Python 生命游戏
Hann Yang 人气:0生命游戏(Game of Life)
由剑桥大学约翰·何顿·康威设计的计算机程序。美国趣味数学大师马丁·加德纳(Martin Gardner，1914-2010）通过《科学美国人》杂志，将康威的生命游戏介绍给学术界之外的广大渎者，一时吸引了各行各业一大批人的兴趣，这时细胞自动机课题才吸引了科学家的注意。
游戏概述
用一个二维表格表示“生存空间”，空间的每个方格中都可放置一个生命细胞，每个生命细胞只有两种状态：“生”或“死”。用绿色方格表示该细胞为“生”，空格(白色)表示该细胞为“死”。或者说方格网中绿色部分表示某个时候某种“生命”的分布图。生命游戏想要模拟的是：随着时间的流逝，这个分布图将如何一代一代地变化。死亡太沉重，我想称它为“湮灭”状态。
生存定律
生存空间的每个方格都存在一个细胞，它的周边紧邻的8个方格上的称为邻居细胞。
(1)当前细胞为湮灭状态时，当周围有３个存活细胞时，则迭代后该细胞变成存活状态(模拟繁殖)。
(2)当前细胞为存活状态时，当周围的邻居细胞少于２个存活时，该细胞变成湮灭状态(数量稀少)。
(3)当前细胞为存活状态时，当周围有３个以上的存活细胞时，该细胞变成湮灭状态(数量过多)。
(4)当前细胞为存活状态时，当周围有２个或３个存活细胞时，该细胞保持原样。
简单来说，活细胞Cell看作是‘1’，死Cell看作‘0’，8个邻居的累加和Sum决定了下一轮的状态：
“繁殖”：死Cell=0，若Sum=3，则Cell=1。
“稀少”：活Cell=1，若Sum<2，则Cell=0。
“过多”：活Cell=1，若Sum>3，则Cell=0。
“正常”：活Cell=1，若Sum=2或3，则Cell=1。
生存空间中生命的繁殖和湮灭，如下图所示：
图形结构
在游戏进行中，杂乱无序的细胞会逐渐演化出各种精致、有形的图形结构；这些结构往往有很好的对称性，而且每一代都在变化形状。一些形状一经锁定就不会逐代变化。有时，一些已经成形的结构会因为一些无序细胞的“入侵”而被破坏。但是形状和秩序经常能从杂乱中产生出来。
通常会有以下四种状态：
不动点（fixed points）：变化终结于恒定图像
交替态（alternation）：图像出现周期性变化
随机态（randomness）：图像变化近乎随机
复杂态（complexity）：图像存在某种复杂规律
常见的不动结构：
周期变化的结构：
逐步趋向湮灭的结构：
由一根10个连续细胞演化出来的周期结构：
动态变化后全部湮灭的结构：
移动的飞船：周期变化且逐渐向右平移
飞船到了边界变成向对角线移动的“滑翔者”，滑翔者到了边界成为不动的方块。
更多有趣的图形结构有待发现，用代码来辅助这项工作还是比较方便的.....
代码实现
用tkinter库实现了软件界面，画布、按钮、标签等控件都是配角，全是为表现生命繁殖演化的核心代码类方法 Lifes.reproduce() 作帮手的，源代码lifegame.pyw如下：
from tkinter import messagebox as msgbox
import tkinter as tk
import webbrowser
import random
class Lifes:
def __init__(self, rows=38, cols=38):
self.row = rows
self.col = cols
self.items = [[0]*self.col for _ in range(self.row)]
self.histroy = []
self.histroySize = 30
self.running = False
self.runningSpeed = 100
def rndinit(self, rate=0.1):
self.histroy = []
for i in range(self.row):
for j in range(self.col):
rnd = random.random()
if rnd > 1-rate:
self.items[i][j]=1
def reproduce(self):
new = [[0]*self.col for _ in range(self.row)]
self.add_histroy()
if len(self.histroy) > self.histroySize:
self.histroy.pop(0)
for i in range(self.row):
for j in range(self.col):
if i*j==0 or i==self.row-1 or j==self.col-1:
new[i][j]=0
else:
lifes=0
for m in range(i-1,i+2):
for n in range(j-1,j+2):
if m==i and n==j:
continue
lifes += self.items[m][n]
if self.items[i][j]:
if lifes==2 or lifes==3:
new[i][j]=1
else:
new[i][j]=0
else:
if lifes==3:
new[i][j]=1
for idx,narray in enumerate(new):
self.items[idx] = narray
def is_stable(self):
if len(self.histroy)<self.histroySize:
return False
arr = []
for i in self.histroy:
if i not in arr:
arr.append(i)
if len(arr)<10:
return True
def add_histroy(self, Items=None):
arr = []
if Items==None:
Items=self.items[:]
for item in Items:
b = 0
for i,n in enumerate(item[::-1]):
b += n*2**i
arr.append(b)
self.histroy.append(arr)
def drawCanvas():
global tv,rect
tv = tk.Canvas(win, width=win.winfo_width(), height=win.winfo_height())
tv.pack(side = "top")
for i in range(36):
coord = 40, 40, 760, i*20 + 40
tv.create_rectangle(coord)
coord = 40, 40, i*20 + 40, 760
tv.create_rectangle(coord)
coord = 38, 38, 760, 760
tv.create_rectangle(coord,width=2)
coord = 39, 39, 760, 760
tv.create_rectangle(coord,width=2)
coord = 38, 38, 762, 762
tv.create_rectangle(coord,width=2)
R,XY = 8,[50+i*20 for i in range(36)]
rect = [[0]*36 for _ in range(36)]
for i,x in enumerate(XY):
for j,y in enumerate(XY):
rect[i][j] = tv.create_rectangle(x-R,y-R,x+R,y+R,tags=('imgButton1'))
tv.itemconfig(rect[i][j],fill='lightgray',outline='lightgray')
tv.tag_bind('imgButton1','<Button-1>',on_Click)
def drawLifes():
R,XY = 8,[50+i*20 for i in range(36)]
if Life.running:
for i,x in enumerate(XY):
for j,y in enumerate(XY):
if Life.items[i+1][j+1]:
tv.itemconfig(rect[i][j],fill='green',outline='green')
else:
tv.itemconfig(rect[i][j],fill='lightgray',outline='lightgray')
tv.update()
Life.reproduce()
if Life.is_stable():
Life.running = False
if sum(sum(Life.items,[])):
msgbox.showinfo('Message','生命繁殖与湮灭进入稳定状态！！！')
else:
msgbox.showinfo('Message','生命全部湮灭，进入死亡状态！！！')
win.after(Life.runningSpeed, drawLifes)
def StartLife():
if sum(sum(Life.items,[])):
Life.histroy = []
Life.running = True
else:
msgbox.showinfo('Message','请点击小方块填入生命细胞，或者使用随机功能！')
def BreakLife():
Life.running = not Life.running
if Life.running:
Life.histroy.clear()
Life.add_histroy()
def RandomLife():
Life.rndinit()
Life.running = True
def ClearLife():
Life.running = False
Life.histroy = []
Life.items = [[0]*38 for _ in range(38)]
for x in range(36):
for y in range(36):
tv.itemconfig(rect[x][y],fill='lightgray',outline='lightgray')
def on_Enter(event):
tCanvas.itemconfig(tVisit, fill='magenta')
def on_Leave(event):
tCanvas.itemconfig(tVisit, fill='blue')
def on_Release(event):
url = 'https://blog.csdn.net/boysoft2002?type=blog'
webbrowser.open(url, new=0, autoraise=True)
def on_Click(event):
x,y = (event.x-40)//20,(event.y-40)//20
if not Life.running:
if Life.items[x+1][y+1]:
tv.itemconfig(rect[x][y],fill='lightgray',outline='lightgray')
else:
tv.itemconfig(rect[x][y],fill='red',outline='red')
Life.items[x+1][y+1] = not Life.items[x+1][y+1]
def on_Close():
if msgbox.askokcancel("Quit","Do you want to quit?"):
Life.running = False
print(Copyright())
win.destroy()
def Introduce():
txt = '''【生命游戏】\n\n生存定律：
(1)当前细胞为湮灭状态时，当周围有３个存活细胞时，则迭代后该细胞变成存活状态(模拟繁殖)。
(2)当前细胞为存活状态时，当周围的邻居细胞少于２个存活时，该细胞变成湮灭状态(数量稀少)。
(3)当前细胞为存活状态时，当周围有３个以上的存活细胞时，该细胞变成湮灭状态(数量过多)。
(4)当前细胞为存活状态时，当周围有２个或３个存活细胞时，该细胞保持原样。'''
return txt
def Copyright():
return 'Lifes Game Ver1.0\nWritten by HannYang, 2022/08/01.'
if __name__ == '__main__':
win = tk.Tk()
X,Y = win.maxsize()
W,H = 1024,800
winPos = f'{W}x{H}+{(X-W)//2}+{(Y-H)//2}'
win.geometry(winPos)
win.resizable(False, False)
win.title('生命游戏 Ver1.0')
win.update()
drawCanvas()
Life = Lifes()
drawLifes()
tLabel = tk.Label(win, width=30, height=20, background='lightgray')
tLabel.place(x=780, y=38)
tLabel.config(text='\n\n\n'.join((Introduce(),Copyright())))
tLabel.config(justify=tk.LEFT,anchor="nw",borderwidth=10,wraplength=210)
bX,bY,dY = 835, 458, 50
tButton0 = tk.Button(win, text=u'开始', command=StartLife)
tButton0.place(x=bX, y=bY+dY*0 ,width=120,height=40)
tButton1 = tk.Button(win, text=u'暂停', command=BreakLife)
tButton1.place(x=bX, y=bY+dY*1 ,width=120,height=40)
tButton2 = tk.Button(win, text=u'随机', command=RandomLife)
tButton2.place(x=bX, y=bY+dY*2 ,width=120,height=40)
tButton3 = tk.Button(win, text=u'清空', command=ClearLife)
tButton3.place(x=bX, y=bY+dY*3 ,width=120,height=40)
tCanvas = tk.Canvas(win, width=200, height=45)
tCanvas.place(x=800,y=716)
tVisit = tCanvas.create_text((88, 22), text=u"点此访问Hann's CSDN主页!")
tCanvas.itemconfig(tVisit, fill='blue', tags=('btnText'))
tCanvas.tag_bind('btnText','<Enter>',on_Enter)
tCanvas.tag_bind('btnText','<Leave>',on_Leave)
tCanvas.tag_bind('btnText','<ButtonRelease-1>',on_Release)
win.protocol("WM_DELETE_WINDOW", on_Close)
win.mainloop()编译命令
D:\> pyinstaller -F lifegame.pyw --noconsole
运行界面
使用简介
在生存空间里点击方格种植细胞（甚至可以画出你要表达的图形），然后点击开始；点下暂停键，则可以任意编辑生命图形，再点开始继续运行；点随机键则由软件随机生成细胞位置；清空键可以在任何时候清空生存空间，进入暂停编辑状态。
后续改进
Lifes类预留了histroy属性，后续可以增加回退功能；代码缺点是生存空间的行列被我写死了，以后版本中可以改进成任意定义行列数；另一个缺点是对稳定状态的判断比较简单，之后可以增加计算变化周期的功能。
优点就是可以任意编辑你的图形，最后以一张自己的网名画的图作收尾：
前部分介绍性文字来源于百度百科等网络资源
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