The Nature of Code閱讀心得與Python實作：4.3 A List of Particles

2024/10/04閱讀時間約 9 分鐘

這一節原書的標題是
4.3 An Array of Particles
因為改用List來處理，所以就把標題改成 A List of Particles

有了描述個別粒子的Particle類別之後，這一節就來看看要怎麼做，才能同時掌握許多粒子的動向，特別是這些粒子的數量是隨時都在變動的。

要同時處理數量不定的許多粒子，可以使用for迴圈搭配list這個資料結構，藉由list的append()和remove()這兩個方法，就可以隨心所欲增加或減少粒子的數量。不過，在for迴圈裡頭操控list的元素得特別小心，不然可是會出亂子的。

先來看看在for迴圈裡頭使用list的append()方法，會有可能出現什麼問題。假設particles是個list，裡頭放了一些由Particle類別所製造出來出來的粒子。執行下面的程式之後，會發生什麼事呢？

for particle in particles:
    particle.update()
    particle.show()
    particles.append(Particle(1, 320, 50))

執行上面那段程式之後會發現，那是個無窮迴圈，particles中的元素會越來越多！為什麼呢？因為每次執行particle.update()、particle.show()處理完一個粒子之後，後面就會再生一個出來，等下一個處理完，它又會再冒一個出來；最後的結果就是：因為永遠有新的粒子生出來等著被處理，所以這個for迴圈就永遠跑不完。

上面那個例子很極端，發作時的症狀很明顯，很容易就會知道有問題。道理很簡單，因為粒子的數量會越來越多，吃掉的系統資源也會越來越多，最後會導致電腦不堪負荷而讓程式掛掉。接下來的這個例子，不會有這麼嚴重的後果，但卻因為症狀不明顯，而很容易被疏忽掉。

下面這段程式，最後會印出什麼呢？是[4, 5]嗎？

a = [1, 2, 3, 4, 5]
for i in a:
    if i<=3:
        a.remove(i)

print(a)

答案是，會印出[2, 4, 5]。為什麼？到底發生了什麼事？

一開始的時候，也就是當我們位於a[0]時，因為a[0]的值是1，所以我們把1這個元素從a中移除。這時候，a會變成[2, 3, 4, 5]，而我們還是在a[0]這個位置。

既然a[0]已經處理過了，不管實際上a變成什麼樣子，反正接下來當然就是要處理a[1]，也就是3。因為3<=3，所以把3也移除，a變成[2, 4, 5]。

a[1]處理過了，再來就是處理a[2]，也就是5。因為5>3，所以沒有被移除，最後剩下的，就是[2, 4, 5]。

稍微精簡一下這過程：

位置在a[0]，這時a=[1, 2, 3, 4, 5]。移除a[0]，也就是1，a變成[2, 3, 4, 5]，位置a[0]處理完畢。

位置移到a[1]，這時a=[2, 3, 4, 5]。移除a[1]，也就是3，a變成[2, 4, 5]，位置a[1]處理完畢。

位置移到a[2]，這時a=[2, 4, 5]。a[2]，也就是5，不用移除，a不變，還是[2, 4, 5]，位置a[2]處理完畢。

a[2]已經處理完了，接下來應該處理a[3]，但現在a=[2, 4, 5]，沒有a[3]，所以工作結束，for迴圈執行完畢。

從上面的分析可以知道，利用for迴圈來逐個處理list的元素時，就只會一個位置一個位置依序地處理過去，一個位置就只處理一次，不管已經處理過的那個位置中的內容，是不是有變動，絕不回頭處理第二次。

雖然說在迴圈中移除list的元素會有上述的問題，但以我們要處理的粒子系統來說，這樣並不會造成像當機這類嚴重的問題；這是因為粒子的數量是一直在變動的，某個粒子即便在這次沒處理到，下次總有機會輪到它。

儘管在迴圈中移除list的元素不會造成太大的問題，但也不該放著不管，畢竟問題不管大小，它就是個問題。既然知道有問題，就應該想辦法解決，而解決的辦法，其實也非常簡單，看是要用相反的順序來處理list的元素，或者是建立一個list的副本，然後檢查副本的元素而移除正本的元素，都可以。

用相反的順序來處理list的元素，也就是本來是由左至右依序處理，現在改成由右至左來處理，程式可以這樣寫：

for i in range(len(a)-1,-1,-1):
    if a[i] <= 3:
        a.remove(a[i])

這個寫法的缺點是不容易閱讀，而且萬一元素的處理順序不能改變，一定要由左至右處理，那就行不通了。

用建立副本的方式來寫，可以寫成這樣：

for i in a.copy():
    if i<=3:
        a.remove(i)

這裡的a.copy()，也可以改用a[:]。這個寫法比較容易閱讀，而且也不用擔心元素處理順序的問題。

除了建立副本的寫法之外，也可以利用filter()函數來把要留下來的元素抽出來：

a = list(filter(lambda x: x>3, a))

這樣子寫，也就相當於是把不要的元素移除掉，只留下需要的元素。

下面這個不斷有粒子產生、消失的範例，是利用建立副本的方式來移除壽命已到的粒子。

Example 4.2: ~~An Array~~ A List of Particles

# python version 3.10.9
import random
import sys

import pygame  # version 2.3.0


pygame.init()

pygame.display.set_caption("Example 4.2: A List of Particles")

WHITE = (255, 255, 255)

screen_size = 640, 360
screen = pygame.display.set_mode(screen_size)

FPS = 60
frame_rate = pygame.time.Clock()

particles = []

gravity = pygame.Vector2(0, 0.05)

while True:
    for event in pygame.event.get():
        if event.type == pygame.QUIT:
            pygame.quit()
            sys.exit()
    
    screen.fill(WHITE)    

    particles.append(Particle(320, 50, 1))

    for particle in particles.copy():
        particle.apply_force(gravity)

        particle.update()
        if particle.is_dead():
            # 移除壽命已到的粒子
            particles.remove(particle)
        else:
            particle.show()
    
    for particle in particles:
        particle.apply_force(gravity)
        particle.update()    
    
    for particle in particles:
        particle.show()

    pygame.display.update()
    frame_rate.tick(FPS)

在移除壽命已到的粒子時，如果要用filter()來寫，那就要把for迴圈部分改成

for particle in particles:
    particle.apply_force(gravity)
    particle.update()    

# 移除壽命已到的粒子
particles = list(filter(lambda particle: not particle.is_dead(), particles))

for particle in particles:
    particle.show()