還好，第一版的程式沒有難產。這版的目的很簡單，就是把題目實作出來，同時我會盡量套用物件導向的理念去設計程式的結構，而不是只把結果算出來而已。其實我一直覺的，這類生命模擬的程式，是非常適合用OOPL來實作的範例，大概OOPL所有強調的特性 (封裝、繼承、多型、動態聯結… 等等) 都用的到，算是完美的應用範例題吧!
不過很奇怪的，我特地 GOOGLE 了一下，不知 OOPL 高手都不屑寫這種範例還是怎樣，找到的範例程式，不管用什麼語言 (C/C++/Java/C#都有) 寫的，清一色都很沒有物件導向的 fu … 好吧，只好自己來寫一個。
第一步，一定是先看看你的程式，分析出需要那些類別/物件，及它們之間的關係。比較正規的作法就是 UML 的 UseCase 了。不過這範例其實不大，我就直接跳到 Class Diagram 了 (因為VS2008剛好有現成的…)… 主要的類別有兩個: World (世界) 及 Cell (細胞)。
World 就是給 Cell 生活的空間，我們只訂義一個有限大小的二維空間，就一個 M x N 的棋盤這樣。而 Cell 則是一個細胞，描述單一一個細胞本身，在各種不同的條件下會有什麼反應。先貼一下 class diagram:
圖1. class diagram (World & Cell)
老實說，這張圖還蠻乏善可陳的，World對外公開的介面，大概包含了幾個主要功能，就是取得指定座標的 Cell (GetCell), 及把目前的整個 World 狀態印出來 (ShowMaps) 的 method 而已。而 Cell 的公開介面，不外乎是它目前是活著還是死的，還有它的建構式，及呼叫後會把狀態轉移到下一次狀態的 method。
其它都是 World / Cell 互相溝通用，或是 Init 用的 Method / Prop, 就不多作介紹。先來看看主程式，扮演上帝的你，如何讓這堆單細胞生物，在你的世界裡活起來:
Game Of Life 主程式
static void Main(string[] args)
{
int worldSizeX = 30;
int worldSizeY = 30;
int maxGenerationCount = 100;
World realworld = new World(worldSizeX, worldSizeY);
for (int generation = 1; generation <= maxGenerationCount; generation++)
{
realworld.ShowMaps(string.Format("Generation: {0}", generation));
Thread.Sleep(1000);
for (int positionX = 0; positionX < worldSizeX; positionX++)
{
for (int positionY = 0; positionY < worldSizeY; positionY++)
{
// do day pass
Cell cell = realworld.GetCell(positionX, positionY) as Cell;
cell.OnNextStateChange();
}
}
}
}
主程式我還沒把不相干的動作刪掉，也才廿一行… line 1 ~ 5 只是初始值，line 6 建立整個世界，之後就每跑完一個世代 (generation) 就休息一秒鍾，繼續下一次進化。這樣隨著時間的過去，畫面上會一直更新整個世界的狀態… 直到只定的次數到了為止。
class World 的部份就沒什麼特別的，就只是把一個二維陣列包裝一下而已。直接貼 Code 就混過去吧 XD，一樣沒有刪掉程式碼，原 CODE 照貼:
class World 的程式碼
public class World
{
private int SizeX = 0;
private int SizeY = 0;
private Cell[,] _map;
public World(int maxPosX, int maxPosY)
{
this._map = new Cell[maxPosX, maxPosY];
this.SizeX = maxPosX;
this.SizeY = maxPosY;
for (int posX = 0; posX < maxPosX; posX++)
{
for (int posY = 0; posY < maxPosY; posY++)
{
this._map[posX, posY] = new Cell(this, posX, posY);
}
}
}
internal void PutOn(Cell item, int posX, int posY)
{
if (this._map[posX, posY] == null)
{
this._map[posX, posY] = item;
item.PosX = posX;
item.PosY = posY;
}
else
{
throw new ArgumentException();
}
}
public Cell GetCell(int posX, int posY)
{
if (posX >= this.SizeX) return null;
if (posY >= this.SizeY) return null;
if (posX < 0) return null;
if (posY < 0) return null;
return this._map[posX, posY];
}
public void ShowMaps(string title)
{
Console.Title = title;
Console.SetWindowSize(this.SizeX * 2, this.SizeY);
Console.SetCursorPosition(0, 0);
Console.Clear();
for (int y = 0; y < this.SizeY; y++)
{
for (int x = 0; x < this.SizeX; x++)
{
Cell item = this.GetCell(x, y);
Console.SetCursorPosition(x * 2, y);
Console.Write(item.IsAlive? "●":"○");
}
}
}
}
接下來是封裝每個細胞本身跟環境互動的影響，把上一篇講的規則對應成程式碼的樣子。先來看看 CODE:
class Cell 的程式碼
public class Cell //: Life
{
protected World CurrentWorld { get; private set; }
internal int PosX = 0;
internal int PosY = 0;
private const double InitAliveProbability = 0.2D;
private static Random _rnd = new Random();
public Cell(World world, int posX, int posY) //: base(world, posX, posY)
{
this.CurrentWorld = world;
// setup world
this.PosX = posY;
this.PosY = posY;
this.CurrentWorld.PutOn(this, posX, posY);
this.IsAlive = (_rnd.NextDouble() < InitAliveProbability);
}
public bool IsAlive { get; private set; }
protected IEnumerable<Cell> FindNeighbors()
{
foreach (Cell item in new Cell[] {
this.CurrentWorld.GetCell(this.PosX -1, this.PosY-1),
this.CurrentWorld.GetCell(this.PosX, this.PosY-1),
this.CurrentWorld.GetCell(this.PosX+1, this.PosY-1),
this.CurrentWorld.GetCell(this.PosX-1, this.PosY),
this.CurrentWorld.GetCell(this.PosX+1, this.PosY),
this.CurrentWorld.GetCell(this.PosX-1, this.PosY+1),
this.CurrentWorld.GetCell(this.PosX, this.PosY+1),
this.CurrentWorld.GetCell(this.PosX+1, this.PosY+1)})
{
if (item != null) yield return item;
}
yield break;
}
public void OnNextStateChange()
{
int livesCount = 0;
foreach (Cell item in this.FindNeighbors())
{
if (item.IsAlive == true) livesCount++;
}
if (this.IsAlive == true && livesCount <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。
this.IsAlive = false;
}
else if (this.IsAlive == true && livesCount >= 4)
{
//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。
this.IsAlive = false;
}
else if (this.IsAlive == true && (livesCount == 2 || livesCount == 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。
//this.IsAlive = true;
}
else if (this.IsAlive == false && livesCount == 3)
{
//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。
this.IsAlive = true;
}
else
{
// ToDo: 未定義的狀態? assert
}
}
}
這裡開始應用到 OOPL 第一個特性: 封裝。從程式碼可以看到，主要的邏輯都被包在裡面了，就 Game Of Life 裡提到的四條規則。
程式這樣寫起來，比那些作業的標準答案看起來舒服多了吧? 雖然行數多了一些，不過看起來比較有 OO 的樣子了。當然只是看起來爽是沒用的，這樣的架構，到目前為只除了邏輯清楚一點之外，還看不到其它很明顯的好處。不過當這個規責稍微複雜一點，OOPL的優點就會被突顯出來了。
下回，把題目做點變化，再來看看程式該如何調整… ((待續))
– 附件: 範例程式碼
