[設計案例] 生命遊戲#1, 前言
摘要提示
- 系列定位: 啟動「設計案例」系列，以經典題目展示現代軟體設計思維與實作取徑
- 題材選擇: 以 Conway 的生命遊戲為範例，連結當代社交平台模擬遊戲類型
- 與時俱進: 探討 1970 年代經典題目在 .NET/C# 生態下的現代寫法
- 物件導向: 以封裝與多型處理不同細胞行為與規則，降低條件分支與程式破碎
- 多執行緒: 面對天然的並行問題，審慎設計執行緒策略避免大量 thread 造成負擔
- 語言特色: 使用 C# 的 yield return 改善「write-only」流程、修補破碎邏輯
- 規則重述: 清楚整理生命遊戲的鄰居定義與四條演化規則
- 參考基準: 對比 C/Java 傳統實作，指出「Java 版 C 程式碼」的侷限
- 架構取捨: 選擇 console 版本以降低 UI 噪音、專注核心設計
- 後續規劃: 預告將分篇深入，含 sample code 與多執行緒技術討論
全文重點
本文是「設計案例」系列的開篇，作者以經典的生命遊戲（Game of Life）為題，嘗試用當代 .NET/C# 的觀點重新審視與實作這個 1970 年的經典作業題。動機來自近期社群平台盛行的模擬型小遊戲，生命遊戲正是此類型的先驅。作者先引用維基百科介紹與外部範例連結，指出多數現存實作偏向傳統的 C 風格，即使換成 Java 也多為「Java 版 C 程式碼」，未能善用物件導向、多執行緒與語言新特性。
文章核心在於提出三個設計障礙與對策。第一，生命遊戲的邏輯易被主迴圈切碎，導致「write-only」式難以維護的程式；作者計畫用 C# 的 yield return 讓邏輯以可迭代流程重組，改善可讀性與流程表達。第二，遊戲是時間驅動的模擬，若不同細胞有不同步頻與行為，條件將導致流程更破碎；作者打算以物件導向的封裝與多型，把不同細胞的規則與時間特性放入類別層級，避免在主流程堆疊分支。第三，生命遊戲天然適合並行，但若為每個細胞啟動一條執行緒會崩潰系統，因此將探討可伸縮的多執行緒策略，如任務分配、批次步進或協作式排程，兼顧效能與資源。
基於聚焦架構與演算法，作者特別選擇 console 版本的參考實作，避免 UI 細節干擾，並強調將在後續篇章提供 sample code 與更具體的設計。最後，作者以輕鬆口吻提醒學生勿直接照抄其方法提交作業，並開放邀稿交流，預告系列將逐步展開，從規則建模、流程重組到並行化策略，示範如何把古典題目升級為現代、可維護、可擴充的軟體設計。
段落重點
前言與系列動機
作者久未產出自認有內容的技術文章，反思到「新技術能寫炫程式，但結構常混亂」的常見問題，決定開啟「設計案例」系列。此系列不僅談解法，更強調用對方法與技術來對應特定問題場景。雖自謙不及設計模式高度，但目標是將真實實作中的取捨、封裝與結構化思維具體化，讓讀者看到從問題拆解到架構落地的過程與成果。
從社群遊戲回望 Game of Life
以 Facebook 上風行的模擬遊戲為引子，作者指出生命遊戲正是此類遊戲的鼻祖。引用維基百科介紹說明生命遊戲是 Conway 在 1970 年提出的格狀自動機，歷史悠久、範例眾多。作者感嘆多數現有解答停留在 C 或「Java 版 C」層級，並未反映 40 年來程式語言與工程實務的演進，因此起意用 .NET/C# 重新詮釋，以現代化觀點重構這道經典。
參考實作與比對基準
為避免 UI 負擔干擾架構判斷，作者特意選擇 console 版本的 Java 與多語言參考實作作為基線。觀察後指出這些實作基本正確但未善用高階語言特性，缺少良好的結構化與抽象，導致程式風格像以 Java/Scala 寫 C。這樣的基準反而凸顯本文的切入點：同樣的問題若引入物件導向、迭代器與並行模型，能在可讀性、擴充性與效能上更勝一籌。
遊戲規則與模型邊界
作者整理生命遊戲的鄰居定義（八方向）與四條演化規則：孤單死亡、擁擠死亡、穩定存活、與復活條件。這些規則在傳統實作常被硬編碼於大迴圈與條件判斷中，導致擴充困難。本文後續方向是將這些規則抽象成可重用的邏輯單元，並思考時間步進、狀態轉換與鄰域計算的邊界，以利抽換策略或加入變體（例如不同細胞種類或不同步頻）。
設計障礙與現代化對策
作者點出三大設計痛點並提出對策。其一，流程被主迴圈切碎形成「write-only」程式，計畫以 C# 的 yield return 將邏輯以可迭代序列表達，讓每個細胞的演化流程可被連續閱讀與測試。其二，時間驅動的模擬若含不同頻率與規則會使控制流程更加破碎，將以物件導向多型將差異封裝在型別層次，主流程只需協調時序與事件。其三，問題具高度並行性但無法以「一細胞一執行緒」，需採更合理的併發模型（如批次步進、工作池、任務排程或協作式纖程），在資源可控前提下提升吞吐與即時性。
結語與後續規劃
作者自知題目範圍廣，預告將分篇逐步推出，待首個 sample code 完成後續篇即上線。呼籲讀者可分享各自的實作與想法，但提醒學生切勿直接挪用以免作業評分不利。整體來看，本篇定調了系列目標與方法論：以經典問題為載體，展示如何用 .NET/C# 的語言特性、物件導向與並行技巧，把老題目寫出新結構，達到易讀、可維護與可擴充的現代工程品質。
資訊整理
知識架構圖
- 前置知識：學習本主題前需要掌握什麼？
- 基本程式設計與資料結構（陣列/矩陣、迴圈、條件判斷）
- 物件導向觀念（封裝、繼承、多型）
- .NET/C# 語言基礎（class、interface、IEnumerable、yield return）
- 基礎多執行緒概念（Thread、同步、避免每單位一執行緒）
- 生命遊戲（Game of Life）的規則與細胞自動機概念
- 核心概念：本文的 3-5 個核心概念及其關係
- 生命遊戲規則與狀態演進：以「離散時間步（tick）」依鄰居數決定生死/復活
- 程式結構的可讀性與可維護性：避免「write-only」式碎片化邏輯
- C# 的 yield return：將被切碎的流程以可迭代序列表達，改善邏輯線性化
- OOP 多型：抽象出「細胞/單位」的差異化行為（如不同更新節奏）
- 多執行緒與調度：並行問題不等於「每個單位都開一條 thread」，需採用更合宜的調度策略
- 技術依賴：相關技術之間的依賴關係
- 生命遊戲核心規則 → 依賴網格與鄰居計算 → 需要資料結構與雙緩衝更新策略
- 可讀性重構 → 依賴 yield return（迭代器）讓狀態機/流程更連貫
- 行為差異 → 依賴 OOP 多型擴展不同單位的更新頻率或規則
- 並發執行 → 依賴執行緒與調度（計時器/事件迴圈/工作佇列），而非粗暴的「每細胞一執行緒」
- 介面與呈現 → 與核心邏輯解耦（console 先行，UI 後加），降低耦合
- 應用場景：適用於哪些實際場景？
- 教學與練習：OOP、迭代器、並行與調度策略的綜合演練
- 模擬系統：細胞自動機、粒子/群體行為、簡化的生態或城市模擬
- 架構設計演示：將古典題目以現代語言特性重構，提升可維護與擴展性
- 性能與伸縮：以合理調度與資料結構支撐大規模單位更新
學習路徑建議
- 入門者路徑：零基礎如何開始？
- 了解生命遊戲規則與網格鄰居計算方式
- 以單執行緒、同步的方式，實作最小可行版本（固定大小網格、雙緩衝）
- 在 console 輸出每一代的網格狀態，確保規則正確
- 進階者路徑：已有基礎如何深化？
- 使用 C# 的 yield return 重構更新流程，讓複雜步驟以可迭代序列呈現
- 引入 OOP：抽象「Cell/Actor」與「Rule/Behavior」，嘗試多型（如不同更新間隔）
- 將核心邏輯與呈現分離（Domain vs. Presentation），預留不同前端（console/UI）
- 實戰路徑：如何應用到實際專案？
- 設計一個時間驅動的模擬框架（tick scheduler），避免每單位一執行緒
- 實作可插拔規則/單位行為（策略模式/多型），支援不同模擬需求
- 加入測試與效能量測（邊界條件、隨機初始、壓力測試），驗證可擴展性
關鍵要點清單
- 生命遊戲基本規則：以鄰居數決定細胞生死與復活，離散時間步進行演化（優先級: 高）
- 網格與鄰居計算：八鄰居模型與邊界處理（環形/固定邊界）會影響結果（優先級: 高）
- 雙緩衝（double buffering）：用兩個陣列分別存當前與下一代狀態，避免讀寫衝突（優先級: 高）
- 可讀性問題與碎片化邏輯：傳統主迴圈易造成「write-only」代碼（優先級: 中）
- yield return 的運用：以迭代器/產生器化解複雜流程、維持邏輯線性（優先級: 高）
- OOP 多型抽象：以多型實作不同細胞/單位行為或更新節奏（優先級: 高）
- 時間步與調度：將狀態改變綁定 tick 或秒數，建構一致的模擬時鐘（優先級: 高）
- 多執行緒策略：並行不等於每單位一執行緒，需以排程/工作佇列控制規模（優先級: 高）
- 同步與資料一致性：避免競態條件，清楚界定讀/寫階段與鎖的範圍（優先級: 高）
- 呈現與邏輯解耦：先以 console 驗證核心，之後再接 UI，減少耦合（優先級: 中）
- 可擴展規則設計：將規則獨立為策略/政策，支援自訂與切換（優先級: 中）
- 效能與可伸縮性：以批次更新、區塊運算或稀疏資料結構提升大規模效能（優先級: 中）
- 測試與驗證：以固定初始圖樣（glider、block 等）驗證正確性（優先級: 中）
- 例外與邊界處理：處理越界、空網格、極端密度等情形（優先級: 低）
- 學以致用的視角：以古典問題練習現代語言特性與設計思維（優先級: 中）
