The Nature of Code閱讀心得與Python實作：7.5 Object-Oriented Cells

這一節要用物件導向的方式來寫「生命遊戲」。

既然先前沒有用物件導向的方式來寫都可以處理得很好，那為什麼要用物件導向的方式來寫呢？簡單來說，那是因為使用物件導向式的寫法，可以創造更多的可能性！

要用物件導向的方式來寫「生命遊戲」，第一步當然就是要先造出能夠描述細胞的類別。假設類別的名稱是Cell，而屬性有細胞的狀態、位置、尺寸等，則Cell類別可以這樣設計：

class Cell:
    def __init__(self, state, x, y, cell_size):
        self.screen = pygame.display.get_surface()

        # 當前狀態
        self.state = state
        # 前一世代時的狀態
        self.previous = state
        
        self.x = x
        self.y = y
        self.cell_size = cell_size

在非物件導向式的寫法中，我們是用兩個2D的list來記錄細胞在當前及下一世代時的狀態。在使用物件導向式寫法時，我們稍微改變一下，改成記錄細胞在當前及前一世代時的狀態。要注意的是，因應這樣子的改變，計算細胞當前狀態值的寫法也必須跟著調整；至於要怎麼個調整法，後面再來詳細說明。

先前提到過，利用物件導向式的寫法，可以創造出更多的可能性。例如，我們可以讓細胞在改變狀態時，呈現出有別於黑、白這兩種分別代表生、死的顏色。假設我們要讓細胞在活過來時變成藍色，而由生轉死的時候變成紅色，只要在Cell類別中加入下面這個方法就可以了：

def show(self):
    rect = pygame.Rect(self.x, self.y, self.cell_size, self.cell_size)
    if self.previous == 0 and self.state == 1:
        # 活過來的細胞塗上藍色
        pygame.draw.rect(screen, (0, 0, 255), rect)
    elif self.previous == 1 and self.state == 0:
        # 由生轉死的細胞塗上紅色
        pygame.draw.rect(screen, (255, 0, 0), rect)
    elif self.state == 1:
        pygame.draw.rect(screen, (0, 0, 0), rect)
    else:   
        pygame.draw.rect(screen, (0, 0, 0), rect, 1)

有了Cell這個類別之後，就可以造出一個個的細胞物件，並讓它們排列成棋盤狀。不過，這一個個的細胞物件，要用什麼樣的資料結構來處理呢？答案很簡單，就把它們放進一個2D的list中就可以了；這跟前面非物件導向式的寫法其實也沒什麼太大的不同。非物件導向式的寫法是把細胞的狀態放到2D的list中，而物件導向式的寫法，則是把細胞本身，也就是細胞物件，放到2D的list中。要把細胞物件放到2D的list中，程式可以這樣寫：

board = [[Cell(0, j*cell_size, i*cell_size, cell_size) for j in range(columns)] for i in range(rows)]

這樣子，board中的每個元素，就都是當前及前一世代的狀態值皆為0的細胞，而其排列的方式，也會對應到細胞實際上棋盤式的排列方式。

造好board這個2D list之後，要怎麼設定「生命遊戲」的初始樣式呢？假設邊緣細胞自始至終都是死的，而其他細胞的初始狀態則是隨機的；根據這樣子的設定，程式可以這樣寫：

for i in range(1, rows-1):
    for j in range(1, columns-1):
        board[i][j].previous = board[i][j].state = random.randint(0, 1) 

這裡要注意的是，必須把previous這個屬性的值，設定成和初始狀態值一樣，這樣子在接下來進行第一次迭代的時候，才能夠利用它來計算細胞新的狀態值。

計算細胞新狀態值的寫法，其實和非物件導向式的寫法差不多；重點在於，用於計算的狀態值現在是存放在previous這個屬性中。假設現在要計算board[i][j]這個細胞的新狀態值，程式可以這樣寫：

# 計算活著的鄰居數量
neighbor_sum = sum(cell.previous for cell in board[i-1][j-1:j+2]) + sum(cell.previous for cell in board[i][j-1:j+2:2]) + sum(cell.previous for cell in board[i+1][j-1:j+2])    

# 依據規則決定細胞的新狀態
if board[i][j].previous == 1 and (neighbor_sum >= 4 or neighbor_sum <= 1):
    # 規則 1
    board[i][j].state = 0
elif board[i][j].previous == 0 and neighbor_sum == 3:
    # 規則 2
    board[i][j].state = 1
else:
    # 規則 3
    board[i][j].state = board[i][j].previous

利用上面提到的方式，就可以把「生命遊戲」改成以物件導向的方式來寫。下面的例子就是以物件導向方式寫成的「生命遊戲」。

Example 7.3: Object-Oriented Game of Life

class Cell:
    def __init__(self, state, x, y, cell_size):
        self.screen = pygame.display.get_surface()

        # 當前狀態
        self.state = state
        # 前一世代時的狀態
        self.previous = state
        
        self.x = x
        self.y = y
        self.cell_size = cell_size
        
    def show(self):
        rect = pygame.Rect(self.x, self.y, self.cell_size, self.cell_size)
        if self.previous == 0 and self.state == 1:
            # 活過來的細胞塗上藍色
            pygame.draw.rect(screen, (0, 0, 255), rect)
        elif self.previous == 1 and self.state == 0:
            # 由生轉死的細胞塗上紅色
            pygame.draw.rect(screen, (255, 0, 0), rect)
        elif self.state == 1:
            pygame.draw.rect(screen, (0, 0, 0), rect)
        else:   
            pygame.draw.rect(screen, (0, 0, 0), rect, 1)


# python version 3.10.9
import random
import sys

import pygame  # version 2.3.0

    
pygame.init()

pygame.display.set_caption("Example 7.3: Object-Oriented Game of Life")

WHITE = (255, 255, 255)

screen_size = WIDTH, HEIGHT = 640, 240
screen = pygame.display.set_mode(screen_size)

FPS = 10
frame_rate = pygame.time.Clock()

# 細胞方塊邊長
cell_size = 10

columns, rows = WIDTH//cell_size, HEIGHT//cell_size

board = [[Cell(0, j*cell_size, i*cell_size, cell_size) for j in range(columns)] for i in range(rows)]

# 設定初始樣式
for i in range(1, rows-1):
    for j in range(1, columns-1):
        board[i][j].previous = board[i][j].state = random.randint(0, 1)     

screen.fill(WHITE)
        
# 畫出初始樣式
for i in range(rows):
    for j in range(columns):
        board[i][j].show()        
        
while True:
    for event in pygame.event.get():
        if event.type == pygame.QUIT:
            pygame.quit()
            sys.exit()    

    screen.fill(WHITE)

    # 計算細胞新的狀態；排除位於邊緣的細胞
    for i in range(1, rows-1):
        for j in range(1, columns-1):
            # 計算活著的鄰居數量
            neighbor_sum = sum(cell.previous for cell in board[i-1][j-1:j+2]) +  \
                           sum(cell.previous for cell in board[i][j-1:j+2:2]) +  \
                           sum(cell.previous for cell in board[i+1][j-1:j+2])    
            
            # 依據規則決定細胞的新狀態
            if board[i][j].previous == 1 and (neighbor_sum >= 4 or neighbor_sum <= 1):
                # 規則 1
                board[i][j].state = 0
            elif board[i][j].previous == 0 and neighbor_sum == 3:
                # 規則 2
                board[i][j].state = 1
            else:
                # 規則 3
                board[i][j].state = board[i][j].previous

    # 畫出細胞並記錄其狀態
    for i in range(rows):
        for j in range(columns):
            board[i][j].show()
            board[i][j].previous = board[i][j].state
    
    pygame.display.update()
    frame_rate.tick(FPS)