這次我們使用 Python 來實現生命游戲，這是一種簡單的元胞自動機。基于一定規則，程序可以自動從當前狀態推演到下一狀態。制作的成品如下：

先來說說生命游戲的規則：

在生命游戲中，每個單元格有兩種狀態，生與死。在我們的實現中，黃色的單元格代表活著的細胞，紅色單元格表示死亡的細胞。而每一個細胞的下一狀態，是由該細胞及周圍的八個細胞的當前狀態決定的。

具體而言：

當前細胞為活細胞

周圍有兩個或者三個活細胞，下一世代，該細胞仍然活著。

周圍少于兩個活細胞，該細胞死于孤立。

周圍多于三個活細胞，該細胞死于擁擠。

當前細胞為死細胞

• 周圍恰好三個活細胞，下一世代，活細胞將繁殖到該單元格。

所需模塊

無需安裝的標準庫：

• argparse(命令行參數)
• enum(枚舉)

第三方庫：

• numpy
• matplotlib

導入模塊：

# 關注微信公眾號:Python高效編程，后臺回復`2019527`，獲取源代碼。 import argparse from enum import IntEnum import matplotlib.pyplot as plt import matplotlib.animation as animation # 制作動圖 import numpy as np

編程要點

首先，我們要知道細胞的生存空間是 N * N 的方陣，每個細胞都有兩種狀態：on, off。on 為 255，off 為 0。我們使用 numpy 產生 N * N 的方陣。np.random.choice 是在 State.on 和 State.off ，等概率隨機抽取一個元素構造 N * N 的方陣。

class State(IntEnum):on = 255off = 0def random_data(length = 4, seed = 420) -> np.array:np.random.seed(seed)return np.random.choice([State.off, State.on], size=(length, length), p=[0.5, 0.5])

其次我們要明白如何計算細胞周圍活細胞的個數，尤其是邊界一圈的細胞。我們可以采用余數的方式，假設棋盤大小為 9 * 9，那么對于左右邊界而言，左邊界的左邊一個元素的計算方式： - 1 % 9 = 8，自動折到右邊界上。將細胞周圍八個單元格的數值加起來，除以 255，就可以得到細胞周圍活細胞的個數。

def _count(data, row, col):shape = data.shape[0]up = (row - 1) % shapedown = (row + 1) % shaperight = (col + 1) % shapeleft = (col - 1) % shapereturn (data[up, right] + data[up, left] +data[down, right] + data[down, left] +data[row, right] + data[row, left] +data[up, col] + data[down, col]) // 255

接下來是對規則的翻譯，即根據當前世代的狀態，推演出下一世代，細胞的狀態。initial 為當前世代的矩陣，data為下一世代的矩陣，我們根據 initial 的數值，計算出 data 的數值。total 為周圍活細胞的個數，如果當前為活細胞，total 大于三或者小于二，下一世代就會死去。如果當前為死細胞，total 等于三，下一世代活細胞就會繁殖到該單元格上。

def count(initial, data, row, col):total = _count(initial, row, col)if initial[row, col]:if (total < 2) or (total > 3):data[row, col] = State.offelse:if total == 3:data[row, col] = State.on

接下來是制作動圖的過程，前面幾行是繪圖的基本操作。之后，我們使用到了 matplotlib.animation 的方法。其中，FuncAnimation 接受的參數含義：fig 為圖像句柄，generate 函數是我們更新每一幀圖像所需數據的函數，下面會有介紹，fargs 為 genrate 函數的除去第一個參數的其他參數，第一個參數由 FuncAnimation 指定 framenum（幀數） 傳給 generate 函數。frames 是幀數，interval 是更新圖像間隔，save_count 為從幀到緩存的值的數量。

如果指定保存路徑(html)，則保存為 html 動畫。

# 關注微信公眾號:Python高效編程，后臺回復`2019527`，獲取源代碼。 def update(data, save_name):update_interval = 50fig, ax = plt.subplots()ax.set_xticks([])ax.set_yticks([])img = ax.imshow(data, cmap='autumn', interpolation='nearest')ani = animation.FuncAnimation(fig, generate, fargs=(img, plt, data),frames=20,interval=update_interval,save_count=50)if save_name:ani.save(save_name, fps=30, extra_args=['-vcodec', 'libx264'])plt.show()

下面我們來看 generate 函數，NUM 為當迭代次數，frame_num 接收來自 FuncAnimation 的幀數。通過嵌套的 for 循環，我們逐個地更新方陣中各元素的狀態。

NUM = 0 # 關注微信公眾號:Python高效編程，后臺回復`2019527`，獲取源代碼。 def generate(frame_num, img, plt, initial):global NUMNUM += 1plt.title(f'{NUM} generation')data = initial.copy()rows, cols = data.shapefor row in range(rows):for col in range(cols):count(initial, data, row, col)img.set_data(data)initial[:] = data[:]return img

最后，我們可以通過命令行參數，運行我們的程序：

– size 參數為棋盤大小，–seed 為隨機種子，用于產生不同的隨機方陣。

python conway.py --size 50 --seed 18

高斯帕滑翔機槍(Gosper Glider Gun)

可將 --gosper 更改為 --glider 滑翔機。–save 為動圖保存的地址。

python conway.py --size 80 --gosper --save gosper.html

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的Python 实现生命游戏的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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