[設計案例] 生命遊戲#2, OOP版的範例程式

摘要提示

• 目標：以物件導向方式實作康威生命遊戲，強調結構設計而非僅求出結果。
• 類別設計：核心類別為 World（世界）與 Cell（細胞），分別負責環境與個體行為。
• 設計圖：以類別圖思考介面與關係，略過 Use Case，聚焦類別責任。
• 主程式流程：建立世界、逐世代更新、每代暫停 1 秒並印出地圖。
• World 職責：封裝二維棋盤、提供 GetCell 與 ShowMaps 等對外介面。
• Cell 職責：封裝細胞狀態、鄰居搜尋與狀態轉移（OnNextStateChange）。
• 規則實作：依鄰居數決定死亡、存活、復活，對應生命遊戲四條基本規則。
• 封裝應用：將演算法與資料隱藏於類別內，簡化主程式並提升可讀性。
• 可擴充性：當規則變複雜或多型需求增加時，OOP 架構優勢會更明顯。
• 原始碼：提供 C# 範例與 GitHub 連結，便於參考與實驗。

全文重點

本文展示以 C# 與物件導向設計（OOP）實作康威生命遊戲的範例。作者認為生命模擬非常適合用 OOP 實踐，能涵蓋封裝、繼承、多型與動態連結等特性。然而實際搜尋多種語言範例後，發現多數實作欠缺 OOP 風格，於是著手自行設計。

設計從類別圖出發，確立兩個核心類別：World 與 Cell。World 表示有限大小的二維空間（MxN 棋盤），負責管理所有 Cell 的容器、初始化、座標存取（GetCell）與狀態視覺化（ShowMaps）。Cell 代表單一細胞，擁有其在世界中的位置、存活狀態與鄰居搜尋方法，並透過 OnNextStateChange 根據鄰居數量執行狀態轉移。此設計將邏輯與資料適度封裝，讓主程式能以簡潔流程驅動演化。

主程式建立 World 後，以雙層迴圈逐一取得每個 Cell，呼叫 OnNextStateChange 完成一代演化，並於每代間隔 1 秒更新顯示，直至達到預設代數。World 內部本質上是包裝一個 Cell 的二維陣列，提供邊界檢查與放置（PutOn）等協調功能；ShowMaps 則以主控台輸出視覺化地圖（●/○）。

Cell 內部實作了鄰居搜尋（八方位），並將生命遊戲四大規則具體化：孤單死亡（鄰居 < 1）、擁擠死亡（鄰居 ≥ 4）、穩定存活（2 或 3）、復活（死細胞鄰居 = 3）。初始化階段還加入隨機存活機率，形成初始狀態。

作者特別強調封裝的價值：將規則與狀態管理集中在 Cell 類別，使主程式保持清爽，且 World 對外只暴露必要介面。雖然目前只是基本款規則，OOP 的好處在規則變動、更複雜行為、或引入多型時會更突出，例如未來可將 Cell 抽象化、導入不同細胞型態或環境法則。文章最後提供原始碼連結，並預告後續將變化題目以展示 OOP 架構的延展性。

段落重點

前言與設計思路

作者以生命遊戲作為 OOP 實作示例，旨在不僅完成功能，還要體現良好的程式結構。雖然網路上不乏各語言版本，但多偏程序式而非物件導向，因此自行設計。設計上從類別圖切入（略過 Use Case，因範例規模小），確立 World 與 Cell 為核心：World 作為環境容器與介面提供者，Cell 負責個體狀態與行為。此分工貼合 OOP 封裝與責任分配原則，有助清晰化各模組邊界、避免主流程臃腫，並為未來擴充打基礎。作者亦提到 VS2008 內建類別圖工具方便建模，加速原型建立與思考驗證。

Game Of Life 主程式

主程式的角色像「上帝模式」負責驅動世代演化：先設定世界尺寸與最大世代數，建立 World 後進入迴圈。每一代先呼叫 ShowMaps 輸出目前世界狀態，暫停 1 秒以利觀察，再以雙層迴圈遍歷所有座標，取得對應 Cell 並呼叫 OnNextStateChange 進行狀態轉移。此流程突顯設計的簡潔性：世代更新的核心邏輯完全由 Cell 自行決定，主程式僅負責時序與調度。如此一來，當規則變動或需要加入更多元行為時，主程式幾乎不需修改，只要擴充 Cell 或其衍生型別即可，符合開放封閉原則的精神。

World 類別設計

World 主要封裝一個二維陣列 Cell[,] 作為棋盤，並保存尺寸資訊。建構時會初始化每一格 Cell，並維護位置與世界的雙向關聯（PutOn 也會設定 Cell 的座標）。對外介面包含 GetCell（含邊界檢查，避免逾界）與 ShowMaps（以主控台顯示世界狀態，用 ● 表示活、○ 表示死）。World 的責任是資源管理與觀察呈現，不涉及演化規則，這種職責分離有助維持內聚性與降低耦合。邊界防護讓鄰居搜尋能安全運作，也預留了未來替換顯示層（例如 GUI）的可能性，只需調整 ShowMaps 或引入策略，核心模型不受影響。

Cell 類別設計與規則實作

Cell 持有對當前 World 的引用與自身座標、存活狀態；初始化時會以機率隨機決定是否存活，讓初始圖樣有多樣性。FindNeighbors 方法負責八方位鄰居搜尋，透過 World.GetCell 並自動濾除 null（越界）確保穩定。OnNextStateChange 則是規則核心：計算存活鄰居數後套用四條規則—小於 1 孤單死亡、4 以上擁擠死亡、2 或 3 維持存活、死細胞鄰居為 3 則復活。這些判斷被嚴密地封裝在 Cell 內，外界無需關心細節。此類設計也利於後續以繼承或策略改寫規則，例如不同類型 Cell 擁有差異化閾值或行為，達成多型與動態聯結。

OOP 特性與後續計畫

作者點出本例已具體展現封裝的價值：主要邏輯集中於 Cell，World 僅管理資源與輸出，主程式則保持極簡。雖然目前功能簡單，看似和一般作業參考答案差距不大，但隨著規則複雜化、引入不同生命型態、或需要抽換顯示層與演化策略時，OOP 架構的彈性與可維護性便會放大。未來可考慮抽象基類 Life、導入多型以支援多種細胞行為，或以策略模式分離規則引擎，亦可強化世界邊界規則（環形世界等）。文章最後提供 GitHub 原始碼連結以供實驗，並預告下一回將調整題目以驗證 OOP 的擴充能力。

資訊整理

知識架構圖

1. 前置知識：學習本主題前需要掌握什麼？
   • 基本程式設計能力與流程控制（迴圈、條件判斷）
   • 物件導向程式設計概念（封裝、類別、物件、方法、屬性）
   • 陣列與座標系統（特別是二維陣列的索引操作）
   • Conway’s Game of Life 規則（鄰居計數與生死轉移）
   • C#/.NET 基本用法（Console I/O、類別與存取修飾、Random、Thread.Sleep）
2. 核心概念：本文的 3-5 個核心概念及其關係
   • World 類別：封裝「世界」的二維空間（Cell[,]），提供存取與顯示世界狀態的介面（GetCell, ShowMaps）
   • Cell 類別：封裝「細胞」狀態與轉移邏輯（IsAlive, OnNextStateChange, FindNeighbors）
   • 主迴圈（世代演進）：控制時間步（generation），遍歷世界中每個 Cell 呼叫狀態轉移
   • OOP 封裝：將規則與資料封裝於 Cell，世界管理與視覺化封裝在 World，降低主程式複雜度
   • 邊界處理與鄰居搜尋：透過 World.GetCell 的邊界檢查與 Cell.FindNeighbors 聚合鄰居資料，避免重複邏輯
3. 技術依賴：相關技術之間的依賴關係
   • 主程式依賴 World 的建立與顯示（World() -> ShowMaps）以及存取 Cell（GetCell）
   • World 依賴 Cell 的存在（二維陣列）與狀態（IsAlive）以顯示地圖
   • Cell 依賴 World 提供位置存取（GetCell）以實作 FindNeighbors
   • 隨機初始狀態依賴 System.Random；時間節奏依賴 Thread.Sleep；輸出依賴 Console API
4. 應用場景：適用於哪些實際場景？
   • 教學範例：示範 OOP 封裝與類別責任劃分
   • 演算法與模擬：細胞自動機、生命遊戲規則驗證
   • 軟體設計重構練習：由程序式實作重構為物件導向
   • 視覺化/互動應用雛形：後續可替換輸出層（Console -> GUI/繪圖）
   • 擴充規則與變體：加入不同生命規則、邊界策略、可配置參數

學習路徑建議

1. 入門者路徑：零基礎如何開始？
   • 了解生命遊戲基本規則與鄰居定義（8 個鄰居）
   • 復習 C# 基礎：類別、屬性、方法、陣列、for 迴圈、if 判斷
   • 先用二維陣列寫出最簡單的狀態更新（非 OOP）
   • 將狀態顯示到 Console（簡單印出字元）
2. 進階者路徑：已有基礎如何深化？
   • 引入 World/Cell 類別，分離責任（封裝）
   • 在 Cell 中實作 FindNeighbors 與 OnNextStateChange
   • 在 World 中實作 GetCell 的邊界檢查與 ShowMaps 的統一輸出
   • 思考架構可擴充性：抽象介面、策略模式管理規則、初始化策略
3. 實戰路徑：如何應用到實際專案？
   • 將 Console 視圖替換為可插拔的 IRenderer（WPF/WinForms/Skia）
   • 抽離規則至 IRule（或策略）以支援多種生命規則與參數化
   • 增加世界邊界策略（封閉、環面、鏡射）與可配置大小/種子
   • 加入暫停/步進/快轉控制與資料持久化（載入/儲存版圖）

關鍵要點清單

• World 類別職責：管理二維空間中的 Cell 與提供存取與顯示介面（GetCell/ShowMaps）（優先級: 高）
• Cell 類別職責：封裝細胞狀態與生命規則的轉移邏輯（OnNextStateChange）（優先級: 高）
• 封裝原則：將規則與資料放在最接近的類別（Cell），降低主程式複雜度（優先級: 高）
• 鄰居搜尋：透過 Cell.FindNeighbors 從 World 取得 8 鄰居並處理邊界（優先級: 高）
• 邊界檢查：World.GetCell 對座標越界回傳 null，簡化鄰居過濾（優先級: 高）
• 主迴圈結構：以世代為單位遍歷所有 Cell 並更新狀態（優先級: 高）
• 視覺化輸出：World.ShowMaps 使用 Console 字元（●/○）顯示狀態（優先級: 中）
• 隨機初始化：Cell 以 Random 與機率參數設定初始存活（InitAliveProbability）（優先級: 中）
• 時間節奏控制：Thread.Sleep 控制每個世代的顯示節奏（優先級: 低）
• OOP 優勢：邏輯清楚、易於擴充，後續加入新規則與變體成本低（優先級: 高）
• 規則實作：四條生命遊戲規則（孤單死、擁擠死、穩定、復活）映射到條件分支（優先級: 高）
• 類別關係：Cell 依賴 World 存取鄰居，World 依賴 Cell 顯示狀態（優先級: 中）
• 顯示大小與座標：Console 視窗尺寸與 SetCursorPosition 需與世界大小對齊（優先級: 低）
• 擴充方向：抽象規則策略、替換渲染器、邊界策略、互動操作（優先級: 中）
• 代碼注意事項：Cell 建構式中 PosX 指派疑似錯誤（PosX = posY），須檢查與修正（優先級: 中）