sábado, 28 de maio de 2016

Uso de UUIDs como chave primária com Django e Postgres

Por default, o Django cria chaves primárias do tipo inteiro (32 bits) quando usado com o banco PostgreSQL. Estes campos são incrementados automaticamente e funcionam perfeitamente bem em ambiente local. Um problema que aparece quando você cria uma API é o fato de seus ids sequenciais e numéricos exporem detalhes de sua base de dados.

Imagine que seu cliente tem o id 1, ele pode imaginar (e com razão) que é seu primeiro cliente. O mesmo pode ser utilizado por concorrentes para saber quantos novos clientes você obteve em determinado período, bastando para isso criar uma nova conta. Isto pode gerar uma vontade incontrolável em algumas pessoas de explorar os valores de suas chaves. Com chaves inteiras, esta tarefa é fácil, basta incrementar o valor da chave de 1 e tentar novamente.

Uma alternativa às chaves inteiras é a utilização de UUID, geradas aleatoriamente, porém maiores (128 bits). Por serem 4 vezes maiores, já podemos imaginar que o espaço em disco ocupado pelas chaves e índices vai também aumentar. Mas e quanto as operações de inserção, busca e atualização de tabelas? Quanto custa substituir as chaves inteiras por UUIDs.

Exemplo de UUID:
cab5ade3-2dc3-4344-b5a6-80df59f91458

Eu resolvi fazer um teste, comparando chaves inteiras, uuids e uma solução mista, onde a uuid é utilizada fora da aplicação, mas mantendo uma chave primária inteira.

Os modelos são bem simples (chaves inteiras, modelo de referência):

class A(models.Model):
    bigtext = models.TextField()
    name = models.CharField(max_length=100)
    counter = models.IntegerField(default=0)


class B(models.Model):
    parent = models.ForeignKey(A, related_name="bs")
    bigtext = models.TextField()
    counter = models.IntegerField(default=0)


class C(models.Model):
    parent = models.ForeignKey(B, related_name="cs")
    grandparent = models.ForeignKey(A, related_name="cs")
    bigtext = models.TextField()
    counter = models.IntegerField(default=0)

A, B, C e foram configuradas de forma a estabeler um relacionamento entre elas.

Vamos modificar os modelos para utilizarmos UUIDs:

class A(models.Model):
    id = models.UUIDField(primary_key=True, default=uuid.uuid4, editable=False)
    bigtext = models.TextField()
    name = models.CharField(max_length=100)
    counter = models.IntegerField(default=0)


class B(models.Model):
    id = models.UUIDField(primary_key=True, default=uuid.uuid4, editable=False)
    parent = models.ForeignKey(A, related_name="bs")
    bigtext = models.TextField()
    counter = models.IntegerField(default=0)


class C(models.Model):
    id = models.UUIDField(primary_key=True, default=uuid.uuid4, editable=False)
    parent = models.ForeignKey(B, related_name="cs")
    grandparent = models.ForeignKey(A, related_name="cs")
    bigtext = models.TextField()
    counter = models.IntegerField(default=0)


E uma solução híbrida alternativa, com duas chaves, uma uuid e outra inteira:

class A(models.Model):
    surrogate_id = models.UUIDField(default=uuid.uuid4, editable=False, unique=True)
    bigtext = models.TextField()
    name = models.CharField(max_length=100)
    counter = models.IntegerField(default=0)


class B(models.Model):
    surrogate_id = models.UUIDField(default=uuid.uuid4, editable=False, unique=True)
    parent = models.ForeignKey(A, related_name="bs")
    bigtext = models.TextField()
    counter = models.IntegerField(default=0)


class C(models.Model):
    surrogate_id = models.UUIDField(default=uuid.uuid4, editable=False, unique=True)
    parent = models.ForeignKey(B, related_name="cs")
    grandparent = models.ForeignKey(A, related_name="cs")
    bigtext = models.TextField()
    counter = models.IntegerField(default=0)


O programa completo pode ser baixado aqui: https://github.com/lskbr/keyperftest

Ambiente de testes:
Processador: Intel Core i7 4790K 4 GHz
Disco: Samsung SSD 850 EVO
Ubuntu 16.04 rodando em VM VirtualBox (4 GB, 4 CPUs)
PostgreSQL 9.5.2 rodando via docker
Django 1.9.6
Python 3.5.1
Testes realizados em: 28/05/2016

Rodando o programa com 1000 registros, obtemos os seguintes resultados (todos os tempos em segundos):


Neste primeiro resultado, percebemos o tempo de inserção com chave inteira e uuid não é muito diferente. A solução mista (chave inteira + uuid) leva mais tempo.

Para simular o tempo de acesso aleatório a tabelas com chave inteira ou uuid, vemos que como esperado, as chaves inteiras possuem a melhor performance. A solução híbrida se apresenta como uma alternativa interessante, uma vez que o relacionamento entre as tabelas continua sendo feito por chaves inteiras (a chave surrogate é utilizada apenas para encontrar o registro em C, as ligações entre A e B são feitas com chaves inteiras).



E nesta imagem o resultado das operações de atualização da tabelas. No caso, atualizamos a partir de C, as tabelas A e B. Mais uma vez as chaves inteiras tiveram um melhor desempenho e a combinação de chave inteira com uuid se apresenta como uma meio termo.

Repetindo os testes, mas desta vez para 10.000 registros, as diferenças se tornam mais claras.

No caso da inserção:

Acesso:


Atualização


Embora haja diferença entre os tempos destas operações, os resultados não demonstram uma lentidão excessiva ao aumentarmos o tamanho da chave 4 vezes, de 32 para 128 bits.

Considerando os tempos das operações com chaves inteiras como 100%, temos os seguintes resultados médios:

Inserção Atualização Acesso
integer 100.00% 100.00% 100.00%
uuid 101.64% 108.77% 108.97%
interger + uuid 106.15% 106.63% 111.85%


Utilizar as UUIDs em URLs também aumenta o tamanho das strings, mas acredito ser um preço a se pagar pela comodidade.

Além de esconder a sequência de chaves e não possibilitar a dedução do número de registros de seu banco de dados, UUID possuem as seguintes vantagens:
a) Podem ser geradas em várias máquinas, permitindo que seu banco rode em vários servidores sincronizados.
b) Evitam ataques por dedução das chaves

Desvantagens de UUIDs:
a) Ocupam mais espaço em disco e em memória (128 bits)
b) São um pouco mais lentas para gerar
c) Aumentam o tamanho das URLs
d) São difíceis de memorizar (o que pode dificultar as tarefas de depuração)

Eu decidi utilizar UUID em projetos futuros, uma vez que a segurança das chaves é mais importante para mim que o espaço ocupado por estas e que não há uma degradação importante na velocidade de acesso ao banco. O uso de UUIDs também facilitar a utilização do banco em clusters e até mesmo a geração de chaves offline.


domingo, 22 de maio de 2016

Convertendo um jogo escrito em Basic para Python - Parte III

Nesta terceira parte, temos os seguintes objetivos:


  • Limpar as classes
  • Vários aviões
  • Múltiplos tiros.
  • Generalizar os objetos do jogo em uma super classe
  • Exibir um placar
  • Atribuir teclas para atirar e jogar de novo ou sair


Na versão da Parte II, as classes tem muito código repetido.
Analisando cada uma delas, podemos chegar a conclusão de um comportamento comum quanto
a forma de desenhar e atualizar os objetos. Um método para retirar o objeto do jogo também é utilizado.

Todo objeto do jogo precisa ter acesso ao jogo em sim.
Embora quase não utilizemos cores, eu adicionei a cor como parâmetro, uma vez que pode ser usada para representar múltiplos jogadores ou diferentes tipos de objetos.

Uma das coisas que não ficaram claras na versão anterior é o controle de colisão. Na realidade, o controle de colisão que utilizamos é bem básico e difícil de generalizar. Para permitir o controle da colisão entre objetos, cada objeto terá uma posição x e y na tela, com altura e largura.

Desta forma, dois objetos colidem se o retângulo formado pelos pontos:

(x, y), (x + largura, y), (x + largura, y + altura), (x, y + altura)

De dois objetos tiverem pontos em comum.

Como diferentes tipos de objetos colidem entre si, a propriedade colisão guarda o tipo de objeto.
Desta forma, podemos separar os tiros do avião em si.

Uma variável de DEBUG também foi adicionada, para mostrar o retângulo de colisão caso precisemos fazer ajustes.

class ObjetoDoJogo:
    def __init__(self, jogo, cor):
        self.jogo = jogo
        self.cor = cor
        self.ativo = True
        self.colisao = FUNDO
        self.largura = 0
        self.altura = 0
        self.x = 0
        self.y = 0
        self.debug = DEBUG

Se debug estiver ativo, vamos desenhar uma caixa em volta do objeto.



Desta forma, fica mais fácil detectar erros nos limites e no tamanho do objeto.

    def desenha(self):
        if self.debug:
            set_color(2)
            pyglet.graphics.draw(4, pyglet.gl.GL_LINE_LOOP,
                             ('v2f', (self.x, self.y,
                                      self.x + self.largura, self.y,
                                      self.x + self.largura, self.y + self.altura,
                                      self.x, self.y + self.altura)))

A atualização das propriedades, embora presente em todos os objetos, não tem um comportamento padrão.
Vamos utilizar apenas pass para marcar o lugar.

    def atualiza(self):
        """Calcula nova posição, atualiza valores a cada frame"""
        pass

Aqui um método para dar uma oportunidade ao objeto de tratar a colisão com outro objeto.
Este método será chamado pelo jogo, sempre que dois objetos colidirem.

    def colidiu(self, outro):
        """O que fazer em caso de colisao? Recebe o outro objeto"""
        pass

E este aqui é o teste de colisão em si, bem simples. Ele só funciona com larguras e alturas positivas.
    def colide(self, outro):
        if self.x < outro.x + outro.largura and self.x + self.largura > outro.x and \
           self.y < outro.y + outro.altura and self.altura + self.y > outro.y:
            self.colidiu(outro)
            outro.colidiu(self)

Quando a colisão é detectada, o método colidiu dos dois objetos é chamado.

E finalmente o método para desativar e retirar o objeto do jogo:

    def desativa(self):
        self.ativo = False
        self.jogo.desativa(self)

Vejamos como ficou a classe do Avião:

class Aviao(ObjetoDoJogo):
    def __init__(self, jogo, cor=3):
        super(Aviao, self).__init__(jogo, cor)
        self.velocidade = (random.randint(0, 6) + 4) * RATIO
        self.y = 159 - (random.randint(0, 135) + 11)
        self.x = self.velocidade
        self.altura = 9
        self.largura = 15
        self.colisao = AVIAO
        self.escapou = False

    def desenha(self):
        super().desenha()
        y = self.y + self.altura
        x = self.x
        set_color(self.cor)
        pyglet.graphics.draw(6, pyglet.gl.GL_LINE_LOOP,
                             ('v2f', (x, y,
                                      x, y - 8,
                                      x + 3, y - 2,
                                      x + 12, y - 2,
                                      x + 14, y,
                                      x, y)))

    def atualiza(self):
        self.x += self.velocidade
        if self.x > 265:
            self.escapou = True
            self.desativa()

    def colidiu(self, outro):
        if outro.colisao == TIRO:
            self.jogo.objetos.append(Explosao(self.jogo, self.x, self.y))
            self.desativa()

Nesta versão, o nome das propriedades já foi ajustado. Não utilizo mais altura_do_aviao que se tornou apenas a coordenada y. Na classe Avião, adicionei a propriedade escapou para marcar os aviões que saem da tela sem terem sido destruídos, dos que são atingidos por mísseis. Mais tarde, esta informação será utilizada para contar pontos.

Quando o avião colide com um Tiro, um novo tipo de objeto, Explosao é adicionado ao jogo. Desta forma, teremos um efeito simples quando o avião for atingido.

Uma das vantagens de se trabalhar com objetos é a facilidade de criá-los. No caso, a explosão é apenas outro objeto adicionado ao jogo.

class Explosao(ObjetoDoJogo):
    def __init__(self, jogo, x, y):
        super(Explosao, self).__init__(jogo, cor=0)
        self.estagio = 8
        self.x = x
        self.y = y

    def desenha(self):
        dx = 4 * self.estagio  #random.randint(1, 4)
        dy = random.randint(1, 4) * self.estagio
        dx2 = random.randint(1, 4) * self.estagio
        dy2 = random.randint(1, 4) * self.estagio
        y = self.y
        set_color(7)
        pyglet.graphics.draw(3, pyglet.gl.GL_TRIANGLES,
                             ('v2f', (self.x, y,
                                      self.x - dx, y + dy,
                                      self.x + dx2, y + dy2)))
        set_color(8)
        pyglet.graphics.draw(3, pyglet.gl.GL_TRIANGLES,
                             ('v2f', (self.x, y,
                                      self.x -dx/self.estagio , y + dx,
                                      self.x + dx2 * self.estagio, y + dy2)))

    def atualiza(self):
        self.estagio -= 0.4
        if(self.estagio < 0):
            self.desativa()

A ideia da explosão é que triângulos amarelos e vermelhos, de tamanhos aleatórios apareçam na tela.
Como a explosão não se move, a propriedade estagio foi adicionada para controlar seu tempo de vida.
No caso, a cada frame, subtrairemos 0.4 de estagio e quando este for negativo, o objeto será retirado do jogo.

A classe Tiro foi também melhorada:

class Tiro(ObjetoDoJogo):
    def __init__(self, jogo, posicao):
        super(Tiro, self).__init__(jogo, cor=3)
        self.y = 170
        self.x = (posicao + 1) * 70
        self.velocidade = 5 * RATIO
        self.colisao = 2
        self.altura = 5
        self.largura = 2
        self.errou = False

    def desenha(self):
        super().desenha()
        set_color(self.cor)
        y = self.y + self.altura
        pyglet.graphics.draw(2, pyglet.gl.GL_LINES,
                             ('v2f', (self.x, y,
                                      self.x, y - 4)))
        v = 4
        a = random.randint(3, 4)
        set_color(7)
        pyglet.graphics.draw(3, pyglet.gl.GL_TRIANGLES,
                             ('v2f', (self.x, y,
                                      self.x - 1, y + v,
                                      self.x + 1, y + v)))
        set_color(8)
        pyglet.graphics.draw(3, pyglet.gl.GL_TRIANGLES,
                             ('v2f', (self.x, y,
                                      self.x - 0.5, y + a,
                                      self.x + 0.5, y + a)))

    def atualiza(self):
        self.y -= self.velocidade
        if self.y < 0:
            self.errou = True
            self.desativa()

    def colidiu(self, outro):
        if outro.colisao == AVIAO:
            self.desativa()

O Tiro agora tem um foguete, o efeito é interessante, embora simples.
Quando o tiro sai da tela sem atingir um avião, este é considerado um erro e o jogador é penalizado.

As bases são também desenhadas como objetos do jogo. Nesta versão eu mudei o desenho.

class Base(ObjetoDoJogo):
    def __init__(self, jogo, posicao):
        super(Base, self).__init__(jogo, cor=3)
        self.y = 175
        self.x = (posicao + 1) * 70

    def desenha(self):
        super().desenha()
        set_color(self.cor)
        pyglet.graphics.draw(5, pyglet.gl.GL_LINE_STRIP,
                             ('v2f', (self.x - 5, self.y + 5,
                                      self.x - 3, self.y + 2,
                                      self.x, self.y,
                                      self.x + 3, self.y + 2,
                                      self.x + 5, self.y + 5,
                                      )))

A classe do jogo em si foi simplificada:

class Game:
    def __init__(self, parent):
        self.cor = CORES
        self.window = parent
        self.tiros_disparados = 0  # tiros já disparados
        self.estado = "jogando"
        self.pressionado = False
        self.label = None
        self.objetos = [Aviao(self)]
        self.objetos.extend([Base(self, base) for base in range(0, 3)])
        self.pontos = 0

        self.placar = pyglet.text.Label("Pontos: 0", font_name="Times New Roman", font_size=16,
                                   x=80, y=-185 * 4, anchor_x='center', anchor_y='center')

Agora temos um contador de pontos e um placar. Um objeto da classe Avião e as três bases são adicionadas ao jogo inicial.

def desativa(self, objeto):
        self.objetos.remove(objeto)
        if objeto.colisao == AVIAO:
            if objeto.escapou:
                self.pontos -= 3
            else:
                self.pontos += 5
            self.objetos.append(Aviao(self))
        elif objeto.colisao == TIRO:
            if objeto.errou:
                self.pontos -= 1

A desativação de um objeto é a retirada deste da lista de objetos do jogo.
Quando é um avião, verifica se o avião escapou da tela sem ter sido atingido.
Se escapou, o jogador perde 3 pontos. Se foi destruído, o jogador ganha 5 pontos.

A cada tiro disparado que sai da tela sem atingir um avião, o jogador perde 1 ponto.

Agora que temos o placar a mostrar, precisamos modificar o método mostra_mensagem.
Este deve exibir o placar sempre:

    def mostra_mensagem(self):
        glPushMatrix()
        glScalef(0.25, -0.25, 0.25)
        if self.label:
            self.label.draw()
        self.placar.text = "Pontos: {}".format(self.pontos)
        self.placar.draw()
        glPopMatrix()


O glPushMatrix e glPopMatrix foram utilizados para corrigir o desenho do texto.
Como estamos utilizando uma escala 4 com inversão das coordenadas do eixo Y, o glScalef
foi utilizado com 0.25 (que na multiplicação é o mesmo que 1/4 ou que dividir por 4) e
-0.25 no eixo Y, que divide por 4 e inverte o sinal.
O glPushMatrix é utilizado para salvar a matriz atual na pilha, desta forma o glScalef
será utilizado apenas até o glPopMatrix que restaura os parâmetros anteriores.

O método atualiza foi simplificado:

    def atualiza(self):
        self.jogue()
        if self.estado != "jogando":
            if self.pressionado:
                pyglet.app.event_loop.exit()
        self.mostra_mensagem()

O método jogue sempre é chamado. Desta forma podemos ter o desenho do jogo, mesmo quando exibimos uma mensagem de fim por exemplo. Nesta versão, não há mudança de estado, pois eu modifiquei o jogo para gerar outro avião sempre que um for destruído ou sumir, não tendo fim.

E o método jogue também simplificado:

    def jogue(self):
        for objeto in self.objetos:
            objeto.desenha()

        self.processa_tiros()
        if self.estado == "jogando":
            for objeto in self.objetos:
                objeto.atualiza()

            if self.pressionado:
                self.objetos.append(Tiro(self, self.tiros_disparados % 3))
                self.tiros_disparados += 1
                self.pressionado = False

Ele apenas desenha todos os objetos da lista e chama processa_tiros que testa colisões.
Se ainda estivermos jogando, chama a atualização de todos os objetos da lista e se algo foi pressionado, gera um tiro. Para termos vários tiros, a base que o dispara é calculada pelo módulo do número do tiro e o número de bases.

def processa_tiros(self):
        tiros = [objeto for objeto in self.objetos if objeto.colisao == TIRO]
        avioes = [objeto for objeto in self.objetos if objeto.colisao == AVIAO]

        for aviao in avioes:
            for tiro in tiros:
                aviao.colide(tiro)

Aqui uma simplificação, onde abuso um pouco do computador :-D
Utilizando duas "list comprehensions", eu filtro a lista de objetos, procurando aviões e tiros.
Desta forma, a verificação de colisão se torna mais simples, pois basta verificar se o avião colidiu com um dos tiros.

O jogo principal pouco mudou, salvo o método on_key_press:

def on_key_press(self, symbol, modifiers):        
        if symbol == key.S:
            print("Placar: {}".format(self.game.pontos))
            pyglet.app.event_loop.exit()
        elif symbol == key.R:
            self.game = Game(self)
        else:
            self.game.pressionado = True

No caso, o jogo termina quando pressionamos a tecla S e reinicia se pressionarmos a tecla R.

O jogo completo ficou assim:


Video:



Para o próximo post:

  1. Sons
  2. Imagens


A pyglet não é atualizada há bastante tempo. Eu devo procurar outra biblioteca gráfica para outros posts, mas vou terminar as melhorias deste jogo ainda com pyglet e abusando da OpenGL.


sábado, 21 de maio de 2016

Convertendo um jogo escrito em Basic para Python - Parte II

Neste segundo post, vamos melhorar nosso jogo.

Embora a nova versão rode em Python, ainda está muito anos 80.
A primeira coisa a corrigir é a animação. Como estamos usando um sistema de coordenadas de 280 por 192 pontos para simular as coordenadas do Apple, multiplicamos cada coordenada por 4 na hora de desenhar. Para deixar parecido com o Apple, eu reduzi o número de frames a 8 frames por segundo. Por isso a animação dá tantos saltos! Para fazer com que rode a 60 frames, temos que multiplicar as velocidades pela razão entre o número de frames antigos e o novo: 8/60. A nova versão define algumas constantes para isso:

FRAMES_ORIGINAL = 8
FRAMES_NOVO = 60
RATIO = FRAMES_ORIGINAL / FRAMES_NOVO


Olhando o código, fica fácil perceber que o tiro, o avião e as bases são objetos. Vamos extrair o código do jogo e dividir as operações em atualiza e desenha. No caso, atualiza calcula a nova posição do objeto e desenha realiza o desenho em si.

class Aviao:
    def __init__(self, jogo, cor=3):
        self.cor = cor
        self.velocidade_aviao = (random.randint(0, 6) + 4) * RATIO
        self.altura_do_aviao = 159 - (random.randint(0, 135) + 11)
        self.posicao_do_aviao = self.velocidade_aviao
        self.ativo = True
        self.jogo = jogo

    def desenha(self):
        y = self.altura_do_aviao
        x = self.posicao_do_aviao
        set_color(self.cor)
        pyglet.graphics.draw(6, pyglet.gl.GL_LINE_LOOP,
                             ('v2f', (x, y,
                                      x, y - 8,
                                      x + 3, y - 2,
                                      x + 12, y - 2,
                                      x + 14, y,
                                      x, y)))

    def desativa(self):
        self.ativo = False
        self.jogo.desativa(self)

    def atualiza(self):
        self.posicao_do_aviao += self.velocidade_aviao
        if self.posicao_do_aviao > 265:
            self.desativa()



 O código completo pode ser visto aqui:
Tente entender como a forma de desenhar em etapas, separando o desenho da atualização, permite que exibamos a mensagem com a imagem do jogo no fundo, ao invés da tela preta..

Os próximos passos são:

  1. Limpar as classes
  2. Vários aviões
  3. Múltiplos tiros.
  4. Generalizar os objetos do jogo em uma super classe.
  5. Exibir um placar
  6. Atribuir teclas para atirar e jogar de novo ou sair.


Até o próximo!


sábado, 14 de maio de 2016

Convertendo um jogo escrito em Basic para Python - Parte I

A nostalgia dos computadores da década de 80 é algo que nunca parei de ter. Quando criança, tive a sorte de utilzar vários computadores de 8-bits, como ZX-81, ZX-Spectrum, Apple II e MSX, ou melhor, seus clones nacionais (TK-85, TK-90X, TK2000), uma vez que o Brasil vivia a época da Reserva do Mercado de Informática.
Numa época que não havia Internet, nós passávamos o tempo a digitar programas. Uma série de livros sobre programação de jogos foi editada pela editora Lutécia no Brasil, mas os originais americanos foram liberados pela Usborne. Neste artigo, eu vou traduzir o jogo principal do Computer Battlegames, chamado de Missile, de Apple II Basic para Python com Pyglet. A listagem original está na página 34 do livro em inglês (ver pdf acima).

10 HOME
20 HGR
30 HCOLOR=3
40 DIM Y(3),F(3)
50 N=1 : MS=5
60 PS=INT(RND(1)*6+4)
70 P=INT(RND(1)*135+11)
80 GOSUB 400
90 FOR I=PS TO 265 STEP PS
100 X=I-PS : Y=159-P : C=0 : GOSUB 300
110 X=I : C=3: GOSUB 300
120 F$="" : IF PEEK(-16384)>127 THEN GET F$
130 IF F$="" OR N>3 THEN 160
140 F(N)=1
150 N=N+1
160 FOR J=1 TO 3
170 C=0 : GOSUB 350
180 IF F(J)=0 OR Y(J)>145 THEN 230
190 Y(J)=Y(J)+MS
200 C=3 : GOSUB 350
210 X=J*70-I : Y=P-Y(J)
220 IF X>-1 AND X<15 AND Y>-9 AND Y<5 THEN 270
230 NEXT
240 NEXT
250 VTAB 22 : PRINT "MISSED"
260 END
270 VTAB 22 : PRINT "HIT!!!"
280 END
300 HCOLOR=C
310 HPLOT X,Y TO X,Y-8
320 HPLOT TO X+3,Y-2 : HPLOT TO X+12, Y-2
330 HPLOT TO X+14,Y : HPLOT TO X,Y
340 RETURN
350 HCOLOR=C
360 HPLOT 70*J,158-Y(J) TO 70*J,154-Y(J)
340 RETURN
350 HCOLOR=C
360 HPLOT 70*J, 158-Y(J) TO 70*J,154-Y(J)
370 RETURN
400 FOR J=1 TO 3
410 HPLOT 70*J-5,159 TO 70*J+5,159
420 NEXT
430 RETURN
Vejamos o jogo rodando em um emulador:

Versão comentada:
# Limpa a tela
10 HOME
# Entra no modo de alta resolução 280x192
20 HGR
# Seleciona a cor 3 (purpura/magenta)
30 HCOLOR=3
# Cria dois vetores com 3 elementos cada
40 DIM Y(3),F(3)
# Inicializa N igual a 1 e MS igual a 5
50 N=1 : MS=5
# Gera um número aleatório entre 0 e 6 + 4
60 PS=INT(RND(1)*6+4)
# Gera um número aleatório entre 0 e 135 + 11
70 P=INT(RND(1)*135+11)
# Desvia para subrotina
80 GOSUB 400
# Loop: repete I de PS até 265, incrementando de PS
90 FOR I=PS TO 265 STEP PS
# Calcula os valores de X, Y e C. Desvia para subrotina em 300
100 X=I-PS : Y=159-P : C=0 : GOSUB 300
# Define X e C. Desvia para subrotina 300
110 X=I : C=3: GOSUB 300
# Verifica se uma tecla foi pressionada. Se foi, guarda em F
120 F$="" : IF PEEK(-16384)>127 THEN GET F$
# Se algo foi pressionado ou se N>3 desvia para 160
130 IF F$="" OR N>3 THEN 160
# F[N] = 1
140 F(N)=1
# N+=1
150 N=N+1
# Repete J de 1 até 3
160 FOR J=1 TO 3
# Zera C e desvia para subrotina da linha 350
170 C=0 : GOSUB 350
# Se F[J]==0 ou Y[J]>145 desvia para 230
180 IF F(J)=0 OR Y(J)>145 THEN 230
# Y[J]+=MS
190 Y(J)=Y(J)+MS
# C=3. Desvia para subrotina da linha 350
200 C=3 : GOSUB 350
# Calcula X e Y
210 X=J*70-I : Y=P-Y(J)
# Se X>-1 e X<15 e Y>-9 e Y<5 desvia para 270
220 IF X>-1 AND X<15 AND Y>-9 AND Y<5 THEN 270
# Fim do loop, volta para o for da linha 160
230 NEXT
# Fim do loop, volta para for da linha 90
240 NEXT
# Posiciona o cursor na linha 22 e imprime MISSED
250 VTAB 22 : PRINT "MISSED"
# Termina o programa
260 END
# Posiciona o cursor na linha 22 e imprime HIT!!!
270 VTAB 22 : PRINT "HIT!!!"
# Termina o programa
280 END
# Troca a cor de desenho para C
300 HCOLOR=C
# Traça uma linha de X,Y até X,Y-8
310 HPLOT X,Y TO X,Y-8
# Continua a linha
320 HPLOT TO X+3,Y-2 : HPLOT TO X+12, Y-2
330 HPLOT TO X+14,Y : HPLOT TO X,Y
# Retorno da subrotina
340 RETURN
# Troca a cor de desenho para C
350 HCOLOR=C
# Desenha linha
360 HPLOT 70*J,158-Y(J) TO 70*J,154-Y(J)
# Volta da subrotina
340 RETURN
# Troca a cor para C
350 HCOLOR=C
# Desenha linha
360 HPLOT 70*J, 158-Y(J) TO 70*J,154-Y(J)
# Volta da subrotina
370 RETURN
# Repete J de 1 à 3
400 FOR J=1 TO 3
# Desenha linha
410 HPLOT 70*J-5,159 TO 70*J+5,159
# Fim do loop, volta para linha 400
420 NEXT
# Retorna da subrotina
430 RETURN
Bom, como precisaremos desenhar, vamos instalar a Pyglet:
pip3 install pyglet

A primeira coisa a fazer é criar a janela da Pyglet e separar a janela do jogo em si. No caso, a janela é responsável por receber os eventos do teclado. A configuração do OpenGL também precisam ser feitas aqui. Como a alta resolução do Apple II é muito pequena 280x192 pontos, eu estou usando uma escala 4. Desta forma, as coordenadas permanecerão as mesmas, mas os gráficos serão 4 vezes maiores. Se ficar muito grande em seu monitor, você pode ajustar a escala.
Eu tentei manter os comentários originais para ficar mais fácil de relacionar o código novo com o antigo.
Outra mudança são as coordenadas Y. No Apple II, Y = 0 é a primeira linha e em OpenGL é a última.
Vejamos como ficou o código da janela:
class Missile(pyglet.window.Window):
    # 20 HGR
    def __init__(self):
        self.scale = 4    # Escala os gráficos 4x
        self.frames = 8   # Frames por segundo.
                          # Define quantas vezes vamos atualizar a tela por segundo
        super(Missile, self).__init__(280 * self.scale,
                                      192 * self.scale,
                                      caption="Missiles")
        self.set_mouse_visible(False)
        self.game = Game(self)
        self.schedule = pyglet.clock.schedule_interval(
            func=self.update, interval=1.0 / self.frames)

    def update(self, interval):
        pass

    def on_draw(self):
        window.clear()
        self.game.atualiza()

    def on_resize(self, width, height):
        # Inicializa a view
        glViewport(0, 0, width, height)
        glMatrixMode(gl.GL_PROJECTION)
        glLoadIdentity()
        # Inverte as coordenadas do eixo Y
        glOrtho(0, width, height, 0, -1, 1)
        # Aplica a escala
        glScalef(self.scale, self.scale, 1.0)
        glMatrixMode(gl.GL_MODELVIEW)

    def on_key_press(self, symbol, modifiers):
        # Verifica se uma tecla foi pressionada. Se foi, guarda em F
        # 120 F$="" : IF PEEK(-16384)>127 THEN GET F$
        self.game.pressionado = True

    def crialabel(self, mensagem, x=None, y=None,
                  fonte='Times New Roman', tamanho=36):
        """Prepara uma mensagem de texto para ser exibida"""
        x = x or self.width // 2
        y = y or self.height // 2
        return pyglet.text.Label(
            mensagem, font_name=fonte, font_size=tamanho,
            x=x, y=y, anchor_x='center', anchor_y='center')

Além disso, as cores do Apple II precisam ser definidas:
def rgb_to_f(r, g, b):
    return(r / 255.0, g / 255.0, b / 255.0)

# Cores do modo de alta resolução HGR
# Fonte: https://github.com/AppleWin/AppleWin/issues/254
CORES = [(0.0, 0.0, 0.0),  # Preto 0
         rgb_to_f(20, 245, 60),  # Verde 1
         rgb_to_f(255, 68, 253),  # Magenta 2
         rgb_to_f(255, 255, 255),  # Branco 3
         rgb_to_f(255, 106, 60),  # Laranja 5
         rgb_to_f(20, 207, 253),  # Azul médio 6
         rgb_to_f(255, 255, 255),  # Branco 7
         ]

e finalmente a classe Game com o jogo em si. Observar que os índices em Python começam em 0 e em Basic começam com 1. Primeiro passo da conversão:
class Game():
    def __init__(self, parent):
        self.cor = CORES
        self.window = parent
        # Cria dois vetores com 3 elementos cada
        # 40 DIM Y(3),F(3)
        self.Y = [0] * 3
        self.F = [0] * 3
        # Inicializa N igual a 1 e MS igual a 5
        # 50 N=1 : MS=5
        self.N = 0
        self.MS = 5
        # Gera um número aleatório entre 0 e 6 + 4
        # 60 PS=INT(RND(1)*6+4)
        self.PS = random.randint(0, 6) + 4
        # Gera um número aleatório entre 0 e 135 + 11
        # 70 P=INT(RND(1)*135+11)
        self.P = random.randint(0, 135) + 11
        self.estado = "jogando"
        self.I = self.PS
        self.pressionado = False
        self.label = None

    def atualiza(self):
        if self.estado == "jogando":
            self.jogue()
        else:
            if self.label:
                glMatrixMode(gl.GL_PROJECTION)
                glLoadIdentity()
                glOrtho(0, self.window.width, 0, self.window.height, -1, 1)
                glMatrixMode(gl.GL_MODELVIEW)
                self.label.draw()
            if self.pressionado:
                pyglet.app.event_loop.exit()

    def jogue(self):
        # Desvia para subrotina
        # 80 GOSUB 400
        self.sub_400()
        # Loop: repete I de PS até 265, incrementando de PS
        # 90 FOR I=PS TO 265 STEP PS
        if self.I > 265:
            self.sub_250()
            return
        # Calcula os valores de X, Y e C. Desvia para subrotina em 300
        # 100 X=I-PS : Y=159-P : C=0 : GOSUB 300
        self.X = self.I - self.PS
        self.y = 159 - self.P
        self.C = 0
        self.sub_300()
        # Define X e C. Desvia para subrotina 300
        # 110 X=I : C=3: GOSUB 300
        self.X = self.I
        self.C = 3
        self.sub_300()
        # Se algo foi pressionado ou se N>3 desvia para 160
        # 130 IF F$="" OR N>3 THEN 160
        if self.pressionado and self.N < 3:
            # F[N] = 1
            # 140 F(N)=1
            self.F[self.N] = 1
            # N+=1
            # 150 N=N+1
            self.N += 1
        self.pressionado = False
        # Repete J de 1 até 3
        # 160 FOR J=1 TO 3
        for self.J in range(0, 3):
            # Zera C e desvia para subrotina da linha 350
            # 170 C=0 : GOSUB 350
            self.C = 0
            self.sub_350()
            # Se F[J]==0 ou Y[J]>145 desvia para 230
            # 180 IF F(J)=0 OR Y(J)>145 THEN 230
            if self.F[self.J] == 0 or self.Y[self.J] > 145:
                continue
            # Y[J]+=MS
            # 190 Y(J)=Y(J)+MS
            self.Y[self.J] += self.MS
            # C=3. Desvia para subrotina da linha 350
            # 200 C=3 : GOSUB 350
            self.C = 3
            self.sub_350()
            # Calcula X e Y
            # 210 X=J*70-I : Y=P-Y(J)
            self.X = (self.J + 1) * 70 - self.I
            self.y = self.P - self.Y[self.J]
            # Se X>-1 e X<15 e Y>-9 e Y<5 desvia para 270
            # 220 IF X>-1 AND X<15 AND Y>-9 AND Y<5 THEN 270
            if self.X > -1 and self.X < 15 and self.y > -9 and self.y < 5:
                self.sub_270()           
            # Fim do loop, volta para o for da linha 160
            # 230 NEXT
            # Fim do loop, volta para for da linha 90
            # 240 NEXT
        # 90 FOR I=PS TO 265 STEP PS
        self.I += self.PS

    def sub_250(self):
        # Posiciona o cursor na linha 22 e imprime MISSED
        # 250 VTAB 22 : PRINT "MISSED"
        print("MISSED")
        self.imprima("MISSED")
        # Termina o programa
        # 260 END
        self.muda_estado("fimdejogo")

    def sub_270(self):
        # Posiciona o cursor na linha 22 e imprime HIT!!!
        # 270 VTAB 22 : PRINT "HIT!!!"
        print("HIT")
        self.imprima("HIT!!!")
        # Termina o programa
        self.muda_estado("fimdejogo")

    def sub_300(self):
        # Troca a cor de desenho para C
        # 300 HCOLOR=C
        self.set_color(self.C)
        # Traça uma linha de X,Y até X,Y-8
        # 310 HPLOT X,Y TO X,Y-8
        # Continua a linha
        # 320 HPLOT TO X+3,Y-2 : HPLOT TO X+12, Y-2
        # 330 HPLOT TO X+14,Y : HPLOT TO X,Y
        pyglet.graphics.draw(6, pyglet.gl.GL_LINE_LOOP,
                             ('v2i', (self.X, self.y,
                                      self.X, self.y - 8,
                                      self.X + 3, self.y - 2,
                                      self.X + 12, self.y - 2,
                                      self.X + 14, self.y,
                                      self.X, self.y)))

        # Retorno da subrotina
        # 340 RETURN

    def sub_350(self):
        # Troca a cor para C
        # 350 HCOLOR=C
        self.set_color(self.C)
        # Desenha linha
        # 360 HPLOT 70*J, 158-Y(J) TO 70*J,154-Y(J)
        J = self.J + 1
        pyglet.graphics.draw(2, pyglet.gl.GL_LINES,
                             ('v2i', (70 * J, 158 - self.Y[self.J],
                                      70 * J, 154 - self.Y[self.J])))
        # Volta da subrotina
        # 370 RETURN

    def sub_400(self):
        self.set_color(3)
        # 400 FOR J=1 TO 3
        for J in range(1, 4):
            # Desenha linha
            # 410 HPLOT 70*J-5,159 TO 70*J+5,159
            pyglet.graphics.draw(2, pyglet.gl.GL_LINES,
                                 ('v2i', (70 * J - 5, 159,
                                          70 * J + 5, 159)))
            # Fim do loop, volta para linha 400
            # 420 NEXT
        # Retorna da subrotina
        # 430 RETURN

    def set_color(self, color):
        glColor3f(*self.cor[color])

    def muda_estado(self, estado):
        print("Mudança de Estado: {} --> {}".format(self.estado, estado))
        self.estado = estado

    def imprima(self, mensagem):
        self.label = self.window.crialabel(mensagem)

Como em OpenGL limpamos a tela a cada frame, a rotina que apaga os objetos pode ser apagada. No caso, a chamada a sub_300() com C=0.
O nome dos métodos ainda não foram mudados, vamos renomear:
sub_250 para pedeu
sub_270 para acertou
sub_300 para desenha_aviao
sub_350 para desenha_tiro
sub_400 para desenha_bases
Apagando os comentários com o código em Basic, temos:
import pyglet
from pyglet.gl import *
import random


def rgb_to_f(r, g, b):
    return(r / 255.0, g / 255.0, b / 255.0)

# Cores do modo de alta resolução HGR
# Fonte: https://github.com/AppleWin/AppleWin/issues/254
CORES = [(0.0, 0.0, 0.0),  # Preto 0
         rgb_to_f(20, 245, 60),  # Verde 1
         rgb_to_f(255, 68, 253),  # Magenta 2
         rgb_to_f(255, 255, 255),  # Branco 3
         rgb_to_f(255, 106, 60),  # Laranja 5
         rgb_to_f(20, 207, 253),  # Azul médio 6
         rgb_to_f(255, 255, 255),  # Branco 7
         ]


class Game():
    def __init__(self, parent):
        self.cor = CORES
        self.window = parent
        # Cria dois vetores com 3 elementos cada
        self.Y = [0] * 3
        self.F = [0] * 3
        # Inicializa N igual a 1 e MS igual a 5
        self.N = 0
        self.MS = 5
        # Gera um número aleatório entre 0 e 6 + 4
        self.PS = random.randint(0, 6) + 4
        # Gera um número aleatório entre 0 e 135 + 11
        self.P = random.randint(0, 135) + 11
        self.estado = "jogando"
        self.I = self.PS
        self.pressionado = False
        self.label = None

    def atualiza(self):
        if self.estado == "jogando":
            self.jogue()
        else:
            if self.label:
                glMatrixMode(gl.GL_PROJECTION)
                glLoadIdentity()
                glOrtho(0, self.window.width, 0, self.window.height, -1, 1)
                glMatrixMode(gl.GL_MODELVIEW)
                self.label.draw()
            if self.pressionado:
                pyglet.app.event_loop.exit()

    def jogue(self):
        self.desenha_bases()
        if self.I > 265:
            self.perdeu()
            return
        self.X = self.I - self.PS
        self.y = 159 - self.P
        self.C = 0
        self.desenha_aviao()
        self.X = self.I
        self.C = 3
        self.desenha_aviao()
        if self.pressionado and self.N < 3:
            self.F[self.N] = 1
            self.N += 1
        self.pressionado = False
        for self.J in range(0, 3):
            if self.F[self.J] == 0 or self.Y[self.J] > 145:
                continue
            self.Y[self.J] += self.MS
            self.C = 3
            self.desenha_tiro()
            self.X = (self.J + 1) * 70 - self.I
            self.y = self.P - self.Y[self.J]
            if self.X > -1 and self.X < 15 and self.y > -9 and self.y < 5:
                self.acertou()
        self.I += self.PS

    def perdeu(self):
        self.imprima("MISSED")
        self.muda_estado("fimdejogo")

    def acertou(self):
        self.imprima("HIT!!!")
        self.muda_estado("fimdejogo")

    def desenha_aviao(self):
        self.set_color(self.C)
        pyglet.graphics.draw(6, pyglet.gl.GL_LINE_LOOP,
                             ('v2i', (self.X, self.y,
                                      self.X, self.y - 8,
                                      self.X + 3, self.y - 2,
                                      self.X + 12, self.y - 2,
                                      self.X + 14, self.y,
                                      self.X, self.y)))

    def desenha_tiro(self):
        self.set_color(self.C)
        J = self.J + 1
        pyglet.graphics.draw(2, pyglet.gl.GL_LINES,
                             ('v2i', (70 * J, 158 - self.Y[self.J],
                                      70 * J, 154 - self.Y[self.J])))

    def desenha_bases(self):
        self.set_color(3)
        for J in range(1, 4):
            pyglet.graphics.draw(2, pyglet.gl.GL_LINES,
                                 ('v2i', (70 * J - 5, 159,
                                          70 * J + 5, 159)))

    def set_color(self, color):
        glColor3f(*self.cor[color])

    def muda_estado(self, estado):
        print("Mudança de Estado: {} --> {}".format(self.estado, estado))
        self.estado = estado

    def imprima(self, mensagem):
        self.label = self.window.crialabel(mensagem)


class Missile(pyglet.window.Window):
    def __init__(self):
        self.scale = 4    # Escala os gráficos 4x
        self.frames = 8   # Frames por segundo.
                          # Define quantas vezes vamos atualizar a tela por segundo
        super(Missile, self).__init__(280 * self.scale,
                                      192 * self.scale,
                                      caption="Missiles")
        self.set_mouse_visible(False)
        self.game = Game(self)
        self.schedule = pyglet.clock.schedule_interval(
            func=self.update, interval=1.0 / self.frames)

    def update(self, interval):
        pass

    def on_draw(self):
        window.clear()
        self.game.atualiza()

    def on_resize(self, width, height):
        # Inicializa a view
        glViewport(0, 0, width, height)
        glMatrixMode(gl.GL_PROJECTION)
        glLoadIdentity()
        # Inverte as coordenadas do eixo Y
        glOrtho(0, width, height, 0, -1, 1)
        # Aplica a escala
        glScalef(self.scale, self.scale, 1.0)
        glMatrixMode(gl.GL_MODELVIEW)

    def on_key_press(self, symbol, modifiers):
        self.game.pressionado = True

    def crialabel(self, mensagem, x=None, y=None,
                  fonte='Times New Roman', tamanho=36):
        """Prepara uma mensagem de texto para ser exibida"""
        x = x or self.width // 2
        y = y or self.height // 2
        return pyglet.text.Label(
            mensagem, font_name=fonte, font_size=tamanho,
            x=x, y=y, anchor_x='center', anchor_y='center')


window = Missile()
pyglet.app.run()

Bem melhor, mas ainda guarda várias características do programa em Basic. O nome das variáveis é uma catástrofe. Renomeando as variáveis e melhorando os comentários, o programa completo fica assim:
import pyglet
from pyglet.gl import *
import random


def rgb_to_f(r, g, b):
    return(r / 255.0, g / 255.0, b / 255.0)

# Cores do modo de alta resolução HGR
# Fonte: https://github.com/AppleWin/AppleWin/issues/254
CORES = [(0.0, 0.0, 0.0),  # Preto 0
         rgb_to_f(20, 245, 60),  # Verde 1
         rgb_to_f(255, 68, 253),  # Magenta 2
         rgb_to_f(255, 255, 255),  # Branco 3
         rgb_to_f(255, 106, 60),  # Laranja 5
         rgb_to_f(20, 207, 253),  # Azul médio 6
         rgb_to_f(255, 255, 255),  # Branco 7
         ]


class Game():
    def __init__(self, parent):
        self.cor = CORES
        self.window = parent
        # Cria dois vetores com 3 elementos cada
        self.Y = [0] * 3 # Altura do tiro
        self.F = [0] * 3 # Estado do tiro
        self.tiros_disparados = 0  # tiros já disparados
        self.velocidade_do_tiro = 5
        # Gera um número aleatório entre 0 e 6 + 4
        self.velocidade_aviao = random.randint(0, 6) + 4
        # Gera um número aleatório entre 0 e 135 + 11
        self.altura_do_aviao = random.randint(0, 135) + 11
        self.estado = "jogando"
        self.posicao_do_aviao = self.velocidade_aviao
        self.pressionado = False
        self.label = None

    def atualiza(self):
        if self.estado == "jogando":
            self.jogue()
        else:
            if self.label:
                glMatrixMode(gl.GL_PROJECTION)
                glLoadIdentity()
                glOrtho(0, self.window.width, 0, self.window.height, -1, 1)
                glMatrixMode(gl.GL_MODELVIEW)
                self.label.draw()
            if self.pressionado:
                pyglet.app.event_loop.exit()

    def jogue(self):
        self.desenha_bases()
        if self.posicao_do_aviao > 265:
            self.perdeu()
            return
        self.y = 159 - self.altura_do_aviao
        self.X = self.posicao_do_aviao
        self.C = 3
        self.desenha_aviao()
        if self.pressionado and self.tiros_disparados < 3:
            self.F[self.tiros_disparados] = 1
            self.tiros_disparados += 1
        self.pressionado = False
        self.processa_tiros()
        self.posicao_do_aviao += self.velocidade_aviao

    def processa_tiros(self):
        for self.J in range(0, 3):
            if self.F[self.J] == 0 or self.Y[self.J] > 145:
                continue
            self.Y[self.J] += self.velocidade_do_tiro
            self.C = 3
            self.desenha_tiro()
            self.X = (self.J + 1) * 70 - self.posicao_do_aviao
            self.y = self.altura_do_aviao - self.Y[self.J]
            if self.X > -1 and self.X < 15 and self.y > -9 and self.y < 5:
                self.acertou()

    def perdeu(self):
        self.imprima("MISSED")
        self.muda_estado("fimdejogo")

    def acertou(self):
        self.imprima("HIT!!!")
        self.muda_estado("fimdejogo")

    def desenha_aviao(self):
        self.set_color(self.C)
        pyglet.graphics.draw(6, pyglet.gl.GL_LINE_LOOP,
                             ('v2i', (self.X, self.y,
                                      self.X, self.y - 8,
                                      self.X + 3, self.y - 2,
                                      self.X + 12, self.y - 2,
                                      self.X + 14, self.y,
                                      self.X, self.y)))

    def desenha_tiro(self):
        self.set_color(self.C)
        J = self.J + 1
        pyglet.graphics.draw(2, pyglet.gl.GL_LINES,
                             ('v2i', (70 * J, 158 - self.Y[self.J],
                                      70 * J, 154 - self.Y[self.J])))

    def desenha_bases(self):
        self.set_color(3)
        for J in range(1, 4):
            pyglet.graphics.draw(2, pyglet.gl.GL_LINES,
                                 ('v2i', (70 * J - 5, 159,
                                          70 * J + 5, 159)))

    def set_color(self, color):
        glColor3f(*self.cor[color])

    def muda_estado(self, estado):
        print("Mudança de Estado: {} --> {}".format(self.estado, estado))
        self.estado = estado

    def imprima(self, mensagem):
        self.label = self.window.crialabel(mensagem)


class Missile(pyglet.window.Window):
    def __init__(self):
        self.scale = 4    # Escala os gráficos 4x
        self.frames = 8   # Frames por segundo.
                          # Define quantas vezes vamos atualizar a tela por segundo
        super(Missile, self).__init__(280 * self.scale,
                                      192 * self.scale,
                                      caption="Missiles")
        self.set_mouse_visible(False)
        self.game = Game(self)
        self.schedule = pyglet.clock.schedule_interval(
            func=self.update, interval=1.0 / self.frames)

    def update(self, interval):
        pass

    def on_draw(self):
        window.clear()
        self.game.atualiza()

    def on_resize(self, width, height):
        # Inicializa a view
        glViewport(0, 0, width, height)
        glMatrixMode(gl.GL_PROJECTION)
        glLoadIdentity()
        # Inverte as coordenadas do eixo Y
        glOrtho(0, width, height, 0, -1, 1)
        # Aplica a escala
        glScalef(self.scale, self.scale, 1.0)
        glMatrixMode(gl.GL_MODELVIEW)

    def on_key_press(self, symbol, modifiers):
        self.game.pressionado = True

    def crialabel(self, mensagem, x=None, y=None,
                  fonte='Times New Roman', tamanho=36):
        """Prepara uma mensagem de texto para ser exibida"""
        x = x or self.width // 2
        y = y or self.height // 2
        return pyglet.text.Label(
            mensagem, font_name=fonte, font_size=tamanho,
            x=x, y=y, anchor_x='center', anchor_y='center')


window = Missile()
pyglet.app.run()

Em um próximo artigo, vou continuar a refatorar o código. Tiro e Avião são claramente classes. Animação deixa a desejar. Mas é o divertido da programação, você sempre pode melhorar.

quarta-feira, 30 de setembro de 2015

Ajude a manter a Fundação Nokia aberta

A Fundação Nokia é uma instituição de ensino médio, localizada em Manaus, Amazonas. Atuando há 30 anos na região, a instituição teve vários nomes como CEPI, FEPEMM, FMM e finalmente Fundação Nokia a partir de 2001. Com a venda da Nokia, a Fundação Nokia passou a ser mantida pela Microsoft.

Este ano, pela primeira vez em 30 anos, o processo seletivo da instituição foi suspenso.
Se esta situação continuar, a Fundação Nokia vai desaparecer em 3 anos.

Como ex-alunos desta instituição, pedimos que você entre em contato com nossos representantes, enviando um e-mail explicando suas razões para ajudar a manter a Fundação aberta.

Governo do Amazonas
http://www.amazonas.am.gov.br/fale-conosco/

Vereadores de Manaus:
http://www.cmm.am.gov.br/vereador/

Deputados Estaduais do Amazonas:
http://www.ale.am.gov.br/deputados/

Deputados Federais da bancada do Amazonas:
http://www.camara.gov.br/internet/deputado/Dep_Lista_foto.asp?Legislatura=55&Partido=QQ&SX=QQ&Todos=None&UF=AM&condic=QQ&forma=lista&nome=&ordem=nome&origem=None

Senadores do Amazonas:
http://www25.senado.leg.br/web/senadores/por-uf/-/uf/AM

Vamos tentar também via Twitter, eu já enviei alguns pelo @lskbr (retuites ajudam!), mas você também pode enviar diretamente ao CEO da Microsoft:

Satya Nadella - CEO Microsoft
@satyanadella

Para quem não conhece a Fundação, esta página tem várias novidades: http://www.fundacaonokia.org/noticias

Não podemos ficar calados e esperar que esta escola feche. Ajude a manter a Fundação Nokia aberta, solicitando a Microsoft mais tempo para encontrar uma outra instituição mantenedora e exigindo a presença de nossos políticos.

sábado, 30 de agosto de 2014

Servidor de Chat com websockets e asyncio

Já é hora de escrever sobre um projeto mais completo. Aproveito para mostrar o módulo websockets para Python 3.4 que funciona muito bem com asyncio. Para não ter problemas de interface, eu resolvi escrever o cliente do chat em JavaScript. O cliente de exemplo foi baixado daqui. Como quase sempre, os exemplos são muito simples e nos deixam com água na boca sobre o que poderíamos realmente fazer. Quem já tentou escrever um chat em JavaScript sabe que WebSockets são uma mão na roda.

Este artigo faz parte de uma série que escrevo sobre o asyncio do Python 3.4. Você pode ler os outros artigos clicando aqui: Python e asyncio, Asyncio e corotinas e o Lendo o teclado.

A ideia de usarmos WebSockets visa demonstrar a facilidade do módulo websockets que deve ser instalado no Python 3.4:

pip install websockets

Uma vez instalado o módulo, podemos criar um servidor, como o mostrado na documentação do módulo:

import asyncio
import websockets

@asyncio.coroutine
def hello(websocket, path):
    name = yield from websocket.recv()
    print("< {}".format(name))
    greeting = "Hello {}!".format(name)
    yield from websocket.send(greeting)
    print("> {}".format(greeting))

start_server = websockets.serve(hello, 'localhost', 8765)

asyncio.get_event_loop().run_until_complete(start_server)
asyncio.get_event_loop().run_forever()

Execute o servidor com:
py -3 server.py

Para testar este programa, precisaremos de uma página com nosso cliente de chat. Eu preparei uma página com todo o código html e javascript necessário. Baixe a página cliente.html aqui. Salve o arquivo e abra-o com seu browser preferido: Chrome, Firefox ou o IE (>10).

Como o servidor é muito simples, tudo que podemos fazer é enviar uma mensagem e recebê-la de volta, já que é um servidor do tipo Echo (eco). Veja também que o servidor de WebSockets é inicializado como nossos outros servidores com o módulo asyncio, mas que este não obedece uma interface com métodos definidos para conexão, recebimento de dados etc. O objeto retornado pelo módulo websockets é um objeto com o cliente já conectado. Vejamos primeiramente como criar o servidor:

start_server = websockets.serve(hello, 'localhost', 8765)

A linha acima cria nosso servidor, chamando a função hello sempre que um novo cliente for executado. O nome localhost se refere a nosso computador e 8765 é a porta que utilizaremos para receber as conexões. Vejamos a função hello. Quando uma nova conexão for recebida, a função hello será chamado com dois parâmetros: o primeiro é o cliente já conectado e pronto para ser utilizado; e o segundo é o path ou o caminho usado (veremos isso depois em outro artigo). Na realidade, a corotina hello é responsável pelo tempo de vida e gestão da conexão do cliente. Quando a corotina hello termina, o cliente é desconectado. Veja também que usamos o yield from para enviar e receber dados. O uso do yield from permite que escrevamos nosso código como se sua execução fosse sequencial, como já discutimos nos outros artigos.

Um detalhe importante a notar é que a interface do módulo websockets já entrega os dados no formato de mensagem (como definido pelo protocolo). Diferentemente de um socket TCP/IP comum que trabalha com streams, entregando bytes. Quando o método recv retorna, uma mensagem inteira foi recebida, pouca importa quantos read foram feitos para completar esta tarefa. Esta característica vai facilitar muito a implementação do servidor de chat, uma vez que não precisaremos inventar um delimitador de mensagem, nem separar as mensagens manualmente em nosso código.

Em relação a nosso servidor de chat, o servidor de exemplo é bem limitado. A maior limitação é não permitir a comunicação entre clientes. A ideia do servidor de chat é enviar mensagens a todos os clientes conectados. Desta forma, o servidor deve ser informado sobre e registrar todas as conexões e desconexões do sistema. Vamos manter a lista dos clientes conectados com uma lista. Nossos clientes serão controlados por uma classe Cliente que veremos mais tarde. Observe a implementação parcial da classe Servidor:

class Servidor:
    def __init__(self):
        self.conectados = []
    
    @property
    def nconectados(self):
        return len(self.conectados)
    
    @asyncio.coroutine
    def conecta(self, websocket, path):
        cliente = Cliente(self, websocket, path)
        if cliente not in self.conectados:
            self.conectados.append(cliente)
            print("Novo cliente conectado. Total: {0}".format(self.nconectados))
        yield from cliente.gerencia()

    def desconecta(self, cliente):
        if cliente in self.conectados:
            self.conectados.remove(cliente)
        print("Cliente {1} desconectado. Total: {0}".format(self.nconectados, cliente.nome))

Veja que apenas conecta é uma corotina. Na realidade, todo o trabalho é feito na classe Cliente, que disponibiliza o método gerencia como uma corotina. O importante agora é entender a manutenção da lista de conexões ativas.

Vejamos a classe Cliente (parcial):

class Cliente:    
    def __init__(self, servidor, websocket, path):
        self.cliente = websocket
        self.servidor = servidor
        self.nome = None        
    
    @property
    def conectado(self):
        return self.cliente.open

    @asyncio.coroutine
    def gerencia(self):
        try:
            yield from self.envia("Bem vindo ao servidor de chat escrito em Python 3.4 com asyncio e WebSockets. Identifique-se com /nome SeuNome")
            while True:
                mensagem = yield from self.recebe()
                if mensagem:
                    print("{0} < {1}".format(self.nome, mensagem))
                    yield from self.processa_comandos(mensagem)                                            
                else:
                    break
        except Exception:
            print("Erro")
            raise        
        finally:
            self.servidor.desconecta(self)

Como cada cliente tem seu próprio websocket e precisa se comunicar com o servidor, guardaremos estas referências como atributos. Já preparamos também a gestão de nomes, embora tenhamos inicializado o nome do Cliente com None. O método gerencia, que é uma corotina, envia uma mensagem de boas vindas ao cliente e como no exemplo anterior, utiliza yield from para realizar o envio no loop de eventos. Uma vez que a mensagem inicial é enviada, entramos em um loop infinito que espera uma mensagem do cliente. Quando a conexão é fechada ou acontece um erro, o valor de mensagem é igual a None, por isso, testamos o valor de mensagem para sair do loop infinito criado pelo while True. Da mesma forma que no primeiro servidor de exemplo, nosso cliente é desconectado quando a corotina gerencia termina. Aproveitamos o fim da corotina para informar ao servidor que este cliente está se desconectado.

Ao recebermos uma mensagem, iniciamos o processamento da mesma, utilizando o método corotina processa_comandos da classe Cliente:
    @asyncio.coroutine
    def processa_comandos(self, mensagem):        
        if mensagem.strip().startswith("/"):
            comandos=shlex.split(mensagem.strip()[1:])
            if len(comandos)==0:
                yield from self.envia("Comando inválido")
                return
            print(comandos)
            comando = comandos[0].lower()            
            if comando == "horas":
                yield from self.envia("Hora atual: " + time.strftime("%H:%M:%S"))
            elif comando == "data":
                yield from self.envia("Data atual: " + time.strftime("%d/%m/%y"))
            elif comando == "clientes":
                yield from self.envia("{0} clientes conectados".format(self.servidor.nconectados))
            elif comando == "nome":
                yield from self.altera_nome(comandos)
            elif comando == "apenas":
                yield from self.apenas_para(comandos)
            else:
                yield from self.envia("Comando desconhecido")
        else:
            if self.nome:
                yield from self.servidor.envia_a_todos(self, mensagem)
            else:
                yield from self.envia("Identifique-se para enviar mensagens. Use o comando /nome SeuNome")

Lembrando os bons velhos tempos do IRC, o método processa_comandos reconhece comandos iniciados pela barra /. Desta forma, caso um cliente envie para o servidor /horas, este retornará a hora atual do servidor. Implementamos também os comandos:


  • /data que envia a data atual;
  • /clientes que envia quantos clientes estão conectados ao servidor, 
  • /nome e /apenas que veremos mais adiante. 


Utilizamos o módulo shlex para simplificar o processamento dos comandos, uma vez que a função shlex.split permite processar uma linha de texto como uma linha de comandos do bash, reconhecendo valores entre aspas e retirando os espaços em branco entre os parâmetros. Caso o usuário envie uma mensagem que não se inicia por uma barra, esta mensagem será enviada a todos os outros usuários conectados.

Para melhorar nosso chat, utilizamos o comando /nome para configurar nosso nome. O servidor cuida para que apenas um usuário utilize cada nome, retornando uma mensagem de erro, caso o nome desejado já esteja em uso. Este comando é processado pelo método altera_nome da classe Cliente:

    @asyncio.coroutine
    def altera_nome(self, comandos):                
        if len(comandos)>1 and self.servidor.verifica_nome(comandos[1]):
            self.nome = comandos[1]
            yield from self.envia("Nome alterado com sucesso para {0}".format(self.nome))
        else:
            yield from self.envia("Nome em uso ou inválido. Escolha um outro.")

O método altera_nome simplesmente verifica se passamos um parâmetro depois do comando /nome, pois comandos é uma lista onde cada elemento é um parâmetro (mas o primeiro é o nome do comando em si). Usando o método verifica_nome do servidor, checamos se o nome é único e enviamos uma mensagem de confirmação ou de erro dependendo do resultado. O método verifica_nome da classe Servidor é apresentado abaixo:

    def verifica_nome(self, nome):
        for cliente in self.conectados:
            if cliente.nome and cliente.nome == nome:
                return False
        return True

A verificação percorre toda a lista com os clientes conectados e verifica se um nome igual já foi registrado. Caso não encontre o nome na lista dos clientes já conectados, retorna True, permitindo o registro do nome pelo cliente que o solicitou.

Um outro comando interessante é o  /apenas que permite enviarmos uma mensagem apenas para determinado cliente. Vejamos a implementação do método apenas_para no cliente:

    @asyncio.coroutine
    def apenas_para(self, comandos):
        if len(comandos)<3:
            yield from self.envia("Comando incorreto. /apenas Destinatário mensagem")
            return
        destinatario = comandos[1]
        mensagem = " ".join(comandos[2:])
        enviado = yield from self.servidor.envia_a_destinatario(self, mensagem, destinatario)
        if not enviado:
            yield from self.envia("Destinatário {0} não encontrado. Mensagem não enviada.".format(destinatario))

E do método que realiza o envio na classe Servidor:

    @asyncio.coroutine
    def envia_a_destinatario(self, origem, mensagem, destinatario):        
        for cliente in self.conectados:            
            if cliente.nome == destinatario and origem != cliente and cliente.conectado:
                print("Enviando de <{0}> para <{1}>: {2}".format(origem.nome, cliente.nome, mensagem))
                yield from cliente.envia("PRIVADO de {0} >> {1}".format(origem.nome, mensagem))
                return True
        return False

Um outro método importante é o que envia uma mensagem a todos os clientes conectados:

    @asyncio.coroutine
    def envia_a_todos(self, origem, mensagem):
        print("Enviando a todos")
        for cliente in self.conectados:            
            if origem != cliente and cliente.conectado:
                print("Enviando de <{0}> para <{1}>: {2}".format(origem.nome, cliente.nome, mensagem))
                yield from cliente.envia("{0} >> {1}".format(origem.nome, mensagem))

Veja que enviamos a mensagem a todos da lista, mas que tomamos o cuidado para não enviar a mensagem ao mesmo cliente que a enviou, pois esta seria impressa uma segunda vez e nosso cliente Javascript já fez este trabalho por nós. A listagem completa abaixo:

import asyncio
import websockets
import time
import shlex

class Servidor:
    def __init__(self):
        self.conectados = []
    
    @property
    def nconectados(self):
        return len(self.conectados)
    
    @asyncio.coroutine
    def conecta(self, websocket, path):
        cliente = Cliente(self, websocket, path)
        if cliente not in self.conectados:
            self.conectados.append(cliente)
            print("Novo cliente conectado. Total: {0}".format(self.nconectados))            
        yield from cliente.gerencia()

    def desconecta(self, cliente):
        if cliente in self.conectados:
            self.conectados.remove(cliente)
        print("Cliente {1} desconectado. Total: {0}".format(self.nconectados, cliente.nome))            

    @asyncio.coroutine
    def envia_a_todos(self, origem, mensagem):
        print("Enviando a todos")
        for cliente in self.conectados:            
            if origem != cliente and cliente.conectado:
                print("Enviando de <{0}> para <{1}>: {2}".format(origem.nome, cliente.nome, mensagem))
                yield from cliente.envia("{0} >> {1}".format(origem.nome, mensagem))

    @asyncio.coroutine
    def envia_a_destinatario(self, origem, mensagem, destinatario):        
        for cliente in self.conectados:            
            if cliente.nome == destinatario and origem != cliente and cliente.conectado:
                print("Enviando de <{0}> para <{1}>: {2}".format(origem.nome, cliente.nome, mensagem))
                yield from cliente.envia("PRIVADO de {0} >> {1}".format(origem.nome, mensagem))
                return True
        return False

    def verifica_nome(self, nome):
        for cliente in self.conectados:
            if cliente.nome and cliente.nome == nome:
                return False
        return True


class Cliente:    
    def __init__(self, servidor, websocket, path):
        self.cliente = websocket
        self.servidor = servidor
        self.nome = None        
    
    @property
    def conectado(self):
        return self.cliente.open

    @asyncio.coroutine
    def gerencia(self):
        try:
            yield from self.envia("Bem vindo ao servidor de chat escrito em Python 3.4 com asyncio e WebSockets. Identifique-se com /nome SeuNome")
            while True:
                mensagem = yield from self.recebe()
                if mensagem:
                    print("{0} < {1}".format(self.nome, mensagem))
                    yield from self.processa_comandos(mensagem)                                            
                else:
                    break
        except Exception:
            print("Erro")
            raise        
        finally:
            self.servidor.desconecta(self)

    @asyncio.coroutine
    def envia(self, mensagem):
        yield from self.cliente.send(mensagem)

    @asyncio.coroutine
    def recebe(self):
        mensagem = yield from self.cliente.recv()
        return mensagem

    @asyncio.coroutine
    def processa_comandos(self, mensagem):        
        if mensagem.strip().startswith("/"):
            comandos=shlex.split(mensagem.strip()[1:])
            if len(comandos)==0:
                yield from self.envia("Comando inválido")
                return
            print(comandos)
            comando = comandos[0].lower()            
            if comando == "horas":
                yield from self.envia("Hora atual: " + time.strftime("%H:%M:%S"))
            elif comando == "data":
                yield from self.envia("Data atual: " + time.strftime("%d/%m/%y"))
            elif comando == "clientes":
                yield from self.envia("{0} clientes conectados".format(self.servidor.nconectados))
            elif comando == "nome":
                yield from self.altera_nome(comandos)
            elif comando == "apenas":
                yield from self.apenas_para(comandos)
            else:
                yield from self.envia("Comando desconhecido")
        else:
            if self.nome:
                yield from self.servidor.envia_a_todos(self, mensagem)
            else:
                yield from self.envia("Identifique-se para enviar mensagens. Use o comando /nome SeuNome")

    @asyncio.coroutine
    def altera_nome(self, comandos):                
        if len(comandos)>1 and self.servidor.verifica_nome(comandos[1]):
            self.nome = comandos[1]
            yield from self.envia("Nome alterado com sucesso para {0}".format(self.nome))
        else:
            yield from self.envia("Nome em uso ou inválido. Escolha um outro.")

    @asyncio.coroutine
    def apenas_para(self, comandos):
        if len(comandos)<3:
            yield from self.envia("Comando incorreto. /apenas Destinatário mensagem")
            return
        destinatario = comandos[1]
        mensagem = " ".join(comandos[2:])
        enviado = yield from self.servidor.envia_a_destinatario(self, mensagem, destinatario)
        if not enviado:
            yield from self.envia("Destinatário {0} não encontrado. Mensagem não enviada.".format(destinatario))



servidor=Servidor()
loop=asyncio.get_event_loop()

start_server = websockets.serve(servidor.conecta, 'localhost', 8765)

try:
    loop.run_until_complete(start_server)
    loop.run_forever()
finally:
    start_server.close()

Você pode baixar o arquivo completo clicando aqui.

Para testar, abra o arquivo cliente.html que você já deve ter salvo em seu computador. Se você já ativou o servidor com

py -3 servidor2.py

nosso cliente já deve estar conectado. Caso contrário, recarregue a página no navegador para forçar a reconexão. Quando conectado, o cliente exibe uma barra azul no topo da página. Para simular vários clientes, abra várias vezes o arquivo cliente.html. Vejamos uma sessão simples com 3 clientes:

No primeiro cliente:
/nome Cliente1
/horas

No segundo cliente:
/nome Cliente2
/data

No terceiro cliente:
/nome Cliente3
/apenas Cliente1 Olá 1
/apenas Cliente2 Olá 2
Olá todos!

Não esqueça de copiar linha por linha nas respectivas janelas. Digite ENTER para enviar a mensagem, uma de cada vez. Divirta-se!


sábado, 23 de agosto de 2014

Asyncio - Lendo o teclado

Continuando a série sobre o módulo asyncio do Python 3.4, vamos ver como criar um jogo simples, em modo texto. O objetivo do jogo é simplesmente mostrar um labirinto e deixar o jogador se mover utilizando o teclado numérico (4 - esquerda, 6 - direita, 8 - cima, 2 - baixo e S para sair). Para exercitar nossos músculos da época do DOS com programação assíncrona, vamos exibir o relógio na última linha. O resultado final deve se parecer com a imagem abaixo:


Você precisa instalar o colorconsole e o Python 3.4.1 para executar este programa.

from random import shuffle, randrange
from colorconsole import terminal
from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor
import datetime
import asyncio

# Colorconsole: https://github.com/lskbr/colorconsole
# Make_make: http://rosettacode.org/wiki/Maze_generation#Python
def make_maze(w = 16, h = 8):
    vis = [[0] * w + [1] for _ in range(h)] + [[1] * (w + 1)]
    ver = [["|  "] * w + ['|'] for _ in range(h)] + [[]]
    hor = [["+--"] * w + ['+'] for _ in range(h + 1)]
 
    def walk(x, y):
        vis[y][x] = 1
 
        d = [(x - 1, y), (x, y + 1), (x + 1, y), (x, y - 1)]
        shuffle(d)
        for (xx, yy) in d:
            if vis[yy][xx]: continue
            if xx == x: hor[max(y, yy)][x] = "+  "
            if yy == y: ver[y][max(x, xx)] = "   "
            walk(xx, yy)
 
    walk(randrange(w), randrange(h))
    maze = []
    for (a, b) in zip(hor, ver):
        maze.append("".join(a))
        maze.append("".join(b))
    return maze
 
class Jogo:
    LARGURA = 24
    ALTURA = 11
    def __init__(self):        
        self.tela = terminal.get_terminal(conEmu=False)
        self.tela.enable_unbuffered_input_mode()
        self.labirinto_cores = (terminal.colors["RED"],terminal.colors["BLACK"])
        self.jogador_carac = (terminal.colors["WHITE"],terminal.colors["BLUE"],'*')
        self.labirinto = make_maze(Jogo.LARGURA,Jogo.ALTURA)
        self.loop = asyncio.get_event_loop()
        self.tpool = ThreadPoolExecutor(max_workers=2)
        while True:
            self.x = randrange(Jogo.LARGURA*3)
            self.y = randrange(Jogo.ALTURA*2)
            if self.pode_mover(self.x, self.y):
                break
        self.jogando = True

    def fim_do_jogo(self):
        self.jogando = False
        self.loop.stop()

    @asyncio.coroutine
    def le_teclado(self):
        while self.jogando:            
            key = yield from self.loop.run_in_executor(self.tpool, self.tela.getch)            
            if(key!=None):
                nx, ny = self.x, self.y
                if key == b'4':
                    if nx > 1:
                        nx-=1
                elif key == b'6':
                    if nx < Jogo.LARGURA*3-1:
                        nx+=1
                elif key == b'8':
                    if ny > 0:
                        ny -=1
                elif key == b'2':
                    if ny < Jogo.ALTURA*2:                        
                        ny +=1
                elif key == b"S":
                    self.fim_do_jogo()
                    break
            if self.pode_mover(nx,ny) and (nx, ny) != (self.x,self.y):
                self.x, self.y = nx, ny
                self.desenha()           

    def pode_mover(self, x,y):
        return self.labirinto[y][x]==' '

    def desenha(self):
        self.tela.set_color(*self.labirinto_cores)
        #self.tela.clear()
        self.tela.gotoXY(0,0)
        self.tela.set_title("Labirinto") 
        for linha in self.labirinto:
            print(linha)
        self.tela.gotoXY(self.x, self.y)
        self.tela.cprint(*self.jogador_carac)

    @asyncio.coroutine
    def relogio(self):
        while self.jogando:
            self.tela.print_at(10,23,datetime.datetime.now().strftime("%d/%m/%y %H:%M:%S"))
            yield from asyncio.sleep(1)

    def execute(self):
        self.tela.clear()
        self.desenha()
        try:
            asyncio.async(self.le_teclado())
            asyncio.async(self.relogio())
            self.loop.run_forever()
        except KeyboardInterrupt:
            print("exit")
        finally:
            self.tpool.shutdown()
            self.loop.close()
            self.tela.restore_buffered_mode()

jogo = Jogo()
jogo.execute()

Para adicionar um pouco de variação ao jogo, eu baixei uma função que gera labirintos deste site. O programa foi modificado para retornar uma lista de strings, que é utilizada para detectar as paredes do labirinto.

O loop de eventos é parecido com o dos artigos anteriores, mas desta vez um ThreadPool está sendo criado. Um thread extra é necessário, pois vamos bloquear a rotina até que uma tecla seja pressionada. Esta construção funciona com várias rotinas bloqueantes que não podem ser utilizadas com asyncio, pois interromperiam a execução de todas as outras corotinas.

    @asyncio.coroutine
    def le_teclado(self):
        while self.jogando:            
            key = yield from self.loop.run_in_executor(self.tpool, self.tela.getch)            
            if(key!=None):
                nx, ny = self.x, self.y
                if key == b'4':
                    if nx > 1:
                        nx-=1
                elif key == b'6':
                    if nx < Jogo.LARGURA*3-1:
                        nx+=1
                elif key == b'8':
                    if ny > 0:
                        ny -=1
                elif key == b'2':
                    if ny < Jogo.ALTURA*2:                        
                        ny +=1
                elif key == b"S":
                    self.fim_do_jogo()
                    break
            if self.pode_mover(nx,ny) and (nx, ny) != (self.x,self.y):
                self.x, self.y = nx, ny
                self.desenha()

Criamos le_teclado como uma corotina, mas como o módulo colorconsole não foi criado para trabalhar com corotinas, precisamos chamar self.tela.getch usando um Executor, no caso, nosso ThreadPool. Desta forma, nossa chamada bloqueante será executada em um thread do ThreadPool e nosso loop de eventos vai continuar a executar normalmente. Quando pressionarmos uma tecla, a função self.tela.getch vai retornar e a partir daí, trabalharemos com o resultado no yield from. O resto do método verifica se a tecla é de movimento ou de saída do jogo. No final, verificamos se o jogador se mexeu ou se a nova posição seria a de uma parede. Caso a posição seja alterada, redesenhamos a tela, para que a nova posição do jogador seja visível.

    @asyncio.coroutine
    def relogio(self):
        while self.jogando:
            self.tela.print_at(10,23,datetime.datetime.now().strftime("%d/%m/%y %H:%M:%S"))
            yield from asyncio.sleep(1)

A corotina relogio exibe a data e hora atuais a cada 1 segundo na tela. Esta execução ocorre mesmo se nada pressionarmos no teclado, confirmado a correta execução de nosso loop de eventos. Este programa pode ser executado para conter inimigos e movê-los em outra corotina, similar a do relógio.

Testado no Windows 8.1 com Python 3.4.1, colorconsole 0.7.1.

domingo, 10 de agosto de 2014

Asyncio e corotinas

Continuando a série sobre o módulo asyncio do Python 3.4, vou apresentar as corotinas e como elas simplificam a escrita de nossos programas com o loop de eventos. Com a saída do Python 3.4, eu atualizei o livro de Introdução à Programação com Python. Alguns assuntos fogem ao escopo do livro que é destinado a iniciantes. Eu estou continuando uma série de posts curtos sobre alguns tópicos que acho interessantes e quem sabe até podem virar base para um novo livro. Clique aqui para ler o primeiro artigo.

No artigo anterior, apresentamos uma chamada ao loop de eventos bem simples:
import asyncio

def print_and_repeat(loop):
    print('Hello World')
    loop.call_later(2, print_and_repeat, loop)

loop = asyncio.get_event_loop()
loop.call_soon(print_and_repeat, loop)
loop.run_forever()

Vejamos como reescrever este exemplo simples usando corotinas:
import asyncio

@asyncio.coroutine
def print_and_repeat(loop):
    while True:
        print('Hello World')
        yield from asyncio.sleep(2)

loop = asyncio.get_event_loop()
try:
 loop.run_until_complete(print_and_repeat(loop))
finally:
 loop.close()

Este exemplo foi extraído da documentação do Python, vamos ver o que mudou. A principal mudança no início do programa é o uso do decorador @asyncio.coroutine. Este decorador transforma nossa função em uma corotina e permite a utilização do yield from, como definido na PEP380. Veja que o cabeçalho da função não foi alterado, mas que substituímos a chamada de loop.call_later pela combinação de um while True com um yield from no final. Uma corotina pode ser suspensa e esperar o processamento de uma outra corotina. No caso, asyncio.sleep(2) é uma corotina do módulo asyncio que suspende a execução da função pelo número de segundos passados como parâmetro. Na realidade, esta chamada retorna uma corotina que é marcada como completa após os 2 segundos. Isto pode ser realizado pois no yield from, criamos a nova corotina e indicamos ao loop que não continue a executar print_and_repeat até que a nova corotina esteja concluída. A partir deste ponto, a execução volta ao loop de eventos que monitora a conclusão da nova corotina criada, suspendendo a execução da anterior. Uma vez que o a corotina do sleep é concluída, após 2 segundos, o loop reativa a chamada suspensa de print_and_repeat e a execução continua, voltando para o while. Parece complicado, mas veja como ficou fácil de escrevermos a função. Fica bem mais claro nossa intenção de realizar uma repetição do print('Hello World') a cada 2 segundos.

Modificamos também a chamada de execução da corotina, pois agora utilizamos loop.run_until_complete para iniciar nossa corotina principal. Aproveitamos para colocar tudo entre um try...finally para terminar a execução do loop corretamente (mesmo em caso de exceção). Perceba que no exemplo anterior, com call_soon, passamos a função e seus parâmetros, mas não executamos a função em si. No caso de run_until_complete, estamos passando o retorno da chamada de print_and_repeat que é uma corotina, uma vez que a marcamos com o decorador @asyncio.coroutine.

No post anterior comparamos a velocidade de execução entre as várias formas de se executar código em paralelo com Python. Agora veremos como usar o asyncio para criar uma aplicação prática, como um cliente e um servidor TCP/IP, mas indo além dos exemplos da documentação do Python. É preciso lembrar que o módulo asyncio ainda é muito novo e que tanto a documentação quanto a implementação de algumas funcionalidades ainda estão sendo alteradas.

Vamos começar pelo servidor. Um servidor TCP/IP é um exemplo clássico de programa chato a escrever. Normalmente, você pode escolher utilizar threads ou se aventurar com select e chamadas não bloqueantes para gerenciar várias conexões. Este problema se agrava em aplicações mais complexas, onde algum processamento precisa ser realizado antes de se gerar a resposta, por exemplo, a um comando do usuário. Usando o módulo asyncio, esta tarefa fica bem mais fácil. Primeiro, porque o tratamento de dados é gerenciado por uma classe, responsável pelo protocolo. Esta classe traz métodos que são chamados em situações comuns ao programarmos um servidor TCP/IP, como chegada de uma nova conexão, desconexão, chegada de dados para leitura entre outras. Além disso, o asyncio também traz classes especializadas em quebrar os dados em linhas, o que facilita a implementação de protocolos com comandos em formato texto, terminados por enter (CR).

O servidor é controlado por uma classe chamada EchoServer, pois o desenvolvi a partir do servidor de Echo dado como exemplo na documentação, mas com alguns detalhes que observei no código do módulo asyncio. O protocolo implementado é bem simples, a cada linha, a data e hora atuais são enviadas. Se o cliente enviar sair a conexão é terminada. Vamos ver o programa completo e discutir parte por parte.

import asyncio
import time
from common import *

class EchoServer(asyncio.streams.FlowControlMixin):    
    ativas = 0
    def connection_made(self, transporte):        
        peername = transporte.get_extra_info('peername')
        print('Conexão de {}'.format(peername))
        EchoServer.ativas+=1
        print("Conexões ativas: {}".format(EchoServer.ativas))
        self.transporte = transporte
        self.leitor = asyncio.StreamReader()
        self.leitor.set_transport(self.transporte)
        self.escritor = asyncio.StreamWriter(transport=self.transporte, protocol=self, reader=self.leitor, loop=asyncio.get_event_loop())        
        asyncio.async(self.gerencia())
    
    @asyncio.coroutine
    def gerencia(self):        
        while True:
            dados = yield from self.leitor.readline()                        
            self.escritor.write(strToByte(time.strftime("%c")+"\r\n"))            
            yield from self.escritor.drain()
            comando = byteToStr(dados).strip().lower()
            if(comando == "sair"):
                self.transporte.close()
                return

    def connection_lost(self, exp):                
        EchoServer.ativas-=1
        print("Conexões ativas: {}".format(EchoServer.ativas))
        super().connection_lost(exp)

    def data_received(self, dados):                
        print('data received: {0}'.format(byteToHex(dados)))
        print('     received: {0}'.format(strPrintable(dados)))
        print('       string: {0}'.format(byteToStr(dados)))
        self.leitor.feed_data(dados)
        

loop = asyncio.get_event_loop()
coro = loop.create_server(EchoServer, '127.0.0.1', 8888)
servidor = loop.run_until_complete(coro)
print('Escutando {}'.format(servidor.sockets[0].getsockname()))

try:
    loop.run_forever()
except KeyboardInterrupt:
    print("exit")
finally:
    servidor.close()    
    loop.close()

A classe EchoServer herda de uma classe fornecida em asyncio.streams, chamada FlowControlMixin. A classe FlowControlMixin é por sua vez derivada de Protocols, também fornecida pelo módulo asyncio. A ideia desta classe é implementar um protocol factory, ou seja, um construtor de instâncias responsáveis pela implementação da gestão de cada nova conexão. Um protocolo normal, precisa herdar apenas de Protocols, mas para utilizar alguns métodos para leitura buferizada de linhas, especialmente o write.drain que veremos logo após, a implementação contida em FlowControlMixin é interessante.

Aproveitamos a nova classe para contar o número de conexões ativas. Cada nova conexão recebida por nosso servidor TCP/IP chama o construtor de nossa classe e o método connection_made, passando o transporte (entenda como o socket já conectado) como parâmetro.

Utilizando o parâmetro transporte, chamamos o método get_extra_info('peername') para obter o endereço do cliente que acabou de se conectar ao servidor. Logo em seguida, incrementamos o número de conexões. Veja que como o código que roda no loop de eventos não é multi-threaded, não precisamos de locks ou de outros mecanismos de controle, já que apenas uma função roda a cada vez. O resto do método connection_made prepara as instâncias do leitor e do escritor, objetos das classes StreamReader e StreamWriter respectivamente. Estes objetos vão fornecer corotinas úteis para ler e escrever os dados de forma não bloqueante. Veja que passamos transporte tanto para o escritor quanto para o leitor e que uma série de parâmetros são necessários para a inicialização do escritor.

No fim de connection_made, usamos a função asyncio.async para iniciar o processamento da corotina self.gerencia, dentro do loop de eventos. Veja que o método gerencia foi marcado com o decorador @asyncio.coroutine.

O método gerencia contém uma estrutura de repetição while que espera uma linha do cliente. Veja que utilizamos yield from para suspender a execução de gerencia enquanto self.leitor.readline() não terminar. Neste ponto, a execução volta para o loop de eventos e retorna apenas quando self.leitor.readline() contém uma linha enviada pelo cliente ou caso uma exceção tenha ocorrido. O uso do yield from é fundamental, pois caso o readline() esperasse o cliente enviar a linha para continuar a execução, todo o loop de eventos seria bloqueado. Como o uso do yield from, a execução volta para o loop que é livre para executar outros métodos e outras corotinas. O objetivo é não fazer o computador esperar por dados ou resultados que demoram muito tempo (ou um tempo desconhecido, possivelmente longo, para retornar). Outra característica de yield from é que o resultado do self.leitor.readline() é retornado e no caso, armazenado na variável dados.

A execução segue normalmente e nosso servidor envia a hora e a data atual, veja que uma linha foi acrescentada ao final da string. Este fim de linha é importante, pois como nosso protocolo é em formato texto e orientado a linhas, esperamos o enter (CR) para processar o comando ou a resposta.
Depois de escrever a resposta, usamos self.escritor.drain() que é uma outra corotina. Esta nova corotina não completa até o que o buffer de escrita seja enviado. Desta forma, podemos garantir que os dados foram enviados (ainda que não possamos ter certeza se estes foram recebidos pelo cliente) antes de continuarmos. Como usamos yield from com esta corotina, a execução é suspensa até que o drain seja completado.

Como usamos Python 3.4, os dados são do tipo byte e não string. A função byteToStr converte de bytes para string, usando a codificação UTF-8. Esta função será apresentada no programa common.py, compartilhando rotinas úteis tanto para nosso cliente quanto para nosso servidor. Para facilitar o processamento de comandos, retiramos os espaços em branco do início e fim do comando, inclusive enter (CR) e LF, e convertemos o resultado para minúsculas com lower. Se o comando for igual a "sair", chamamos o método close de self.transporte para encerarmos a conexão. Veja que ao fecharmos a conexão, finalmente retornamos como em uma função normal, utilizando return e terminando assim a execução de nossa corotina gerencia.

O método connection_lost é chamado quando a desconexão do cliente é detectada. O número de conexões ativas é decrementado e o método connection_lost da superclasse é chamado. O parâmetro exp contém None caso seja uma desconexão normal ou a exceção em caso de erro. Neste exemplo não estamos tratando os possíveis erros para nos concentrarmos no asyncio.

Já o método data_received é chamado sempre que dados forem recebidos pelo transporte. Os dados recebidos são passados como parâmetro (dados). Aqui, incluí algumas funções de debug que exibem os dados em formato hexadecimal, string e UTF-8. Estas funções são necessárias para verificarmos se os dados estão chegando no formato esperado. Você pode executar um teste com um programa de telnet clássico, como o Putty no Windows, mas não esqueça de desativar a opção de negociação do protocolo, para evitar que comandos que não interpretamos sejam enviados, ou simplesmente, teste com o cliente que é apresentado logo abaixo.

Um detalhe muito importante de data_received é a chamada do método self.leitor.feed_data, que envia os dados para o leitor, responsável por quebrar os dados em linhas.

Em nosso programa principal, obtemos o loop de eventos com get_event_loop() e criamos uma corotina que inicializa nosso servidor com loop.create_server. Em create_server, informamos o endereço que nosso servidor irá escutar (ip e porta). Veja que a classe EchoServer foi passada como protocol factory.

Ao chamarmos loop.run_until_complete(coro), o loop de eventos roda até que a corotina criada pelo create_server termine, retornando um objeto servidor, utilizado para parar o servidor e para ter acesso a todas as conexões, mas isso fica para outro post.

Chamamos loop.run_forever() para ativar nosso servidor. Para desativá-lo, digite CTRL+C.

Neste ponto, o endereço 127.0.0.1, porta 8888 estará recebendo conexões. Quando uma conexão for recebida, uma nova instância de EchoServer será criada. Ao se estabelecer a conexão o método connection_made será chamado e ativará uma corotina gerencia para gerenciar a recepção e o envio de linhas de comandos. O método data_received é chamado sempre que novos dados forem recebidos (seja uma linha completa ou não). O método connection_lost é chamado quando o cliente se desconectar.

Vejamos o código fonte de common.py:

import string

def byteToHex(data, sep=" "):
    return sep.join("{0:02X}".format(x) for x in data)

def strPrintable(data, sep=" "):
    return sep.join("{0:2s}".format(chr(s) if chr(s) in string.printable and s>30 else ".") for s in data)

def strToByte(s, encoding ="utf-8"):
    return s.encode(encoding)

def byteToStr(data, encoding ="utf-8"):
    return data.decode(encoding, errors="replace")

E o código fonte de nosso cliente.py:

import asyncio
import time
from common import *

class EchoClient(asyncio.streams.FlowControlMixin):        
    def connection_made(self, transporte):        
        peername = transporte.get_extra_info('peername')
        print('Conectado à {}'.format(peername))                
        self.transporte = transporte
        self.leitor = asyncio.StreamReader()
        self.leitor.set_transport(self.transporte)
        self.escritor = asyncio.StreamWriter(transport=self.transporte, protocol=self, reader=self.leitor, loop=asyncio.get_event_loop())        
        asyncio.async(self.gerencia())
        self.feito = asyncio.Future()
    
    @asyncio.coroutine
    def gerencia(self):        
        for x in range(10):                        
            self.escritor.write(strToByte("Alô\r\n"))
            yield from self.escritor.drain()

            dados = yield from self.leitor.readline()            
        self.escritor.write(strToByte("sair\r\n"))
        yield from self.escritor.drain()                                         
        self.transporte.close()
        self.feito.set_result(True)

    def connection_lost(self, exp):        
        print("Conexão perdida")
        super().connection_lost(exp)

    def data_received(self, dados):                
        print('dados recebidos: {0}'.format(byteToHex(dados)))
        print('      recebidos: {0}'.format(strPrintable(dados)))
        print('         string: {0}'.format(byteToStr(dados)))
        self.leitor.feed_data(dados)

        
loop = asyncio.get_event_loop()
coro = loop.create_connection(EchoClient, '127.0.0.1', 8888)
transporte, protocolo = loop.run_until_complete(coro)

try:
    loop.run_until_complete(protocolo.feito)
except KeyboardInterrupt:
    pass
finally:    
    loop.close()

Execute o servidor e depois o cliente, cada em uma janela ou terminal diferente. Veja que o cliente termina sua execução após enviar 10 vezes o comando Alô e sair. Execute várias vezes o cliente e veja que o servidor continua ativo. Experimente aumentar o número de comandos de 10 para 100 no cliente e reexecute. Tente executar a partir de uma terceira janela outro cliente simultaneamente. Observe que conseguimos implementar um cliente e um servidor TCP/IP em um pouco mais de 100 linhas de código em Python. Um servidor capaz de atender vários clientes sem utilizar múltiplos threads. Você pode comentar ou remover os prints que não precisar, eles servem apenas para debugar.

O código do cliente é muito parecido com o código do servidor. A principal mudança é o método gerencia e o atributo self.feito, criado com asyncio.Future(). Vejamos a criação da instância de nosso cliente. A função create_conection é na realidade uma corotina que recebe o protocolo (no caso EchoClient), o ip e a porta do servidor. Ao chamarmos loop.run_until_complete(coro), uma tupla com o transporte e o protocolo é retornada. Este retorno é importante, pois precisamos ter acesso a instância de EchoClient criada para gerenciar nossa conexão, no caso protocolo. Com a instância de EchoClient retornada em protocolo, podemos rodar o loop até que feito seja marcada como finalizada: loop.run_until_complete(protocolo.feito). Esta etapa é importante, pois devemos executar o loop até que o cliente tenha tempo para terminar seu trabalho. Veja que no final de gerencia, marcamos self.feito como concluída: self.feito.set_result(True).

Se você quiser testar o servidor com vários clientes simultaneamente, adicione a seguinte função ao código de cliente.py e modifique o programa principal para:

@asyncio.coroutine
def roda_varias(vezes):
    pendente = []
    for t in range(vezes):
        pendente.append(asyncio.async(loop.create_connection(EchoClient, '127.0.0.1', 8888)))
    for y in pendente:            
        transporte, protocolo = yield from y
        yield from asyncio.wait_for(protocolo.feito, None)

loop = asyncio.get_event_loop()
coro = loop.create_connection(EchoClient, '127.0.0.1', 8888)
client = loop.run_until_complete(coro)

try:
    loop.run_until_complete(roda_varias(100))
except KeyboardInterrupt:
    pass
finally:    
    loop.close()

Você também pode utilizar start_server e open_connection para receber diretamente uma tupla com StreamReader e StreamWriter, mas estes exemplos você pode encontrar na documentação do Python.

No próximo artigo, uma nova classe comum será usada para gerenciar os protocolos e outra forma de instanciação será passada para realizar uma comunicação entre vários clientes.