[設計案例] 生命遊戲 #6, 抽像化 (Abstraction)

原定 #4 就提到的 "抽像化",竟然被我連拖兩期,拖到 #6 才提到它... 人老了果然比較囉唆... 在前面的幾篇,重點都在如何 "具體" 的描述 "生命遊戲" 裡的細胞。不過現在要把這程式擴大到能容納各種不同的生物,先作好抽像化的工作是必要的...。 一般物件導向所指的 "抽像化",是指你對某些事物的一般概念。比如有人問你: "你會開車嗎?" 你腦袋裡想的應該是一般印像中的車子,有方向盤,排檔打下去,油門踩了就會前進,煞車踩了就會停下來...,這就是你對 "車子" 的抽像化。你不會去管車子是什麼牌的,什麼顏色,是二門跑車,或是休旅車之類的細節... 而你 "會" 開的車,也不會因為這些細節,有太大的不同。 這樣的抽像化概念,套用到考駕照這件事來說,你只要知道方向盤,油門等等的用法,同時也練習過,能正確的控制教練車,通過測驗,監理所就會發張駕照給你,證明你會開一般的車子。就算是在你學會開車後十年才上市發表的新車也是一樣。 看起來沒什麼了不起的描述,在電腦的世界裡可不是這麼一回事。Microsoft Word 1.0 想要順利開啟 Microsoft Word 6.0 的檔案,大概想都不用想,因為 1.0 版設計之初,有太多 6.0 版的變化是無法事先預料的,自然無法設計出能正確操作的程式,這現像在電腦的世界很正常。不過如果你兩年前考到的駕照,碰到兩年後的新車你就不會開了,甚至監理所還要求你重考張新的架照... 那這駕照等於一點用都沒有。中間的差別,就在於駕駛者對於開車的認知,跟實際的車子,中間是隔著一層 "抽像化" 的概念,而只要能掌握這抽像化的定義,就能順利操作未來的車種。 因此物件技術不斷的想要模擬這樣的關係,就發展出繼承這樣的方式,來表達這個概念。先用一個類別 (base class) 或是介面 (interface) 來表達這個 "抽像化" 的概念,而不表達細節。其它要跟它互動的程式,只能透過這個抽像化型別來溝通,而其它的細節或實作,則被藏在裡面,或是衍生類別。中間的故事我就不再多說了,再說我就直接去寫 OOP 的書好了 =_=,有興趣可以參考這本經典 [世紀末軟體革命],有復刻版喔。套用到我們的 "生命遊戲" 裡,要定義的就是 "世界" 如何跟 "生命" 互動? 之間的關係是什麼? 另外就是 "生命" 有各種不同的型態,所有的 "生命" 型態是否都能順利的在同一個 "世界" 裡生存? 先試著用簡單文字來描述吧。在我們的定義裡,世界是個 M * N 的棋盤,每一格都能放一個生物。每個生物有自己的狀態 (生/死),也會隨著時間與環境的不同,讓生物的狀態產生變化。畫成 UML 的 class diagram, 大概就像這樣 (手邊沒工具,用 power point 大概畫一下… Orz): image 我們在撰寫程式時,就必需思考題目中講到的生物各種特性,那些是所有的生命共有的特色? 這部份要把它定義在 Life … 另一部份是某種細胞特有的,則要放在衍生類別 Cell 裡。而世界必需要能跟生命作適當的互動,讓生命的進行能繼續下去。這樣的架構好處是,未來如果有第二種 Cell 或是其它的生物,只要是從 Life 繼承下來,都能很順利的在 World 裡活著,因為物件導向技術的 "抽像化" 概念,保證這樣程式的可行性。 好,我們就以需要跟 World 接觸跟互動的部份為主,把原程式的 Cell 抽離出來,放到它的上層類別 Life 裡。這也是物件技術裡常提到的 "generalization" (一般化),越一般的特性要越往上層類別移動,而越往下就是 "specialization" (特殊化),底層的類別要去實作特殊的部份,或是特有的細節。 先把原程式作好調整吧。原 Cell 的程式碼,部份被搬移到 Life, 同時這兩個類別有了繼承關係,如下: ClassDiagram1 Life 的部份,定義了所有 Life 都該表達出來的特性,也就是我們對於 Life 的認知,都應該描述在裡面,像是 Life 活在 World (CurrentWorld) 裡,會有它的座標 (PosX, PosY), 也會有它在這個棋盤內顯示的方式 (DisplayText) 等。而跟 World 互動的方面,Life 則透過 GetNextWorldTask( ) 來讓 World 來讓 Life 驅動它生命的進行。 在 World 的這邊,不管是那種 Life 衍生類別的物件,一律都當成 Life 的 "抽像概念" 來操作。這樣的優點,在還不曉得未來這世界到底還有多少種不同的 Life 會在裡面生活時,主要程式就能開發了。未來 Life 可以一直擴充,衍生出多種不同的 Life 子類別,而 Life / World 之間的互動及規範,則可以完全不用修正。 接下來就要讓這遊戲的規則,變的更真實一點了。實際的情況下,應該是我們已經知道會有那些不同的生物,經過歸納 (一般化及特殊化) 之後,可以設計出我們需要的類別架構。不過實際寫起程式來可沒這麼好命 (就像 USER 永遠不會一次給你完整確定的需求一樣),很多時後你得去 "猜" 或是 "假設",因此跟本沒有 "一般化" 這回事,你得預先去猜測未來要應付什麼問題,而在細節都還不清楚時就先定義出上層類別。 我們開始來試看看,我們定義的夠不夠抽像吧! 如果助教看你這麼快就把生命遊戲的作業交出來,覺的很沒面子,想把題目變難一點,加上有病毒感染的情況。於是原題目的四條規則追加一條,變成這樣:
  1. 孤單死亡:如果細胞的鄰居小於一個,則該細胞在下一次狀態將死亡。
  2. 擁擠死亡:如果細胞的鄰居在四個以上,則該細胞在下一次狀態將死亡。
  3. 穩定:如果細胞的鄰居為二個或三個,則下一次狀態為穩定存活。
  4. 復活:如果某位置原無細胞存活,而該位置的鄰居為三個,則該位置將復活一細胞。
  5. 感染:正常的細胞有 ( 1 + 受感染的鄰居數量 x5 )% 的機率受到病毒感染。已感染的細胞在 3 次狀態改變後會痊癒。受感染的狀況下,有 10% 的機率會死亡。
我們的程式該怎麼配合它改變? (對,機車的 USER 就都是這樣臨時修改規格...) 先來看看執行的結果,畫面上已經分的出來活著的 Cell 跟受感染的 Cell ... 除了看到 Cell 活著與死亡的變化之外,也看的到病毒擴散的狀況是怎麼樣。執行的畫面如下: image 圖例: ◎受感染的細胞,●活著的正常細胞,○死亡的細胞 接著,來看看改版後的程式碼:
public bool IsInfected
{
    get
    {
        return this.InfectedCount > 0;
    }
}
private int InfectedCount = 0;
public override string DisplayText
{
    get
    {
        if (this.IsAlive == true) return "●";
        else if (this.IsInfected == true) return "◎";
        else return "○";
    }
}
protected override IEnumerable<TimeSpan> WholeLife()
{
    yield
    return TimeSpan.FromMilliseconds(_rnd.Next(800, 1200));
    for (int index = 0; index < int.MaxValue; index++)
    {
        int livesCount = 0;
        int infectsCount = 0;
        foreach (Cell item in this.FindNeighbors())
        {
            if (item.IsAlive == true) livesCount++;
            if (item.IsInfected == true) infectsCount++;
        }
        bool? value = _table[this.IsAlive ? 1 : 0, livesCount];
        if (value.HasValue == true)
        {
            this.IsAlive = value.Value;
        }
        if (this.IsInfected == true)
        {
            this.InfectedCount--;
            if (this.InProbability(10) == true) this.IsAlive = false;
        }
        else
        {
            if (this.InProbability(1 + infectsCount * 5) == true) this.InfectedCount = 3;
        }
        yield
        return TimeSpan.FromMilliseconds(_rnd.Next(800, 1200));
    }
    this.Dispose();
    yield
    break;
}
細節我就不多介紹了。這裡的重點是經過抽像化的動作後,把 Life / Cell 之間的邏輯做明確的劃分。World 的類別程式碼完全沒有出現任何有關 Cell 的 Code, 只有出現 Life 而已。除了在主程式 GameHost 有這麼一段,明確的把 Cell 建立起來,把它放進 World:
static void Main(string[] args)
{
    int worldSizeX = 30;
    int worldSizeY = 30;
    World realworld = new World(worldSizeX, worldSizeY);
    Random _rnd = new Random();
    for (int x = 0; x < worldSizeX; x++) {
        for (int y = 0; y < worldSizeY; y++) {
            Cell item = new Cell();
            realworld.PutOn(item, x, y);
        }
    }            
    // ...

}
這樣的作法,其實已經引含了 "動態聯結" 的特性了。在開發主程式的階段 (指 World / Life 這兩個主要的 class), 都還沒有 Cell 的相關細節,而事後執行的程式碼卻可以依照 Cell 裡的邏輯來執行。這代表了我們不需要改主程式的設計,就能不斷的加入新的規責,甚至是新的生物進來一起運作。 如何? 物件技術的 "抽像化" 能力,的確很有效的解決了這樣的變化需求。下一篇會沿用一樣的架構,但是執行的範例會完全不一樣 (這次不用細胞了,直接用草原上的生態: 草、羊、虎) 的生命及規則,來套進這個框架,看看它能怎麼模擬出一個新的生態系統。 這樣的架構可以應付未來未知的變化,只要你的抽像化概念不變的前題下都沒問題。這種保留彈性,卻又不用在 design time 去多做不必要的實作,才是物件技術強大的地方。我舉個反例,很多剛入行的軟體工程師,你給他一個需求,他會想太多... 一個簡單的輸入 1 + 1 要顯示 2 的結果,他會這麼想: USER 需不需要列印啊? 我先把這需求放進去好了,然後加個 config 預設關掉它,以免以後需要我還得大改程式... 只能算 1 + 1? 如果以後 USER 要算 3 * 5 怎麼辦? 好吧,我把 + 用一個 mode 來代表好了,以後 USER 需要括充為支援 +-*/ 就不用大改程式了... ... 碰到這些狀況,我只能誇獎這位年青有為的程式設計師一句話: "你很認真... 辛苦了..." 不過我心裡會苦笑... 只不過要你寫個 1 + 1 = 2,搞這麼一大包? 多作考慮,預留未來可能需要的功能,不是件壞事。不過既然是未知的需求,你又如何保證你能夠正確的 "預知" ,然後進一步 "預留" ? 何況這些多做的需求,未來真正會用上的有多少? 用不到的話,只是開發成本的浪費,及讓你的架構複雜性提高,維護的困難增加而已。物件技術真的解決的了這種問題嗎? 下一篇的目標,我們會定在不修改 World / Life 的設計為前題,把生命遊戲的模擬內容換成草原的生態模擬。敬請期待續集 :D




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