JavaScript 實(shí)現(xiàn)生命游戲
概念介紹
元胞自動(dòng)機(jī)(Cellular Automata),是 20 世紀(jì) 50 年代初由計(jì)算機(jī)之父馮·諾依曼(John von Neumann)為了模擬生命系統(tǒng)所具有的自復(fù)制功能而提出來的。
生命游戲(Game of Life),或者叫它的全稱 John Conway's Game of Life,是英國數(shù)學(xué)家約翰·康威在 1970 年代所發(fā)明的一種元胞自動(dòng)機(jī)。
邏輯規(guī)則
在二維平面方格里,每個(gè)細(xì)胞有兩種狀態(tài):存活或死亡,而下一時(shí)刻的狀態(tài)完全受它周圍 8 個(gè)細(xì)胞的狀態(tài)而定。
這個(gè)世界有三條演化規(guī)則:
- 當(dāng)周圍有 2 個(gè)存活細(xì)胞時(shí),該細(xì)胞生命狀態(tài)保持原樣;
- 當(dāng)周圍有 3 個(gè)存活細(xì)胞時(shí),該細(xì)胞為存活狀態(tài)(死亡細(xì)胞會(huì)復(fù)活);
- 當(dāng)周圍存活細(xì)胞低于 2 個(gè)時(shí)(生命數(shù)量稀少)或周圍超過 3 個(gè)存活細(xì)胞時(shí)(生命數(shù)量過多),該細(xì)胞為死亡狀態(tài)。
完整代碼
基本結(jié)構(gòu)
index.html // 主頁面,初始化系統(tǒng),控制系統(tǒng)運(yùn)行等 canvas.js // 渲染層,創(chuàng)建畫布,手動(dòng)繪制,畫布更新方法等 LifeGame.js // 邏輯層,創(chuàng)建運(yùn)行系統(tǒng),系統(tǒng)運(yùn)行邏輯,數(shù)據(jù)更新等
主要實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)配置:定義二維平面方格尺寸,data 中以 key,value 形式存儲(chǔ)了所有細(xì)胞的生命狀態(tài),execute 是 canvas.js 暴露出來的內(nèi)部方法,掛載到 config 對(duì)象上。
const config = {
width: 100, // 橫向細(xì)胞數(shù)量
height: 100, // 縱向細(xì)胞數(shù)量
size: 4 + 1, // 細(xì)胞大小,細(xì)胞間距 1px
speed: 200, // 細(xì)胞迭代速度
alive: '#000000', // 細(xì)胞存活顏色
dead: '#FFFFFF', // 世界顏色(細(xì)胞死亡顏色)
data: new Map(), // 系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)
execute, // 更新畫布方法
};
規(guī)則實(shí)現(xiàn):遍歷二維平面里每個(gè)細(xì)胞,拿到當(dāng)前的細(xì)胞狀態(tài),計(jì)算其周圍存活細(xì)胞的數(shù)量,判斷其下一時(shí)刻是存活還是死亡,并將這個(gè)狀態(tài)保存下來,通過調(diào)用渲染層的更新畫布方法 execute 來更新界面顯示。這里在處理 data 數(shù)據(jù)時(shí)沒有用二維數(shù)組表示二維坐標(biāo)系,而是將其轉(zhuǎn)換為一維線性表示,將數(shù)據(jù)保存在 Map 中。
// LifeGame.js
// 二維坐標(biāo)系一維線性表示
const MakeKey = (x = 0, y = 0) => y * 10000 + x;
function refreshWorld() {
const next = new Map(); // 更新后的系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)
// 迭代二維坐標(biāo)系所有元素
IterateCells(config, (x, y) => {
const index = MakeKey(x, y); // 計(jì)算坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的 key
const current = config.data.get(index); // 當(dāng)前細(xì)胞狀態(tài)
// 計(jì)算當(dāng)前細(xì)胞周圍存活細(xì)胞的數(shù)量
switch (borderSum(x, y)) {
case 2:
// 當(dāng)周圍有 2 個(gè)存活細(xì)胞時(shí),該細(xì)胞保持原樣。
next.set(index, current);
break;
case 3:
// 當(dāng)周圍有 3 個(gè)存活細(xì)胞時(shí),該細(xì)胞為存活狀態(tài)。
next.set(index, true);
!current && config.execute(x, y, true); // 狀態(tài)變化,更新畫布
break;
default:
// 當(dāng)周圍的存活細(xì)胞低于 2 個(gè)時(shí),該細(xì)胞為死亡狀態(tài)。(生命數(shù)量稀少)
// 當(dāng)周圍有超過 3 個(gè)存活細(xì)胞時(shí),該細(xì)胞為死亡狀態(tài)。(生命數(shù)量過多)
next.set(index, false);
current && config.execute(x, y, false); // 狀態(tài)變化,更新畫布
break;
}
return true;
});
return next;
}
系統(tǒng)的啟動(dòng)與停止
// LifeGame.js
// 開啟系統(tǒng)
function startWorld() {
stopWorld(); // 停止之前啟動(dòng)的循環(huán)
// 根據(jù)迭代速度啟動(dòng)系統(tǒng),循環(huán)更新系統(tǒng)
interval = setInterval(() => (config.data = refreshWorld()), config.speed || 500);
starting = true; // 開啟啟動(dòng)標(biāo)識(shí)
return true;
}
// 關(guān)閉系統(tǒng),當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)保留
function stopWorld() {
clearInterval(interval); // 停止循環(huán)
starting = false; // 關(guān)閉啟動(dòng)標(biāo)識(shí)
return true;
}
計(jì)算存活細(xì)胞方法
// LifeGame.js
function borderSum(x = 0, y = 0) {
const { width, height, data } = config;
let sum = 0;
for (let j = y - 1; j <= y + 1; j++) {
for (let i = x - 1; i <= x + 1; i++) {
// 邊界判斷
if (i < 0 || j < 0 || i >= width || j >= height || (i === x && j === y)) {
continue;
}
if (data.get(MakeKey(i, j))) {
sum++; // 存活細(xì)胞數(shù)量累加
}
}
}
return sum;
}
迭代二維坐標(biāo)系方法
/**
* 迭代二維坐標(biāo)系所有元素,執(zhí)行回調(diào)函數(shù)
* @param config: { width: number, height: number }
* @param callback: (x: number, y: number) => boolean
*/
const IterateCells = ({ width, height }, callback) => {
for (let y = 0; y < height; y++) {
for (let x = 0; x < width; x++) {
if (callback && !callback(x, y)) {
return false;
}
}
}
return true;
};
更新畫布方法
// canvas.js
function execute(x, y, life) {
const { size, alive, dead } = config;
// 設(shè)置細(xì)胞顏色
context.fillStyle = life ? alive : dead;
// 繪制細(xì)胞,細(xì)胞間距 1px
context.fillRect(x * size + 1, y * size + 1, size - 1, size - 1);
return true;
}
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