Golang實現康威生命遊戲

title: Golang 實現康威生命遊戲
date: 2022-05-23 17:15:00
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遊戲

實驗：切片人生#

本次實驗將要構建一個名為 “康威生命遊戲”（Conway's Game of Life）的模擬器，並使用它模擬人類的繁衍過程。因為模擬需要在一個布滿細胞的二維網格上進行，所以這次實驗將聚焦於切片。

網格中的每個細胞在水平、垂直和對角線方向上總共有 8 個相鄰細胞。在每一世代，單個細胞的生死存亡將取決於相鄰細胞的存活數量。

開天辟地#

在初次實現生命遊戲時，我們需要將世界限制在固定的大小之內。具體來說，我們需要決定網格的尺寸並定義相應的常量：

const (  
  width  = 80  
  height = 15  
)

接著還需要定義 Universe 類型用於持有二維細胞網格，並通過布爾類型的值 true 和 false 分別表示細胞的存活和死亡：

type Universe [][]bool

通過使用切片而不是數組來表示世界，可以讓函數和方法更容易地共享和修改世界。

在此之後，我們還要編寫 NewUniverse 函數，它使用 make 分配並返回一個 height 行 width 列的 Universe：

func NewUniverse() Universe

因為新分配切片的各個元素將被設置為默認的零值 false，所以世界在剛開始的時候將不存在任何存活細胞。

觀察世界#

請為 Universe 編寫一個方法，它能夠用 fmt 包中的函數將世界目前的狀態打印至螢幕，其中存活的細胞用星號表示，而死亡的細胞則用空格表示。此外，它還需要在每次打印完一行細胞之後，將光標移至新的輸出行：

func (u Universe) Show()

請編寫一個 main 函數，它會調用 NewUniverse 函數創造出新世界，然後調用 Show 函數把這個世界打印出來。在繼續進行實驗之前，請先確保你的程序能夠正常運行，即使整個世界目前還沒有存活細胞。

激活細胞#

請編寫一個 Seed 方法，它可以隨機激活世界中大約 25% 的細胞（將對應切片元素的值設置為 true）：

func (u Universe) Seed()

在實現這個方法的時候，別忘了導入 math/rand 包以使用 Intn 函數。在此之後，請修改 main 函數並使用 Seed 方法對世界進行激活，然後使用 Show 函數將激活後的世界打印出來。

適者生存#

以下是康威生命遊戲的具體規則：

當一個存活細胞鄰近的存活細胞少於 2 個時，該細胞死亡。
當一個存活細胞鄰近有 2 個或 3 個存活細胞時，該細胞將延續至下一世代。
當一個存活細胞鄰近有多於 3 個存活細胞時，該細胞死亡。
當一個死亡細胞鄰近正好有 3 個存活細胞時，該細胞存活。

為了實現這些規則，我們需要將它們分解成以下 3 個步驟，並將每個步驟實現為相應的方法：

判斷細胞是否存活的方法
統計鄰近存活細胞數量的能力
判斷細胞在下一世代存活或死亡的邏輯

存活還是死亡#

判斷細胞是否存活可以通過檢查 Universe 切片中對應元素的布爾值來實現，只要該值為 true，那麼細胞就是存活的。

請為 Universe 類型編寫一個帶有以下簽名的 Alive 方法：

func (u Universe) Alive(x, y int) bool

實現 Alive 方法最困難的就是處理越界情況。例如，我們如何判斷位於 (-1, -1) 的細胞存活還是死亡呢？或者，我們如何在一個 80x15 的網格上，判斷位於 (80, 15) 的細胞存活還是死亡呢？

為了解決這個問題，我們需要為世界實現回繞。這樣一來，與 (0, 0) 相鄰的上方將不再是 (0, -1)，而是 (0, 14)，這一點可以通過將 height 與 y 相加得出。如果 y 超過了網格的 height，就需要用到之前計算閏年時介紹過的取模運算符（%），然後通過對 y 取模 height 來得出相應的餘數。這一方法也適用於 x 和 width。

統計相鄰細胞#

請編寫一個方法，統計給定細胞鄰近的存活細胞數量，然後返回 0~8：

func (u Universe) Neighbors(x, y int) int

為了使世界實現回繞，請使用 Alive 方法而不是直接訪問世界數據。

另外需要注意的是，在統計相鄰細胞的時候別把給定的細胞也統計進去了。

遊戲邏輯#

在實現了統計鄰近存活細胞數量的方法之後，我們就可以正式在 Next 方法裡面實現本節開頭列出的遊戲規則了：

func (u Universe) Next(x, y int) bool

這個方法不會直接修改世界，而會返回一個布爾值，並以此來表示給定細胞在下一世代存活或死亡。

平行世界#

為了完成模擬操作，程序需要遍歷世界中的每個細胞，並使用 Next 判斷它們在下一世代中的狀態。

這裡有一個需要注意的問題，那就是統計鄰近細胞必須基於世界先前的狀態。如果程序在執行統計的同時直接修改世界，那麼這樣的修改勢必會對鄰近細胞的統計結果產生影響。

解決這個問題的一個簡單辦法就是創建兩個同等大小的世界，然後在讀取世界 A 時候對世界 B 進行設置。請編寫函數 Step 以執行該操作：

func Step(a, b Universe)

當世界 B 被更新到了下一世代之後，程序就可以交換這兩個世界，然後繼續下一次更新：

a, b = b, a

在展示新時代的細胞之前，程序需要使用特殊的 ANSI 轉義序列 "\x0c" 來清空螢幕。在此之後，程序就可以打印出整個世界，並使用 time 包中的 Sleep 函數來減緩世代更迭的速度。

注意：在 Go Playground 以外的地方，你需要使用其他機制才能清空螢幕，例如，在 macOS 上就需要打印 "\033[H" 而不是 "\x0c"。

現在，你應該已經有了編寫並且在 Go Playground 上運行完整的康威生命遊戲所需的全部組件。

實現#

截止到開天辟地的代碼#

package main  

import "fmt"  

const (  
	width  = 25  
	height = 15  
)  

type Universe [][]bool  

func NewUniverse() Universe {  
	u := make(Universe, height)  
	for i := range u {  
		u[i] = make([]bool, width)  
	}  
	return u  
}  

func main() {  
	u := NewUniverse()  
	for _, i := range u {  
		fmt.Println(i)  
	}  
}

運行結果：

[false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false]  
[false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false]  
[false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false]  
[false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false]  
[false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false]  
[false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false]  
[false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false]  
[false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false]  
[false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false]  
[false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false]  
[false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false]  
[false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false]  
[false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false]  
[false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false]  
[false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false false]  

Program exited.

完整代碼#

package main  

import (  
	"fmt"  
	"math/rand"  
	"time"  
)  

const (  
	width  = 80  
	height = 15  
)  

type Universe [][]bool  

func NewUniverse() Universe {  
	u := make(Universe, height)  
	for i := range u {  
		u[i] = make([]bool, width)  
	}  
	return u  
}  

func (u Universe) Set(x, y int, b bool) {  
	u[y][x] = b  
}  

func (u Universe) Seed() {  
	for i := 0; i < (width * height / 4); i++ {  
		u.Set(rand.Intn(width), rand.Intn(height), true)  
	}  
}  

func (u Universe) Alive(x, y int) bool {  
	x = (x + width) % width  
	y = (y + height) % height  
	return u[y][x]  
}  

func (u Universe) Neighbors(x, y int) int {  
	n := 0  
	for v := -1; v <= 1; v++ {  
		for h := -1; h <= 1; h++ {  
			if !(v == 0 && h == 0) && u.Alive(x+h, y+v) {  
				n++  
			}  
		}  
	}  
	return n  
}  

func (u Universe) Next(x, y int) bool {  
	n := u.Neighbors(x, y)  
	return n == 3 || n == 2 && u.Alive(x, y)  
}  

func (u Universe) String() string {  
	var b byte  
	buf := make([]byte, 0, (width+1)*height)  

	for y := 0; y < height; y++ {  
		for x := 0; x < width; x++ {  
			b = ' '  
			if u[y][x] {  
				b = '*'  
			}  
			buf = append(buf, b)  
		}  
		buf = append(buf, '\n')  
	}  

	return string(buf)  
}  

func (u Universe) Show() {  
	fmt.Print("\x0c", u.String())  
}  

func Step(a, b Universe) {  
	for y := 0; y < height; y++ {  
		for x := 0; x < width; x++ {  
			b.Set(x, y, a.Next(x, y))  
		}  
	}  
}  

func main() {  
	a, b := NewUniverse(), NewUniverse()  
	a.Seed()  
	for i := 0; i < 300; i++ {  
		Step(a, b)  
		a.Show()  
		time.Sleep(time.Second / 30)  
		a, b = b, a  
	}  
}

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