在线联机原型全集:第 9 章 协作扫雷 / 限时合作解谜(Cooperative Minesweeper)
类别:多人协作 + 冲突写入 + 乐观锁原型 目标:验证多人同时操作同一共享状态下的冲突解决、幂等更新、ETag 模型、协作限时与状态回放。 原型代号:
proto-009-coop-minesweeper依赖模块:proto-008-battleship,proto-005-pictionary推荐语言栈:Go / Rust / Elixir / TypeScript 网络协议:WebSocket + HTTP (ETag 版本控制)
一、概述(Overview)
“协作扫雷” 是一种典型的多人共享棋盘类游戏, 多个玩家共同操作同一个网格世界(Grid),进行翻格、标雷、推理与协作。
不同于战舰或UNO的“玩家独立状态”, 这里的所有玩家共享一个世界状态, 且任何时刻都可能有多人同时尝试更新同一个格子。
因此本原型验证的核心能力是:
- 并发更新的冲突检测与解决;
- 幂等操作设计;
- 协作锁(Optimistic Lock);
- 状态一致性校验;
- 限时任务调度与超时裁定。
二、核心玩法与系统目标(Gameplay & Objectives)
2.1 基本玩法
- 一张 10×10 棋盘,共 10 个雷;
- 玩家共同点击格子,若点中地雷则全体失败;
- 所有非雷格被成功翻开即胜利;
- 每个玩家可标记疑似地雷;
- 操作实时同步给所有人;
- 游戏设有 3 分钟时限;
- 倒计时结束未清空则失败。
2.2 系统目标与验证点
| 模块 | 功能目标 | 验证重点 |
|---|---|---|
| 并发操作控制 | 多人同时点击同一格 | 乐观锁 / 版本号 |
| 幂等性保障 | 重复点击不重复执行 | 幂等操作 ID |
| 冲突合并 | 多人修改同一资源 | CRDT/ETag 冲突解决 |
| 状态快照 | 全局状态保存 | Redis Snapshot |
| 限时机制 | 倒计时裁定 | 定时器 + 仲裁 |
| 审计日志 | 操作记录 | 时间序列回放 |
三、系统架构设计(Architecture)
graph TD
A[Client1] -->|action: flip_cell| B[Gateway]
A2[Client2] -->|action: flag_cell| B
B --> C[RoomService]
C --> D[GridEngine]
C --> E[ConflictResolver]
C --> F[TimerScheduler]
C --> G[AuditLogger]
D --> H[Redis Snapshot]
模块说明
| 模块 | 职责 |
|---|---|
| Gateway | WebSocket 接入、鉴权、广播操作 |
| RoomService | 房间与玩家协作状态管理 |
| GridEngine | 棋盘核心逻辑与版本控制 |
| ConflictResolver | 冲突检测、合并与回滚 |
| TimerScheduler | 倒计时裁定、自动结算 |
| AuditLogger | 操作审计、回放导出 |
| Redis Snapshot | 状态快照与恢复 |
四、核心机制详解(Core Mechanisms)
4.1 网格状态结构(Grid Engine)
type Cell struct {
X, Y int
IsMine bool
IsFlipped bool
FlaggedBy []string
Version int
UpdatedAt int64
}
type Grid struct {
Width, Height int
Cells [][]Cell
Version int
}
- 每个格子都有独立版本号(Version);
- 全局 Grid 也有总体版本号(ETag);
- 所有更新都必须带上客户端上次读取的版本号。
4.2 乐观锁机制(Optimistic Lock / ETag)
原理
客户端请求修改时附带上次已知版本号:
PATCH /grid/cell/5/6
If-Match: "v42"
服务器:
- 若当前版本号仍为 42 → 允许更新;
- 否则返回
412 Precondition Failed(冲突)。
客户端收到冲突后:
- 重新拉取最新状态;
- 重新计算操作;
- 再次尝试。
4.3 幂等操作设计(Idempotent Operations)
所有操作附带唯一操作 ID:
{
"op_id": "uuid-2025-11-04T20:05:30",
"action": "flip_cell",
"x": 3,
"y": 4
}
服务器维护去重缓存:
if op_id in processed_ops:
return last_result
else:
execute()
确保网络重发不会重复执行。
4.4 冲突解决策略(Conflict Resolution)
| 冲突类型 | 说明 | 解决策略 |
|---|---|---|
| 双方同时翻同一格 | Race Condition | 只接受最早到达的请求 |
| 一方翻、一方标记 | 意图冲突 | 优先执行“翻” |
| 重复标记 | 冗余操作 | 幂等化忽略 |
| 同时多人翻多个格 | 状态批量合并 | CRDT Merge by timestamp |
4.5 定时器与裁定机制(Timer Scheduler)
功能
-
倒计时由服务器启动;
-
每秒广播剩余时间;
-
时间到自动触发结算;
-
结算逻辑:
- 若所有非雷格翻开 → 胜利;
- 若有雷被触发 / 超时 → 失败。
timer := time.NewTimer(3 * time.Minute)
<-timer.C
JudgeGame()
4.6 审计与回放系统(AuditLogger)
日志模型
[
{"tick":1,"player":"A","op":"flip","cell":[1,1],"result":"safe"},
{"tick":2,"player":"B","op":"flag","cell":[2,2],"result":"flagged"},
{"tick":3,"player":"C","op":"flip","cell":[3,4],"result":"boom"}
]
回放机制
- 顺序重放操作;
- 可导出 MP4 或 GIF;
- 可统计“协作效率”与“冲突率”。
五、状态机(State Machine)
stateDiagram-v2
[*] --> Ready
Ready --> Playing: Start timer
Playing --> Conflict: Multiple writes detected
Conflict --> Reconcile: ConflictResolver merges
Reconcile --> Playing
Playing --> End: Time up or All safe
End --> [*]
六、客户端交互流程(Flow)
sequenceDiagram
ClientA->>Server: flip_cell(x=3,y=4,version=42)
Server->>GridEngine: check version
GridEngine->>ConflictResolver: no conflict
GridEngine->>Server: update cell
Server->>AllClients: broadcast(update)
ClientB->>Server: flag_cell(x=3,y=4,version=41)
Server->>ClientB: reject 412
ClientB->>Server: refetch()
七、数据模型(Data Schema)
| 表 | 字段 | 描述 |
|---|---|---|
grids |
id, width, height, version, state_blob | 当前棋盘 |
cells |
grid_id, x, y, is_mine, flipped, flagged_by | 网格状态 |
operations |
op_id, user_id, action, x, y, result | 操作日志 |
snapshots |
grid_id, version, state_json | 状态快照 |
audits |
grid_id, hash_chain | 回放校验链 |
八、验证指标(Metrics & KPI)
| 指标 | 目标 | 说明 |
|---|---|---|
| 并发冲突率 | ≤5% | 有效协调 |
| 平均响应时间 | ≤100ms | 操作反馈 |
| 状态一致性 | 100% | 全客户端相同视图 |
| 幂等命中率 | 100% | 去重成功 |
| 超时触发率 | ≤1% | Timer 稳定 |
| 快照恢复成功率 | ≥99% | Redis 有效恢复 |
九、扩展功能(Extensions)
-
团队积分制
- 每次成功翻开非雷格加分;
- 团队成员协作加成。
-
错误容忍机制
- 可允许一次误雷(自动救援道具)。
-
回放分析
- 统计“冲突热点区域”;
- 用于协作行为分析。
-
AI 提示系统
- 基于当前格局自动推理安全格;
- 用于合作解谜游戏设计扩展。
-
CRDT 全同步模式
- 替换乐观锁为向量时间戳(Vector Clock)。
十、技术选型(Tech Stack)
| 层级 | 技术 | 理由 |
|---|---|---|
| 网络层 | WebSocket + HTTP/ETag | 双通道同步 |
| 协作层 | Go + FSM | 状态控制稳定 |
| 存储层 | Redis + PostgreSQL | 快照持久化 |
| 并发控制 | 乐观锁 + CRDT | 冲突解决 |
| 日志层 | Loki + JSONL | 审计溯源 |
| 客户端 | Vue / React + Canvas | 棋盘渲染 |
| 回放 | FFmpeg + JSONL Replay | 自动生成视频 |
十一、压测与运维(Load & Ops)
| 场景 | 模拟行为 | 目标 |
|---|---|---|
| 50 名玩家同时操作 | 高频并发写入 | 冲突率 <5% |
| 高频刷新 | 每秒 10 次操作 | 状态稳定 |
| 网络抖动 | 模拟 200ms 延迟 | 一致性保持 |
| 快照恢复 | 游戏中断后恢复 | 成功率 >99% |
| 审计重放 | 重演全局日志 | 100% 匹配 |
监控指标:
operation_conflict_totaletag_mismatch_totalsnapshot_restore_totaltimer_expired_totaloperation_idempotent_hit_total
十二、设计反思与演化(Reflection & Evolution)
12.1 核心洞察
“协作扫雷”验证了多人共享状态的核心命题:
多人写入的系统中,一致性永远不是免费的。
你必须明确选择:
- 是强一致(牺牲实时性);
- 还是最终一致(容忍差异)。
ETag / 乐观锁 是轻量化选择, CRDT / 向量时钟 是强健型选择。
12.2 技术挑战
- 操作冲突检测与回滚代价;
- 版本号同步开销;
- Redis 快照体积;
- 审计回放的时序精度。
12.3 进化方向
| 能力 | 下一原型 |
|---|---|
| 任务队列 + 延迟裁定 | → #10 城格建造 mini-SLG |
| 分布式 CRDT 共享文档 | → #11 云端协作文档 |
| 玩家协同编辑 | → #14 沙盒建造原型 |
| 异步任务执行 | → #20 时间驱动系统 |
十三、总结
“协作扫雷”是多人协作与并发控制的交汇点。 在这里你学会:
- 处理多人同时操作;
- 保证幂等更新;
- 管理冲突与版本;
- 保持系统可重放、可恢复。
从工程角度,这是协作类平台(如 Google Docs、Miro、Minecraft、Factorio、多人建造类游戏)的底层模型。
“前一章我们学会控制真相,这一章我们学会共享真相。”