[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): 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: 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。

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;
}

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);
        }
    }            
    // ...

}

2009/10/03 系列文章: 生命遊戲 C# Tips 技術隨筆 物件導向 系列文章: 生命遊戲

電腦時鐘越來越慢...

最近這兩個禮拜，很扯... 我的手機時鐘越來越不準，竟然每天會晚個幾分鐘，不到兩個禮拜，竟然跟正常時間比起來已經差了廿分鐘...

天那，這什麼時代了，一個五十塊的電子錶都比我這隻五為數價位 (幾年前的價位啦 =_=) 的手機準時... 怪的是，白天再公司又是準的 !? 越看越怪，難不成這時代，連看個時鐘都得先 DEBUG 一番... 今天就花了點心思追一下問題 @@

首先，原來慢的不是我的手機，而是我家裡的 PC，因為手機插上 USB 充電 + SYNC，會順便對時，就這樣誤差越來越大了。不過 PC 不是都會上網對時嘛? 後來就再繼續追下去...

繼續追下去，家裡 PC 是跟家裡的 SERVER (domain controller) 對時的... 原來時間慢的是家裡的 SERVER... 不過問題還是一樣啊! 現在一直都連上網的 SERVER 怎麼可能會這樣?

因為每次重灌，一堆帳號就要重建，很麻煩，所以上個月重灌 SERVER時，就順手在 VM 裡裝了台 SERVER，當作 Active Directory 的 domain controller (Guest OS)… 而 SERVER 本身 (Host OS) 才是拿來做 NAT / RRAS / FILE SERVER 等服務...

這樣的架構，機車的地方就在於: Hyper-V 本身 VM 會跟 Host 做 time sync ... 而 Host 有加入 AD, Host 又會跟 Guest 同步時間，Hyper 又替 Guest 跟 Host 同步時間... 每次誤差一點，幾週下來就變這樣了 @@ 害我的手機莫名奇妙就晚了快半小時...

果然，這選項移除後，就一切正常了 @@，頂多就讓 DC 脫褲子放屁，到外面的 server 去對時吧... 嗯，這年頭，真的什麼怪事都會發生... 還好這次有抓到問題，哈哈... 這篇就給跟我一樣宅的人參考吧 :D

2009/09/29 Tips 技術隨筆

[設計案例] 生命遊戲 #5, 中場休息

在繼續下去之前，先來講一下，我希望讓這個 "生命遊戲" 程式，發展到什麼程度吧。其實前面四篇都還只是基礎入門，跟準備動作而已，接下來才開始會有些有趣的。

我希望這系列文章寫完後，這個程式要能扮演一個真正可運作的 Matrix … 沒錯，就是像電影駭客任務裡的母體一樣，這個程式會變成 Matrix 的主要架構，而各式各樣的 "生物" 可以在這個虛擬世界裡生活。為了讓它真的跑的動，所以前幾篇提到的效能問題，執行緒問題，就不能不考慮。為了讓這個虛擬世界能更擬真一點，它至少要是個依時間驅動的模式，而不是像 "生命遊戲" 最早定義的回合制，因此這個問題也要在基本架構裡解決掉。

這些 "生物" 那裡來? 當然是大家來開發 :D 最終目標是要把這 Matrix 建起來，讓各位的生物可以放進來互相較勁一番... 因此先替這些程式 (生物) 抽像化，定義好它跟世界，及跟其它生物之間互動的規格 (就是下篇 "抽像化 / 多型" 要說的) 就是必要的工作之一了。替生命定義好抽像化介面之後，就可以開始衍生出各種不同的生命型態，一起加入這個虛擬世界，因此繼承、多型的技術就派上用場了。

生命是會演化的，當世界上真的演化出一種新的生命型態時，整個世界可以 "安裝" 好新的生命型態，然後全部存檔，重新啟動嗎? 當然不行... 因此如何 "動態" 的加入新的生命型態，如何不停止 GameHost 的前提下，由新的 Assembly 載入 Class (再下篇要說明的 "動態載入")，也是必需克服的技術之一。

這幾個階段及目標，就是我這一系列文章想要做到的。聽起來好像很有趣，可是卻又沒什麼實際的用途... Orz, 沒辦法，我就是喜歡寫這類要動點腦筋的程式，即使畫面一點都不炫也沒關係... 平常工作就不大有機會寫這種程式了，加上現在又只剩一張嘴...。

如果順利的發展，我倒是有個打算，這個 GameHost 成形之後，我打算定些基本的規則，比如土地上會有一定的機率及規則，長出草 (食物) 來。而這世界有各種不同的生物 (EX: 羊)，需要靠這世界上的資源維持生命。到時大家可以把自己創造的 "羊" 一起放到這個世界內，看看執行了一陣子之後，誰設計的 "品種" 比較好，最後可以一代一代的繁衍下來...。

想的很美好，不過我不像 darkthread 可以替最後優勝的造物者提供獎品.. Orz.. 未來的設計藍圖就先規劃到這裡。在繼續下去之前，我把程式重新整理了一下，有興趣的人可以下載回去。這份程式碼跟 #4 的功能結構是一樣的，只不過整個架構都作過重整，變數等命名也調整過了，是為了往後說明相關物件技術時，不會被這些從 #1 ~ #4 改的支離破碎的程式碼干擾...

嗯，講了一堆廢話，結論就是: 敬請期待續集 :D  哈哈...

下載重整過的程式碼:

2009/09/24 系列文章: 生命遊戲 .NET 技術隨筆 有的沒的 物件導向 系列文章: 生命遊戲

[設計案例] 生命遊戲 #4, 有效率的使用執行緒

原本這篇不講執行緒，要直接跳到 OOP 多型的應用... 不過看一看 #3 自己寫的程式，實在有點看不下去... 30x30 的大小，程式跑起來就看到 903 條執行緒在那邊跑... 而看一下 CPU usage, 只有 5% 不到... 這實在不是很好看的實作範例，如果這是線上遊戲的 SERVER 程式，裡面的每個人，每個怪物等等都用一條專用的執行緒在控制他的行為的話，我看這遊戲不用太多人玩，SERVER 就掛掉了吧! 因此要繼續更貼近實際的生命模擬遊戲前，我們先來解決效能的問題，所以多安插了這篇進來 :D 前一篇 (#3) 的主題是把生命的進行，從被動的在固定時間被喚醒 (callback) 的作法，改成主動的在指定時間執行 (execute)。 想也知道，現實世界的生物都是 "主動" 的，後面的作法比較符合 OOP 的 "模擬世界，加以處理" 的精神。但是，一個小程式就吃掉 900 條執行緒，是有點過頭了。不知道還有沒有人記得，我騙到獎品的這個程式... 很另類的用 yield return 來解決類似問題的作法... 藉著 compiler 很雞婆的把單一流程翻成數段可以切開執行的邏輯...，正好拿來利用一下，替我們把一連串連續的邏輯切段，以便利用多執行緒來處理。我的想法是這樣，原程式是用個迴圈，作完該作的事，就休息 (sleep) 一段時間。而新的寫法，我打算用 yield return new TimeSpan(…) 來取代 Thread.Sleep(…)。每個 Cell內部的程式結構修改不大，不過對於 GameHost 就是個挑戰了... 來看看修改前及修改後的程式碼:

        // 修改前
        // 使用 Thread.Sleep( ) 來控制時間
        public void WholeLife(object state)
        {
            int generation = (int)state;
            for (int index = 0; index < generation; index++)
            {
                this.OnNextStateChange();
                Thread.Sleep(_rnd.Next(950, 1050));
            }
        }
        //
        //
        //
        // 修改後
        // 使用 yield return new TimeSpan( ) 來控制時間
        public IEnumerable<TimeSpan> WholeLife(object state)
        {
            int generation = (int)state;
            for (int index = 0; index < generation; index++)
            {
                this.OnNextStateChange();
                yield return TimeSpan.FromMilliseconds(_rnd.Next(950, 1050));
            }
            yield break;
        }

"大爺，這次您要休息多久?"

"大爺，這次您要休息多久?"

目標是要達到像 #2 範例一樣的效果，但是要用更有效率的方式。

1. 建立一個時間表，依照時間順序，把每個 cell 預計要被叫醒的時間標上去。
2. 時間到了之後，就去呼叫該 cell 的 OnNextStateChangeEx()，同時取得該 cell 下次要喚醒的時間，再標到時間表上
3. GameHost就不斷的替每個 cell 重複 (1) (2) 的動作..
4. 同時另外用一條獨立的執行緒，作畫面更新的動作。

        public class CellToDoList
        {
            public void AddCell(Cell cell) {...}
            public Cell GetNextCell() {...}
            public Cell CheckNextCell() {...}
            public int Count {get;}
        }

        static CellToDoList _cq;
        static void _YieldReturnGameHost(string[] args)
        {
            int worldSizeX = 30;
            int worldSizeY = 30;

            World realworld = new World(worldSizeX, worldSizeY);

            _cq = new CellToDoList();
            // init threads for each cell
            for (int positionX = 0; positionX < worldSizeX; positionX++)
            {
                for (int positionY = 0; positionY < worldSizeY; positionY++)
                {
                    Cell cell = realworld.GetCell(positionX, positionY);
                    cell.OnNextStateChangeEx();
                    _cq.AddCell(cell);
                }
            }

            // 啟動定期更新畫面的執行緒
            Thread t = new Thread(RefreshScreen);
            t.Start(realworld);

            while (_cq.Count > 0)
            {
                Cell item = _cq.GetNextCell();
                if (item.NextWakeUpTime > DateTime.Now)
                {
                    // 時間還沒到，發呆一下等到時間到為止
                    Thread.Sleep(item.NextWakeUpTime - DateTime.Now);
                }
                
                ThreadPool.QueueUserWorkItem(RunCellNextStateChange, item);
            }
        }

        private static void RunCellNextStateChange(object state)
        {
            Cell item = state as Cell;
            TimeSpan? ts = item.OnNextStateChangeEx();
            if (ts != null) _cq.AddCell(item);
        }


        private static void RefreshScreen(object state)
        {
            while (true)
            {
                Thread.Sleep(500);
                (state as World).ShowMaps("");
            }
        }

2009/09/19 系列文章: 生命遊戲 .NET C# 作品集 多執行緒 技術隨筆 有的沒的 物件導向 系列文章: 生命遊戲

[設計案例] Login With SSL ?

Game Of Life 那一系列的，先暫停一期 :D，先穿插一篇不相干的內容...。這篇要講的是網站的登入部份要改用 SSL 的作法。這是很常見的問題，不過對怎麼作搞不清楚的人，仍然大有人在... 所以興起了寫這篇的念頭。

先從 "為什麼" 來說好了。實際碰到的客戶，常常會把 "SSL" 跟 "加密" 劃上等號... 以為網站加上 SSL 就固若金湯了。這樣講是沒錯啦，不過 SSL ( Secure Socket Layer。Wiki 有說明) 再安全，也只是個 "加密" 的傳輸方式，只有對外人 (竊聽者) 是加密的... 正所謂內賊難防... SSL 可以防外賊，但是防不了內賊。因此 SSL 是不等於 DRM 這類技術的...

扯遠了，會這樣講只是因為，很多客戶需要的其實是 DRM，不過客戶的 IT 卻天真的以為，網站加上 SSL 就萬無一失了... 於是老有客戶在問:

客: "你們的系統可以整個放到 HTTPS 裡嗎?"

我: "可以啊，不過效能會很糟，有什麼特別的需求，要這樣作嗎?"

客: "老闆說網站的文件怕流出去，所以要用 HTTPS"

我: "...."

很想把 DRM / DPM 的介紹貼給客戶看... 不過只能很婉轉的引導客戶的需求...

我: "HTTPS 只是防竊聽，不防把資料存下來偷帶出去的... 要防外賊，只要保互好登入過程傳輸帳號秘碼"

大部份人對 SSL 的第一個誤解，就是 SSL 只是個加密的傳輸方式，不是加密的儲存方式。就好像你用黑貓寄東西，他是用貨車載... 像 Mission Impossible 裡的阿湯哥那種身手，一下就可以把你的包裹摸出來... 如果你的包裹給保全公司送，他們用的安全規格就完全不同了... 至少是運鈔車的那種規格 (不過應該也擋不住阿湯哥就是...)。

不過，貨物送到對方手上之後，保護就不見了... 這點就是大家常常沒搞清楚的地方。

弄清楚 SSL 只保護傳輸過程後，該怎麼應用，該應用在那裡，就很清楚了。最典型的例子，就是用在網站登入 (輸入帳號密碼，輸入信用卡號碼等等) 的地方。登入成功後就沒必要繼續留在 SSL (HTTPS) 保護的範圍了，就可以切回一般網站 (HTTP)。

剩下的就跟你怎麼設計，怎麼規劃有關了。概念上來說，一般網站就像這張圖一樣:

所有資訊都在橘色 (不安全) 的部份傳輸。為了確保重要資訊不被竊聽，我們至少要改成這樣:

如果把 HTTP / HTTPS 當成兩個網站，則帳號密碼一定要在綠色(安全)部份傳輸。而兩台SERVER之間可以用HTTPS，或是其它管道傳輸，不一定要加密，不過至少可以把外面的駭客檔在門外。

接下來的作法就各憑本事了，沒有標準的解法。我的客戶因為有可能有各種不同的認證規則，這規則可能跟網站的邏輯有關，所以不大適合把認證的部份擺在 HTTPS 這端，因此我的設計是:

1. 把帳號密碼，透過HTTPS安全送到A網站，儲存起來。
2. A網站發出一個 TOKEN (可以搭配一些HASH及EXPIRE的處理)，再把這 TOKEN 轉給B網站。
3. B網站再根據收到的 TOKEN，先作好基本的HASH及EXPIRE的檢查後無誤後，最後再到後端的 STORAGE 把當初 (1) 儲存的登入資訊取出。
4. 取得登入資訊後，就在B網站用正常的登入程序，進行驗證工作。
5. 驗證成功後，就可以正常的設定SESSION，使用網站的各個功能。

打個比方，這就是傳統的商店刷信用卡時，會用電話等方式，銀行先跟使用者確認資訊後，給店家一個授權碼。之後店家就只能在規範的條件下，用這授權碼取款。這授權碼是不怕被盜取的，因為它只是個代號，外人取得它完全無法做壞事，就好像上例的 TOKEN 一樣。

接下來，就來看看程式該怎麼寫了。只要使用量不大的話，A/B兩網站是可以放在同一台SERVER上，這時中間的傳輸方式就很多種簡易的選擇 (比如 local file)。考量到整個系統的 scalability, HTTPS 的部份屬 CPU BOUND，量大的話有可能影響到原網站的運作，因此實際部屬時，有可能碰到 A 網站必需跟 B 網站獨立出來，而且 B 網站也有可能因為效能問題，而再分散成多個 Web Farm 的運作方式...，這時 AB 網站間的傳輸方式就得能跨 SERVER 運作，就得挑選 DB / WCF 等等方式進行。 (當然 ASP.NET Session State Server 也可以啦，不過暫不考慮，不然就沒東西好寫了...)

整理一下最後要實作的需求，跟架構設計。都到設計階段了，Use Case 就跳過去，直接到 Sequence Diagram…

用到的技術反而沒什麼特別的。我舉幾個常見的難題，或是常被忽略掉的漏洞:

1. HTTP / HTTPS 可能是不同的網站，SESSION 不會通... 怎麼把 LOGIN 成功的資訊， *安全* 的帶到 HTTP 這邊的 SESSION ?

2009/09/18 設計案例: Login With SSL