使用java swing制作人机五子棋

背景
算法原理
- 棋盘分值更新范围
- 更新分值方法
- 判断分值方法
- 局势分数权重
设计模式
- 战局类Battle
- AI类 Integration
UI设计
- 窗口类UIinterface （继承JFrame）
- 棋子层类（继承JPanel）
- 棋子按钮类（继承JButton）
总结
项目下载

背景

算法老师要求交个大作业什么的，自己就选择了制作“利用所学算法知识设计一个人机对弈程序或软件”这个课题，顺便首次记录一下自己独自写一个小项目的过程，中间花费了不少心思，果然只有亲身经历才能深刻体会算法和设计模式的魅力，写下这篇文章也算对自己的努力有个交代。

算法原理

使用四种符号代表棋盘上各个点的状态:X代表黑棋（AI）,O代表白棋（人类）,L代表无人下棋,E代表越界(棋盘范围之外)。
想要AI下棋，就必须掌握当前局势，知道自己应该或更倾向走哪个位置。这里采用贪婪策略，计算AI走这个点的分值，每个点都算一次，最后选取分值最大的点，标记为X，即完成下棋，等待玩家下棋，重复循环。

棋盘分值更新范围

想要实现贪婪，就必须使得每个点的分值都可以获取到，然而，这并不代表每下一个棋子，都必须更新n*n的棋盘，这是因为每个棋子影响的范围是有限的，你下最左上角的一个棋子，再怎么样也不可能和最右下角的棋子凑成五连，或是阻碍右下角的棋子凑成五连，这里定义一个词语“米围”：以自己为中心，上面四个，下面四个，左边四个，右边四个，左上四个，左下四个，右上四个，右下四个，共二十八个位置，这就是一个点的影响范围，如图所示，白点是下的点，而红色区域是因为白点的存在而战局意义改变的点，而除红色区域外的点白点都无法阻止或凑成五连。

// 计算刚才下的点的"米围"点的分值public void calculateScore(int a, int b) {for (int i = a - 4; i <= a + 4; i++) {updatePoint(i, b, "|");//从上往下}for (int i = b - 4; i <= b + 4; i++) {updatePoint(a, i, "-");//从左往右}for (int i = a - 4, j = b - 4; i <= a + 4; i++, j++) {updatePoint(i, j, "\\");//从左上往右下}for (int i = a - 4, j = b + 4; i <= a + 4; i++, j--) {updatePoint(i, j, "/");//从右上往左下}}

更新分值方法

首先如果这个点已经有白棋或黑棋占领，即符号为X或O，则将其分值变为-1，就永远也不可能下这个点了。如果还是空位，就必须观察自己周围的局势，判断自己下这个点有何意义：是为了凑成五连，还是为了阻止五连？可以凑成四连进攻一手，还是堵个四连防守一下？
这个点的分值被四个方向的点影响着，正好也是“米围”的点，因为如果下了这个点，就可能让和“米围”的点凑成五连，因此就只需要观察“米围”的点就行了。此处可以拆成四处，即“——”，“|”，“\”，“/”四个方向。
这里由于计算分值总是被动的（只有每次玩家和AI下完棋后才会更新分值），因此计算分值时可以得知“刚下的点”在“要计算的点”的哪一个方向，这样就可以每次更新一个方向，只不过需要一个nn4的数组记录一下，当然也可以每次都计算四个方向（反正人反应不过来，还能节省内存），这里使用前者，空间换时间。

private void updatePoint(int a, int b, String string) {char c = battle.getBattle(a, b);if (c != 'L') {setPoint(a, b, -1);return;}String s = "";switch (string) {case "|":for (int i = a - 4; i <= a + 4; i++) {s += battle.getBattle(i, b);//从上往下}this.pointDetil[a][b][0] = getScore(s);//代表丨的局势break;case "-":for (int i = b - 4; i <= b + 4; i++) {s += battle.getBattle(a, i);//从左往右}this.pointDetil[a][b][1] = getScore(s);//代表——的局势break;case "\\":for (int i = a - 4, j = b - 4; i <= a + 4; i++, j++) {s += battle.getBattle(i, j);//从左上往右下}this.pointDetil[a][b][2] = getScore(s);//代表\的局势break;case "/":for (int i = a - 4, j = b + 4; i <= a + 4; i++, j--) {s += battle.getBattle(i, j);//从右上往左下}this.pointDetil[a][b][3] = getScore(s);//代表/的局势break;}this.point[a][b] = getSumPoint(a, b);//计算总分值return;}// 计算总的分值(横竖斜加起来)private int getSumPoint(int a, int b) {return this.pointDetil[a][b][0] + this.pointDetil[a][b][1] + this.pointDetil[a][b][2]+ this.pointDetil[a][b][3];}

判断分值方法

现在我们得到了代表局势的字符串，接下来就该考虑如何计算分值了，例如我们取得了“LXXXLOOLL”，由于“米围”的范围，所以这必是个长度为9的字符串，由于只有第四位为L时才能下棋，所以第四位必为L。
“LXXXLOOLL”这9个字符中，我们可以知道下这个点就可以凑成一个四连，并阻止白棋的二连，这是对己方有利的，因此就可以给特定的分值。
可以很轻易的用正则表达式实现：

// 计算分值protected int getScore1(String str) {int L_num = 0;int O_num = 0;int X_num = 0;for (int i = 0; i < str.length(); i++) {if (str.charAt(i) == 'L') {L_num++;} else if (str.charAt(i) == 'X') {X_num++;} else if (str.charAt(i) == 'O') {O_num++;}}String strR = new StringBuilder(str).reverse().toString();// 字符串反转if (X_num > 3) {if (str.matches("^..XXLXX.*") || str.matches("^.XXXLX.*") || strR.matches("^.XXXLX.*")|| str.matches("^XXXXL.*") || strR.matches("^XXXXL.*")) {return 40000;// 获胜分}}if (O_num > 3) {if (str.matches("^..OOLOO.*") || str.matches("^.OOOLO.*") || strR.matches("^.OOOLO.*")|| str.matches("^OOOOL.*") || strR.matches("^OOOOL.*")) {return 10000;// 救命分}}if (L_num > 2) {if (X_num >= O_num) // 优先进攻if (str.matches("^.XXXLL.*") || strR.matches("^.XXXLL.*")) {return 2500;// 进攻分} else if (str.matches("^..XXL[LX][LX].*") || strR.matches("^..XXL[LX][LX].*")) {return 1000;} else if (str.matches("^.[LX][LX][LX]LX.*") || strR.matches("^.[LX][LX][LX]LX.*")) {return 400;}} else {if (str.matches("^.OOOLL.*") || strR.matches("^.OOOLL.*")) {return 2100;// 防守分} else if (str.matches("^..OOL[LO][LO].*") || strR.matches("^..OOL[LO][LO].*")) {return 900;} else if (str.matches("^.[LO][LO][LO]LO.*") || strR.matches("^.[LO][LO][LO]LO.*")) {return 300;}}return 1;}

不过上述使用正则表达式的方法并非明智之举，因为它匹配时间长（时间复杂度大约为平方级n²，此处n为9,不过我加了"^",所以可能优化为线性级n的了），还要许多次（取决于你想要的精度m），还不一定匹配得到，需要的时间O(m*n²)。下面介绍一种只要O(n)的算法：
以黑棋为例，首先从中间向两边检测，判断其连续为X或L的最大长度，只有其大于等于5时，黑棋才有可能在此条路线上五连，白棋同理，假如黑白棋都无法五连，那这个点（在这个方向的局势上）便没有任何下的意义，甚至连阻挡白棋都不需要，因为谁都无法五连。然后通过占比确定此路径上是白棋占优还是黑棋占优，以此决定是进入防御模式还是攻击模式：1)防御模式：假如此点下白棋，白棋组成的连数越高，得分越高；2)攻击模式：假如此点下黑棋，黑棋组成的连数越高，得分越高。此方法就只要数数量就可以看出局势的状况了
下面是代码，详细见注释：

protected int getScore(String str) {int lxLength = 0;// 从中间向两边为X或L的最大长度,该数字大于等于5时,X下此位置才有机会通过此线获胜int xNum = 0;// lxLength中X的个数,lxLength大于大于等于5且其中xNum占比越高,X下次位置进攻性越强int loLength = 0;// 从中间向两边为O或L的最大长度,该数字大于等于5时,O下此位置才有机会通过此线获胜int oNum = 0;// loLength中X的个数,loLength大于大于等于5且其中oNum占比越高,X越需要下次位置进行防守boolean canXAdd = true;// 表示lxLength是否还能增长,遇到O变falseboolean canOAdd = true;// 表示loLength是否还能增长,遇到X变falsefor (int i = 4; i < str.length(); i++) {if (str.charAt(i) == 'L') {if (canXAdd) {lxLength++;}if (canOAdd) {loLength++;}} else if (str.charAt(i) == 'X') {canOAdd = false;if (canXAdd) {lxLength++;xNum++;}} else if (str.charAt(i) == 'O') {canXAdd = false;if (canOAdd) {loLength++;oNum++;}}}canXAdd = true;canOAdd = true;for (int i = 3; i > 0; i--) {if (str.charAt(i) == 'L') {if (canXAdd) {lxLength++;}if (canOAdd) {loLength++;}} else if (str.charAt(i) == 'X') {canOAdd = false;if (canXAdd) {lxLength++;xNum++;}} else if (str.charAt(i) == 'O') {canXAdd = false;if (canOAdd) {loLength++;oNum++;}}}if (lxLength > 4 || loLength > 4) {StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder(str);if (((float) xNum / (float) lxLength) >= ((float) oNum / (float) loLength)) {//判断谁占比高stringBuilder.setCharAt(4, 'X');//攻击模式:假定下黑棋,局势对自己越好,分数越高} else {stringBuilder.setCharAt(4, 'O');//防御模式:站在敌人的角度思考,假定下白棋,局势对白棋越优,就越需要由黑棋破环,分数越高}return getContinueCharNum(stringBuilder.toString()).getValue();//返回判断分数}return 1;}// 返回代表局势状态的枚举类型，weight中含有每个关键局势权重private Weight getContinueCharNum(String str) {boolean boundaryIsLRight = false;boolean boundaryIsLLeft = false;char c = str.charAt(4);int num = 0;for (int i = 4; i < str.length(); i++) {if (str.charAt(i) != c) {if (str.charAt(i) == 'L') {boundaryIsLRight = true;}break;}num++;}for (int i = 3; i >= 0; i--) {if (str.charAt(i) != c) {if (str.charAt(i) == 'L') {boundaryIsLRight = true;}break;}num++;}if (c == 'O') {if (num >= 5) {return Weight.OOOOO;} else if (num == 4) {if (boundaryIsLLeft && boundaryIsLRight) {return Weight.LOOOOL;}return Weight.OOOO;} else if (num == 3) {if (boundaryIsLLeft && boundaryIsLRight) {return Weight.LOOOL;}return Weight.OOO;} else if (num == 2) {return Weight.OO;} else {return Weight.O;}} else {if (num >= 5) {return Weight.XXXXX;} else if (num == 4) {if (boundaryIsLLeft && boundaryIsLRight) {return Weight.LXXXXL;}return Weight.XXXX;} else if (num == 3) {if (boundaryIsLLeft && boundaryIsLRight) {return Weight.LXXXL;}return Weight.XXX;} else if (num == 2) {return Weight.XX;} else {return Weight.X;}}  }

局势分数权重

分数的多少，对AI的判断至关重要，是AI胜率的直接因素。可以判断当黑棋可以五连时XXXXX分数应该是最高的，因为可以直接赢得比赛，假设为40000分。其次应该是OOOOO当白棋可以五连时，此处要是不下黑棋，导致白棋下了，就直接输了，因此也很重要，但是即便是四条路都被将军（虽然实际不可能），也不应该使其分数超过黑棋五连分，因为后者可以赢，而前者只能苟命，所以这里设为10000分。LXXXXL代表两边有空位的四连，可以说也是将军了，一旦下出来白棋无法挡住，这回合白棋不赢，下回合黑棋必赢，因此此分数适合设为2500分，同理LOOOOL设为625分合适，逻辑依次类推。
下面是经过测试，个人认为适合的分数，通过枚举实现：

public enum Weight {X(1), XX(11), XXX(45), LXXXL(180), XXXX(720), LXXXXL(2880), XXXXX(46080), O(1), OO(10), OOO(40), LOOOL(160),OOOO(600), LOOOOL(2400), OOOOO(11520);private final int value;private Weight(int value) {this.value = value;}public int getValue() {return value;}
}

设计模式

战局类Battle

属性有个15x15的char数组，只会填L(left 空位置)，X(黑棋，AI使用的棋子)，O(白棋，玩家使用的棋子)。前面提到过会出现E(error 表示越界)是因为在获取当前战局信息的时候会使用字符串，而第（1,2）位置（第二行第三列）的四条战局信息分别为：|：EEEL L LLLL，——：EELL L LLLL，\：EEEL L LLLL，/：EEEL L LLLL，这样可以保证即便是偏僻的位置，返回的字符串信息也是9位，方便处理。方法的话要一个下棋方法和一个返回战局的方法。

public class Battle {protected char battle[][];//战局protected Integration AI;//AIpublic Battle() {this.battle = new char[15][15];for (int i = 0; i < battle.length; i++) {for (int j = 0; j < battle.length; j++) {battle[i][j] = 'L';}}}public void setAI(Integration AI) {this.AI = AI;}public char getBattle(int a, int b) {if (a < 0 || a > 14 || b < 0 || b > 14) {return 'E';//越界返回E}return this.battle[a][b];}public void show() {System.out.print("\n\n\n");for (int i = 0; i < battle.length; i++) {for (int j = 0; j < battle.length; j++) {System.out.print(battle[i][j] + "  ");}System.out.print("\n");}}//下黑棋或白棋public void play(boolean isblack, int a, int b) {if (a < 0 || a > 14 || b < 0 || b > 14) {return;}if (isblack) {battle[a][b] = 'X';} else {battle[a][b] = 'O';if (AI != null) {AI.calculateScore(a, b);}}}}

AI类 Integration

首先他肯定要关联一个战局类Battle，时刻关注局势，然后自己再有一个分值表15x15的数组point，之前介绍过我们以空间换时间，因此这里还创建一个15x15x4的数组pointDetail 存放一个点横竖斜的分值，point就是四条线累加起来的最终分值。当然里面还需要一些方法：下棋，更新point表（每次白棋黑棋下完后立即更新），需求有这两个就够了，不过我写了好几个函数，命名我自己都分不清，代码太长了，这里就不贴了，下面给个链接下载，自己看吧。

UI设计

窗口类UIinterface （继承JFrame）

可以想到这个窗口是有多层的，最底下是棋盘，用张图片表示就行了，中间是棋子层，这里使用一个棋子Panel类，然后这个Panel里面塞15x15个按钮表示棋子就行了，最上层可以弹出获胜或是失败的标志。
关于分层，可以使用JLayeredPane类分层网格。通过在不同的层级插入容器就可以实现覆盖效果。

public class UIinterface extends JFrame {JLayeredPane layeredPane = new JLayeredPane(); // 分层网格JPanel chessboard;// 棋盘层(下层)PiecePanel piecePanel;// 棋子层(中层)BattlePane battlePane;ImageIcon image;public UIinterface() {image = new ImageIcon("./src/image/qipan.jpg");Integration AI = new Integration();piecePanel = new PiecePanel(image.getIconWidth(), image.getIconHeight());piecePanel.setOpaque(false);battlePane = new BattlePane();battlePane.setPanel(piecePanel);battlePane.setAI(AI);battlePane.setUI(this);AI.setBattle(battlePane);piecePanel.setBattlePane(battlePane);chessboard = new ChessBoard(image.getImage());JLabel label = new JLabel(image); // 把背景图片添加到标签里chessboard.setBounds(0, 0, image.getIconWidth(), image.getIconHeight()); // 把标签设置为和图片等高等宽chessboard.add(label);layeredPane.add(chessboard, JLayeredPane.DEFAULT_LAYER);// 棋盘层(下层)layeredPane.add(piecePanel, JLayeredPane.MODAL_LAYER);// 棋子层(中层)this.setTitle("五子棋");this.setBounds(0, 0, image.getIconWidth() + 15, image.getIconHeight() + 35);this.setDefaultCloseOperation(DISPOSE_ON_CLOSE);this.setLayeredPane(layeredPane);this.setResizable(false);this.setVisible(true);}public void showWin() {JLabel label = new JLabel("YOU WIN!!!");label.setBounds(10, 180, 100, 100);label.setFont(new Font("Dialog", 1, 90));label.setSize(1000, 100);this.layeredPane.add(label, JLayeredPane.POPUP_LAYER);}public void showLose() {JLabel label = new JLabel("YOU LOSE!!!");label.setBounds(10, 180, 100, 100);label.setFont(new Font("Dialog", 1, 80));label.setSize(1000, 100);this.layeredPane.add(label, JLayeredPane.POPUP_LAYER);}class ChessBoard extends JPanel {// 绘制容器Image img;public ChessBoard(Image img) {this.img = img;}@Overrideprotected void paintComponent(Graphics g) {super.paintComponent(g);// 调用父类的高度和宽度g.drawImage(img, 0, 0, this.getWidth(), this.getHeight(), this);}}
}

棋子层类（继承JPanel）

里面塞15x15个棋子按钮就行，还要提供一个禁用所有按钮的方法，防止用户输赢后再下棋。

//棋子层类
public class PiecePanel extends JPanel {private static final long serialVersionUID = 1L;BattlePane battle;Piece pieces[][];public PiecePanel(int width, int height) {pieces = new Piece[15][15];for (int i = 0; i < pieces.length; i++) {for (int j = 0; j < pieces.length; j++) {pieces[i][j] = new Piece(i, j, this);this.add(pieces[i][j]);}}this.setBounds(0, 0, width, height);GridLayout gridLayout = new GridLayout(15, 15, 2, 2);this.setLayout(gridLayout);this.setOpaque(false);}public void setBattlePane(BattlePane battle) {this.battle = battle;}public void xiaqi(int a, int b) {this.battle.userPlay(a, b);}public void setDisable() {for (int i = 0; i < pieces.length; i++) {for (int j = 0; j < pieces.length; j++) {pieces[i][j].setEnabled(false);}}}
}

棋子按钮类（继承JButton）

这按钮有三种不同的状态，分别是空，白，黑。得注意一下如何往按钮里塞图片，让他变好看。this.setContentAreaFilled(false);可以清空填充，this.setOpaque(false);可以设置透明。点击时要设置图片（白棋或黑棋的图片），然后在禁用此按钮，防止用户往此位置下棋。不过在禁用的时候一定也要设置禁用图片，不然禁用按钮的图片会变色，也就是说setDisabledIcon和setIcon都要设置。

public class Piece extends JButton {int a, b;PiecePanel piecePanel;public Piece(int a, int b, PiecePanel piecePanel) {this.a = a;this.b = b;this.piecePanel = piecePanel;this.setContentAreaFilled(false);// 清空填充物this.setOpaque(false);// 设置透明this.addActionListener(new MyAction(this));}// 下棋触发的逻辑:更换按钮的图片,禁用按钮public void setPiece(boolean isBlack) {if (isBlack) {Icon blankIcon = new ImageIcon("./src/image/black.png");this.setDisabledIcon(blankIcon);this.setIcon(blankIcon);this.setEnabled(false);} else {Icon whiteIcon = new ImageIcon("./src/image/white.png");this.setDisabledIcon(whiteIcon);this.setIcon(whiteIcon);this.setEnabled(false);}}//按下按钮触发的事件:下棋class MyAction implements ActionListener {Piece p;public MyAction(Piece p) {this.p = p;}@Overridepublic void actionPerformed(ActionEvent e) {p.setPiece(false);p.removeActionListener(this);this.p.piecePanel.xiaqi(this.p.a, this.p.b);}}
}

总结

到这里所有的逻辑就介绍完了，还是有一些遗憾的：悔棋，重开之类的操作没写，而且代码有一点混乱，设计模式的使用也十分糟糕，命名也不太行，总感觉功能说不清楚又或是太相近，路漫漫其修远兮呀，不过这是算法作业来着，所以总体来说偏向算法的说明，如果您是冲着Swing来的话容我说声抱歉，可能交代的不是太清楚。
项目截图

下了许多把，总体是输多赢少，只有偶然才能“声东击西”赢得一把，说明算法权值还可以继续调整。对此AI对手的感受是：难缠，但有时候又会下一些让人意想不到的地方（直接跳到很远的地方下棋）。

项目下载

链接：人机五子棋
提取码：1je3

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