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焦點(diǎn)日?qǐng)?bào):保存象棋棋盤信息,需要多少比特?我只用139-167位二進(jìn)制
2023-04-23 14:54:26 來(lái)源:騰訊云 編輯:

如何存儲(chǔ)當(dāng)前棋局

方案有3種:

象棋一共32個(gè)棋子,每個(gè)棋子有91種狀態(tài):死亡或位于0-89中任一位置。所以用長(zhǎng)度為32的列表即可,每個(gè)數(shù)的值域是0-90,其中90代表死亡。死亡的棋子不再占用空間,使用類似map的結(jié)構(gòu),key是棋子id,value是棋子位置(0-89)。壓縮空間的方案:將帥個(gè)子有9個(gè)可能在的位置,只需要0-9即可表示,需要至多5位二進(jìn)制。士有5種位置,每個(gè)士只需要至多3位二進(jìn)制。以此類推……占用空間最少。

分析方案一:數(shù)組長(zhǎng)度為32,每個(gè)數(shù)組項(xiàng)目是個(gè)uint8,總共8 * 32 = 256 位。

分析方案二:在棋子多的時(shí)候,占用空間較多,所以存儲(chǔ)空間的大小不太穩(wěn)定。


(資料圖片)

方案三占用空間少,但是開發(fā)成本也較高,需要開發(fā)者去拼接二進(jìn)制位。

今天我們探討方案三。

前綴碼

引入一個(gè)概念:Prefix-Free Code,也可以叫 Prefix Code,它來(lái)源于信息論學(xué)科,維基百科:en.wikipedia.org/wiki/Prefix… 描述如下:

A prefix codeis a type of code system distinguished by its possession of the "prefix property", which requires that there is no whole code word in the system that is a prefix (initial segment) of any other code word in the system. It is trivially true for fixed-length code, so only a point of consideration in variable-length code.

For example, a code with code words {9, 55} has the prefix property; a code consisting of {9, 5, 59, 55} does not, because "5" is a prefix of "59" and also of "55". A prefix code is a uniquely decodable code: given a complete and accurate sequence, a receiver can identify each word without requiring a special marker between words. However, there are uniquely decodable codes that are not prefix codes; for instance, the reverse of a prefix code is still uniquely decodable (it is a suffix code), but it is not necessarily a prefix code.

它舉了個(gè)例子,針對(duì)集合{9, 5, 59, 55}就不是 prefix code,因?yàn)椤?」有二義性,遇到5后,不知道該結(jié)束流程,還是繼續(xù)讀取后面的9或5。

哈夫曼編碼 Huffman Coding

信息論中有個(gè)經(jīng)典問題:給定一篇文章,如何用最短的二進(jìn)制編碼它。

解決方案就是:找出出現(xiàn)的所有單詞集合(例如:I am good good good,出現(xiàn)了3個(gè)單詞),計(jì)算每個(gè)單詞出現(xiàn)頻率,以某種方式,構(gòu)造每個(gè)單詞對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制編碼,滿足條件:基于前綴就能知道它代表哪個(gè)單詞。然后我們把這些前綴拼在一起,就成功編碼了(并且是可以解碼的)。

例如這種編碼 good = 0, I = 10, am = 11,文章就表示為1011000。

這是最簡(jiǎn)短的編碼了。構(gòu)造方法就是通過(guò)構(gòu)造一顆哈夫曼樹,算法如下:

針對(duì)每一個(gè)單詞(或組合),都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的頻數(shù),作為頻數(shù)表。如果當(dāng)前只有1個(gè),就進(jìn)入4,否則進(jìn)入2。找到頻數(shù)最低的2個(gè),作為表示一個(gè)組合,他們對(duì)應(yīng)的頻數(shù)就是兩個(gè)單詞(或組合)的頻數(shù)之和,加入頻數(shù)表(同時(shí)刪除這2個(gè)單詞或組合各自的頻數(shù))。選取的2個(gè)單詞(或組合),分別作為左子樹和右子樹,組成一個(gè)樹。進(jìn)入1?,F(xiàn)在得到了一個(gè)二叉樹(叫做哈夫曼樹),每個(gè)葉子結(jié)點(diǎn)代表一個(gè)單詞。規(guī)定左分叉為0,右分叉為1,這個(gè)單詞對(duì)應(yīng)的 Prefix Code就是根節(jié)點(diǎn)到它的路徑。

例如上述編碼對(duì)應(yīng)的哈夫曼樹就是:

對(duì)于象棋的啟發(fā)

回到象棋棋盤狀態(tài)的問題:

將帥有10個(gè)位置(包括死亡狀態(tài))。士有6個(gè)位置(包括死亡狀態(tài))。象有8個(gè)位置(包括死亡狀態(tài))。馬有91個(gè)位置(包括死亡狀態(tài))。車有91個(gè)位置(包括死亡狀態(tài))。炮有91個(gè)位置(包括死亡狀態(tài))。兵有48個(gè)位置(包括死亡狀態(tài))。

不妨假設(shè)他們出現(xiàn)在各個(gè)位置的頻率都一致,不難構(gòu)造出對(duì)應(yīng)的編碼。(這樣的編碼是比較穩(wěn)定的,無(wú)論棋局變成什么樣子,存儲(chǔ)占用空間都不會(huì)太大)

10個(gè)位置,需要3-4位。6個(gè)位置,需要2-3位。8個(gè)位置,需要3位。48個(gè)位置,需要4-5位。91個(gè)位置,需要6-7位。

這樣算下來(lái),保存一個(gè)象棋的棋子位置信息,最少需要:

(3+2*2+3*2+6*6+4*5)*2=138位,再用1位保存該誰(shuí)下棋了,總共至少需要139位。至多需要(4+3*2+3*2+7*6+5*5)*2=166位,再用1位保存該誰(shuí)下棋了,總共至多需要167位。

有辦法實(shí)現(xiàn)嗎?

上面說(shuō)的很理想,如何實(shí)現(xiàn)呢?

我們以10個(gè)位置的情況,來(lái)探討通用的編碼生成方法。首先根據(jù)哈夫曼樹,可以構(gòu)造這樣的編碼:

000代表0001代表1010代表2011代表3100代表4101代表51100代表61110代表71101代表81111代表9

隨后容易發(fā)現(xiàn)這樣的規(guī)律:

至于0-5,用3位二進(jìn)制編碼即可。至于6-7,我們需要在3位的6(110)7(111)末尾新增0。至于8-9我們需要在3位的67末尾新增1。

可以利用數(shù)學(xué)歸納法,歸納總結(jié)出這樣的算法:

針對(duì)X個(gè)位置的情況,計(jì)算Log2(X),分別向下取整和向上取整,得到A和B。如果A=B,則用A位二進(jìn)制表示這X個(gè)數(shù)即可,直接轉(zhuǎn)換進(jìn)制。如果A0至2^A-1-(X-2^A);用B位二進(jìn)制表示其它位置;針對(duì)位置2^A-(X-2^A)2^A-1,編碼為A位的進(jìn)制轉(zhuǎn)換,并在末尾拼接一位0(共計(jì)B位);針對(duì)其它位置,編碼為位置減去(X-2^A)再轉(zhuǎn)換二進(jìn)制,并在末尾拼接一位1(共計(jì)B位)。

可以發(fā)現(xiàn),這種算法,位置編號(hào)小的比位置編號(hào)大的少了一位。也就是說(shuō),我們應(yīng)該盡量把出現(xiàn)頻率較高的位置放在前面。

生成各棋子的位置列表

const RedAllCandidates = new Array(90).fill(0).map((a, i) => 89 - i);const BlackAllCandidates = new Array(90).fill(0).map((a, i) => i);const RedSoliderCandidates = new Array(45).fill(0).map((a, i) => 44 - i);const BlackSoliderCandidates = new Array(45).fill(0).map((a, i) => 45 + i);// 分別是將、士、士、……const PieceCandidates = [  [85, 86, 84, 76, 77, 75, 67, 68, 66, 127],  [127, 86, 84, 76, 68, 66],  [127, 84, 86, 76, 66, 68],  [127, 87, 67, 71, 51, 83, 47, 63],  [127, 83, 67, 63, 47, 87, 51, 71],  [127, ...RedAllCandidates],  [127, ...RedAllCandidates],  [127, ...RedAllCandidates],  [127, ...RedAllCandidates],  [127, ...RedAllCandidates],  [127, ...RedAllCandidates],  [127, 62, 53, ...RedSoliderCandidates],  [127, 60, 51, ...RedSoliderCandidates],  [127, 58, 49, ...RedSoliderCandidates],  [127, 56, 47, ...RedSoliderCandidates],  [127, 54, 45, ...RedSoliderCandidates],  [4, 3, 5, 13, 12, 14, 22, 21, 23, 127],  [127, 3, 5, 13, 21, 23],  [127, 5, 3, 13, 23, 21],  [127, 2, 22, 18, 38, 6, 42, 26],  [127, 6, 22, 26, 42, 2, 38, 18],  [127, ...BlackAllCandidates],  [127, ...BlackAllCandidates],  [127, ...BlackAllCandidates],  [127, ...BlackAllCandidates],  [127, ...BlackAllCandidates],  [127, ...BlackAllCandidates],  [127, 27, 36, ...BlackSoliderCandidates],  [127, 29, 38, ...BlackSoliderCandidates],  [127, 31, 40, ...BlackSoliderCandidates],  [127, 33, 42, ...BlackSoliderCandidates],  [127, 35, 44, ...BlackSoliderCandidates],];

解釋:

我可以把將帥的「死亡」(127)調(diào)整到了最后一位,因?yàn)樗麄兯劳鍪欠浅:币姷?,這樣可以節(jié)約2bit空間。我刻意把棋子常見位置放在了數(shù)組前幾位,尤其是將帥、士、兵,這樣可以節(jié)約幾bit空間。兵的位置,紅色和黑色不同,剛過(guò)河的一排放在前面,離河遠(yuǎn)的位置放在后面,可以節(jié)約幾bit空間。

提前計(jì)算log

為了提高效率,我應(yīng)該避免在JS中計(jì)算Math.log2,而要提前定義好運(yùn)算結(jié)果。

const ceilLog2Map = new Map([  [1, 0],  [2, 1],  [3, 2],  [4, 2],  [6, 3],  [8, 3],  [10, 4],  [17, 5],  [48, 6],  [91, 7],]);const floorLog2Map = new Map([  [1, 0],  [2, 1],  [3, 1],  [4, 2],  [6, 2],  [8, 3],  [10, 3],  [17, 4],  [48, 5],  [91, 6],]);

按照編碼規(guī)則encode

基于文章《JS 按自定義格式 拼接二進(jìn)制串 解析二進(jìn)制串》提到的concatBits函數(shù),我寫了concatFlexibleBits函數(shù):

function concatFlexibleBits(current: number, offset: number, candidateIndex: number, candidateLength: number): [number, number, number[]] {  const floorLog = floorLog2Map.get(candidateLength)!;  const ceilLog = ceilLog2Map.get(candidateLength)!;  const last = 2 ** floorLog;  const beyond = candidateLength - last;  if (floorLog === ceilLog || candidateIndex < last - beyond) {    return concatBits(current, offset, candidateIndex, floorLog);  }  let newCurrent = current;  let newOffset = offset;  const array: number[] = [];  let newUint8: number[];  if (candidateIndex < last) {    [newCurrent, newOffset, newUint8] = concatBits(newCurrent, newOffset, candidateIndex, floorLog);    array.push(...newUint8);    [newCurrent, newOffset, newUint8] = concatBits(newCurrent, newOffset, 0, 1);    array.push(...newUint8);  } else {    [newCurrent, newOffset, newUint8] = concatBits(newCurrent, newOffset, candidateIndex - beyond, floorLog);    array.push(...newUint8);    [newCurrent, newOffset, newUint8] = concatBits(newCurrent, newOffset, 1, 1);    array.push(...newUint8);  }  return [newCurrent, newOffset, array];}

這里encode規(guī)則,就是按照上面提到的算法實(shí)現(xiàn)的。不過(guò)多解釋了。

按照編碼規(guī)則decode

基于文章《JS 按自定義格式 拼接二進(jìn)制串 解析二進(jìn)制串》的readBits函數(shù),我寫了readFlexibleBits函數(shù):

function readFlexibleBits(array: Uint8Array, bitsOffset: number, candidateLength: number) {  const floorLog = floorLog2Map.get(candidateLength)!;  const ceilLog = ceilLog2Map.get(candidateLength)!;  const last = 2 ** floorLog;  const beyond = candidateLength - last;  const [number, offset] = readBits(array, bitsOffset, floorLog);  if (floorLog === ceilLog || number < last - beyond) {    return [number, offset];  }  const [current, offset2] = readBits(array, offset, 1);  if (current) {    return [number + beyond, offset2];  }  return [number, offset2];}

這里decode規(guī)則,是按照上面算法解析的。先讀取floorLog位,如果總位置數(shù)就是2的次方,則結(jié)束。如果讀取到的數(shù)比較小,也結(jié)束。如果讀取到的數(shù)超過(guò)某個(gè)臨界值,就需要多讀取一位,決定它代表誰(shuí)。

結(jié)論

方案三可以實(shí)現(xiàn),并且比方案一節(jié)約了35%-45%的空間。

關(guān)于性能:編碼、解碼邏輯全都位于用戶瀏覽器中執(zhí)行,對(duì)服務(wù)器無(wú)影響,瀏覽器也會(huì)在人感知不到的耗時(shí)內(nèi)運(yùn)算完。

有什么用?

我在開發(fā)《象棋》時(shí),期望通過(guò)URL來(lái)分享棋局。我希望分享的URL能永久有效,而且不喜歡給服務(wù)器太多債務(wù)(不采用token+數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)棋盤信息)。那么URL中必須包含完整的棋盤信息。

如果把棋盤信息存到URL中,那么URL越短,越好。

例如:game.hullqin.cn/xq?p=gSQCL5P5oIDhCFJCIBJ4eQCAkX8&r=86pU6-4nbSh38OCojLarcupWOb1rXw&s=1 ,點(diǎn)開后就能立馬展現(xiàn)某場(chǎng)對(duì)局。

這個(gè)URL里,保存了棋盤所有棋子信息、所有歷史記錄(10個(gè)回合即20步)。方便大家保存、分享。

保存歷史記錄,也是通過(guò)類似的手段實(shí)現(xiàn)的,占用空間非常小(長(zhǎng)度兩百的字符串,足夠存儲(chǔ)大部分常規(guī)對(duì)局的歷史記錄)。

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寫在最后

我是HullQin,公眾號(hào)線下聚會(huì)游戲的作者(歡迎關(guān)注我,交個(gè)朋友)。轉(zhuǎn)發(fā)本文前需獲得作者HullQin授權(quán)。我獨(dú)立開發(fā)了《聯(lián)機(jī)桌游合集》,是個(gè)網(wǎng)頁(yè),可以很方便的跟朋友聯(lián)機(jī)玩UNO、飛行棋、斗地主、五子棋、一夜狼、狼人殺、象棋、德國(guó)心臟病、達(dá)芬奇密碼等游戲,不收費(fèi)無(wú)廣告。還開發(fā)了《Dice Crush》參加Game Jam 2022。喜歡可以關(guān)注我噢~我有空了會(huì)分享做游戲的相關(guān)技術(shù),會(huì)在這個(gè)專欄里分享:《教你做小游戲》。

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