tipos en ciertas expresiones. Por ejemplo, al crear pares y tuplas:

Esto por supuesto también sirve para estructuras y otras construcciones:

template auto

Fold expressions

Imagina que quieres hacer una función suma, que admita un número ilimitado de parámetros. En C++17 no se necesita apenas código.

Namespaces anidados

Bastante autoexplicativo

Algunos [[atributos]] nuevos

[[maybe_unused]]

Se usa para suprimir la advertencia del compilador de que no estamos usando una determinada variable.

[[fallthrough]]

Permite usar los switch en cascada sin advertencias del compilador.

Variables inline

Ahora es posible definir variables en múltiples sitios con el mismo nombre y que compartan una misma instancia. Es recomendable definirlas en un fichero de cabecera para luego reutilizarlas en ficheros fuente.

if constexpr

Ahora es posible introducir condicionales en tiempo de compilación (similar a las macros #IFDEF pero mejor hecho). Estas expresiones con constexpr, lo que quiere decir que son código C++ que se evalúa en tiempo de compilación, no de ejecución.

std::optional

Tomado de la programación funcional, se incorpora el tipo optional, que representa un valor que puede existir o no. Este tipo ya existe en Rust bajo el nombre de Option y en Haskell como Maybe.

std::variant

Descritas como las unions pero bien hechas. Pueden contener variables de los tipos que nosotros indiquemos.

std::any

Si con std::variant restringimos los posibles tipos de la variable a los indicados, con std::any admitimos cualquier cosa.

std::filesystem

Se añade a la librería estándar este namespace con el tipo path y métodos para iterar y operar con directorios. Dile adiós a las funciones POSIX o Win32 equivalentes.

Algoritmos en paralelo

Muchos de los algoritmos de STL ahora pueden ejecutarse en paralelo bajo demanda. Con std::execution::par indicamos que queremos que el algoritmo se ejecute en paralelo.

¿Qué novedades se esperan en C++20?

Ya hemos visto lo que trae C++17. Ahora veremos que se espera que traiga C++20 en 2020.

  • Módulos. Reemplazar el sistema de includes
  • Corrutinas. Mejorar la programación asíncrona
  • Contratos. Mejorar la calidad del código
  • Conceptos. Mejorar la programación genérica
  • Redes. Estandarizar la parte de red en C++ tal y como se ha hecho con std::filesystem
  • Rangos. Nuevos contenedores

Referencias: