JavaScript 實現生命遊戲

概念介紹

元胞自動機(Cellular Automata),是 20 世紀 50 年代初由計算機之父馮·諾依曼(John von Neumann)為瞭模擬生命系統所具有的自復制功能而提出來的。

生命遊戲(Game of Life),或者叫它的全稱 John Conway’s Game of Life,是英國數學傢約翰·康威在 1970 年代所發明的一種元胞自動機。

邏輯規則

在二維平面方格裡,每個細胞有兩種狀態:存活或死亡,而下一時刻的狀態完全受它周圍 8 個細胞的狀態而定。

這個世界有三條演化規則:

  1. 當周圍有 2 個存活細胞時,該細胞生命狀態保持原樣;
  2. 當周圍有 3 個存活細胞時,該細胞為存活狀態(死亡細胞會復活);
  3. 當周圍存活細胞低於 2 個時(生命數量稀少)或周圍超過 3 個存活細胞時(生命數量過多),該細胞為死亡狀態。

完整代碼

焚霜 / LifeGame

演示頁面

基本結構

index.html   // 主頁面,初始化系統,控制系統運行等
canvas.js    // 渲染層,創建畫佈,手動繪制,畫佈更新方法等
LifeGame.js  // 邏輯層,創建運行系統,系統運行邏輯,數據更新等

主要實現

系統配置:定義二維平面方格尺寸,data 中以 key,value 形式存儲瞭所有細胞的生命狀態,execute 是 canvas.js 暴露出來的內部方法,掛載到 config 對象上。

  const config = {
    width: 100, // 橫向細胞數量
    height: 100, // 縱向細胞數量
    size: 4 + 1, // 細胞大小,細胞間距 1px
    speed: 200, // 細胞迭代速度
    alive: '#000000', // 細胞存活顏色
    dead: '#FFFFFF', // 世界顏色(細胞死亡顏色)
    data: new Map(), // 系統運行數據
    execute, // 更新畫佈方法
  };

規則實現:遍歷二維平面裡每個細胞,拿到當前的細胞狀態,計算其周圍存活細胞的數量,判斷其下一時刻是存活還是死亡,並將這個狀態保存下來,通過調用渲染層的更新畫佈方法 execute 來更新界面顯示。這裡在處理 data 數據時沒有用二維數組表示二維坐標系,而是將其轉換為一維線性表示,將數據保存在 Map 中。

  // LifeGame.js

  // 二維坐標系一維線性表示
  const MakeKey = (x = 0, y = 0) => y * 10000 + x;

  function refreshWorld() {
    const next = new Map(); // 更新後的系統運行數據
    // 迭代二維坐標系所有元素
    IterateCells(config, (x, y) => {
      const index = MakeKey(x, y); // 計算坐標對應的 key
      const current = config.data.get(index); // 當前細胞狀態
      // 計算當前細胞周圍存活細胞的數量
      switch (borderSum(x, y)) {
        case 2:
          // 當周圍有 2 個存活細胞時,該細胞保持原樣。
          next.set(index, current);
          break;
        case 3:
          // 當周圍有 3 個存活細胞時,該細胞為存活狀態。
          next.set(index, true);
          !current && config.execute(x, y, true); // 狀態變化,更新畫佈
          break;
        default:
          // 當周圍的存活細胞低於 2 個時,該細胞為死亡狀態。(生命數量稀少)
          // 當周圍有超過 3 個存活細胞時,該細胞為死亡狀態。(生命數量過多)
          next.set(index, false);
          current && config.execute(x, y, false); // 狀態變化,更新畫佈
          break;
      }
      return true;
    });
    return next;
  }

系統的啟動與停止

  // LifeGame.js
  
  // 開啟系統
  function startWorld() {
    stopWorld(); // 停止之前啟動的循環
    // 根據迭代速度啟動系統,循環更新系統
    interval = setInterval(() => (config.data = refreshWorld()), config.speed || 500);
    starting = true; // 開啟啟動標識
    return true;
  }

  // 關閉系統,當前系統運行數據保留
  function stopWorld() {
    clearInterval(interval); // 停止循環
    starting = false; // 關閉啟動標識
    return true;
  }

計算存活細胞方法

  // 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++; // 存活細胞數量累加
        }
      }
    }
    return sum;
  }

迭代二維坐標系方法

/**
 * 迭代二維坐標系所有元素,執行回調函數
 * @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;
};

更新畫佈方法

  // canvas.js
  
  function execute(x, y, life) {
    const { size, alive, dead } = config;
    // 設置細胞顏色
    context.fillStyle = life ? alive : dead;
    // 繪制細胞,細胞間距 1px
    context.fillRect(x * size + 1, y * size + 1, size - 1, size - 1);

    return true;
  }

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