LifeGame Python

使用 Python 和 Pygame 实现生命游戏

0. 教学目标

通过本实验，学习：

• 使用 二维数组表示离散网格世界

• 理解并实现 生命游戏的局部规则 → 全局演化

• 使用 Pygame 进行基础的二维图形显示

• 使用 键盘事件控制程序行为

• 将一个问题分解为：
  数据结构 → 规则函数 → 显示函数 → 主循环

---

1. 什么是生命游戏（Conway’s Game of Life）

生命游戏是一个离散、确定性、无随机的元胞自动机：

• 空间：二维网格

• 时间：离散时间步

• 每个格子（细胞）只有两种状态：

  • 活 (1)

  • 死 (0)

1.1 演化规则（只依赖局部）

对每个细胞，统计它周围 8 个邻居 中活细胞的数量：

当前状态	活邻居数	下一状态
活	2 或 3	活
活	其他	死
死	3	活
死	其他	死

重要思想：

全局复杂行为来自简单的局部规则

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2. 程序整体结构设计

在开始写代码前，先规划模块结构：

生命游戏程序
│
├── 参数设置（网格大小、颜色）
├── 二维数组表示网格
├── 邻居统计函数
├── 下一代计算函数
├── Pygame 绘制函数
└── 主循环（事件处理 + 显示）

---

3. 第一步：准备环境和基本参数

3.1 安装并导入库

pip install pygame

import pygame
import random

---

3.2 定义网格和显示参数

CELL_SIZE = 10          # 每个细胞在屏幕上的像素大小
GRID_WIDTH = 80         # 网格列数
GRID_HEIGHT = 60        # 网格行数

SCREEN_WIDTH = GRID_WIDTH * CELL_SIZE
SCREEN_HEIGHT = GRID_HEIGHT * CELL_SIZE

解释：

• 我们的“世界”是逻辑网格

• Pygame 显示的是像素

• 一个细胞 ↔ 一个矩形

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3.3 定义细胞状态和颜色

ALIVE = 1
DEAD = 0

COLOR_BG = (0, 0, 0)
COLOR_CELL = (255, 255, 255)
COLOR_GRID = (40, 40, 40)

---

4. 第二步：用二维数组表示生命世界

4.1 二维数组的含义

grid[y][x]

• y：第几行

• x：第几列

• 值：0 或 1

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4.2 随机初始化网格

def random_grid():
    grid = []  # 用来存放整个二维网格（每一行是一个列表）

    for y in range(GRID_HEIGHT):
        row = []  # 当前行
        for x in range(GRID_WIDTH):
            cell = random.choice([ALIVE, DEAD])
            row.append(cell)
        grid.append(row)

    return grid

更优雅的写法：

def random_grid():
    return [
        [random.choice([ALIVE, DEAD]) for _ in range(GRID_WIDTH)]
        for _ in range(GRID_HEIGHT)
    ]

教学要点：

• 外层列表 → 行

• 内层列表 → 列

• 每个位置随机赋值

---

5. 第三步：统计邻居数量（核心逻辑之一）

5.1 邻域定义

每个细胞有 8 个邻居：

(-1,-1) (0,-1) (1,-1)
(-1, 0)   X    (1, 0)
(-1, 1) (0, 1) (1, 1)

---

5.2 邻居统计函数

def count_neighbors(grid, x, y):
    count = 0
    for dy in [-1, 0, 1]:
        for dx in [-1, 0, 1]:
            if dx == 0 and dy == 0:
                continue
            nx, ny = x + dx, y + dy
            if 0 <= nx < GRID_WIDTH and 0 <= ny < GRID_HEIGHT:
                count += grid[ny][nx]
    return count

逐行解释：

• 两层循环遍历 3×3 区域

• 排除自身

• 检查是否越界

• 累加存活细胞数

---

6. 第四步：计算下一代网格

6.1 为什么不能原地修改？

• 当前状态 → 决定下一状态

• 如果边算边改，会影响后续计算

解决方案：

使用一个新的二维数组

---

6.2 下一代计算函数

def next_generation(grid):
    new_grid = [
        [DEAD for _ in range(GRID_WIDTH)]
        for _ in range(GRID_HEIGHT)
    ]

    for y in range(GRID_HEIGHT):
        for x in range(GRID_WIDTH):
            neighbors = count_neighbors(grid, x, y)
            if grid[y][x] == ALIVE:
                if neighbors in (2, 3):
                    new_grid[y][x] = ALIVE
            else:
                if neighbors == 3:
                    new_grid[y][x] = ALIVE

    return new_grid

教学重点：

• 规则直接翻译成代码

• 清晰的 if / else 逻辑

• 新旧网格分离

---

7. 第五步：使用 Pygame 显示网格

7.1 显示原理

• 一个细胞 → 一个矩形

• 坐标换算：

屏幕 x = 网格列 * CELL_SIZE
屏幕 y = 网格行 * CELL_SIZE

---

7.2 绘制函数

def draw_grid(screen, grid):
    screen.fill(COLOR_BG)

    for y in range(GRID_HEIGHT):
        for x in range(GRID_WIDTH):
            if grid[y][x] == ALIVE:
                rect = pygame.Rect(
                    x * CELL_SIZE,
                    y * CELL_SIZE,
                    CELL_SIZE,
                    CELL_SIZE
                )
                pygame.draw.rect(screen, COLOR_CELL, rect)

---

7.3 （可选）绘制网格线

for x in range(GRID_WIDTH):
    pygame.draw.line(
        screen, COLOR_GRID,
        (x * CELL_SIZE, 0),
        (x * CELL_SIZE, SCREEN_HEIGHT)
    )

for y in range(GRID_HEIGHT):
    pygame.draw.line(
        screen, COLOR_GRID,
        (0, y * CELL_SIZE),
        (SCREEN_WIDTH, y * CELL_SIZE)
    )

---

8. 第六步：主循环与键盘控制

8.1 Pygame 程序基本结构

pygame.init()
screen = pygame.display.set_mode((SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT))
clock = pygame.time.Clock()

---

8.2 事件处理与主循环

grid = random_grid()
running = True

while running:
    for event in pygame.event.get():
        if event.type == pygame.QUIT:
            running = False

        elif event.type == pygame.KEYDOWN:
            if event.key == pygame.K_SPACE:
                grid = next_generation(grid)
            elif event.key == pygame.K_r:
                grid = random_grid()
            elif event.key == pygame.K_ESCAPE:
                running = False

    draw_grid(screen, grid)
    pygame.display.flip()
    clock.tick(60)

教学重点：

• SPACE：推进一代

• R：重新初始化

• ESC：退出

---

9. 总结：完整程序的思想

• 二维数组 = 世界状态

• 局部规则 → 全局演化

• 显示逻辑与计算逻辑分离

• 主循环 = 事件 + 更新 + 绘制

完整程序：

import pygame
import random

# ==================================================
# 1. 参数设置
# ==================================================
CELL_SIZE = 10          # 单个细胞显示的像素大小
GRID_WIDTH = 80         # 网格列数
GRID_HEIGHT = 60        # 网格行数

SCREEN_WIDTH = GRID_WIDTH * CELL_SIZE
SCREEN_HEIGHT = GRID_HEIGHT * CELL_SIZE

ALIVE = 1
DEAD = 0

# 颜色定义
COLOR_BG = (0, 0, 0)
COLOR_CELL = (255, 255, 255)
COLOR_GRID = (40, 40, 40)


# ==================================================
# 2. 网格初始化（双层 for 循环版）
# ==================================================
def random_grid():
    grid = []

    for y in range(GRID_HEIGHT):
        row = []
        for x in range(GRID_WIDTH):
            cell = random.choice([ALIVE, DEAD])
            row.append(cell)
        grid.append(row)

    return grid


# ==================================================
# 3. 邻居数量统计
# ==================================================
def count_neighbors(grid, x, y):
    count = 0

    for dy in [-1, 0, 1]:
        for dx in [-1, 0, 1]:
            # 跳过自身
            if dx == 0 and dy == 0:
                continue

            nx = x + dx
            ny = y + dy

            # 边界检查
            if 0 <= nx < GRID_WIDTH and 0 <= ny < GRID_HEIGHT:
                count += grid[ny][nx]

    return count


# ==================================================
# 4. 计算下一代
# ==================================================
def next_generation(grid):
    new_grid = []

    for y in range(GRID_HEIGHT):
        new_row = []
        for x in range(GRID_WIDTH):
            neighbors = count_neighbors(grid, x, y)

            if grid[y][x] == ALIVE:
                if neighbors == 2 or neighbors == 3:
                    new_row.append(ALIVE)
                else:
                    new_row.append(DEAD)
            else:
                if neighbors == 3:
                    new_row.append(ALIVE)
                else:
                    new_row.append(DEAD)

        new_grid.append(new_row)

    return new_grid


# ==================================================
# 5. 绘制网格
# ==================================================
def draw_grid(screen, grid):
    screen.fill(COLOR_BG)

    # 绘制细胞
    for y in range(GRID_HEIGHT):
        for x in range(GRID_WIDTH):
            if grid[y][x] == ALIVE:
                rect = pygame.Rect(
                    x * CELL_SIZE,
                    y * CELL_SIZE,
                    CELL_SIZE,
                    CELL_SIZE
                )
                pygame.draw.rect(screen, COLOR_CELL, rect)

    # 绘制网格线（教学可选）
    for x in range(GRID_WIDTH):
        pygame.draw.line(
            screen,
            COLOR_GRID,
            (x * CELL_SIZE, 0),
            (x * CELL_SIZE, SCREEN_HEIGHT)
        )

    for y in range(GRID_HEIGHT):
        pygame.draw.line(
            screen,
            COLOR_GRID,
            (0, y * CELL_SIZE),
            (SCREEN_WIDTH, y * CELL_SIZE)
        )


# ==================================================
# 6. 主程序
# ==================================================
def main():
    pygame.init()
    screen = pygame.display.set_mode((SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT))
    pygame.display.set_caption("Conway's Game of Life (Teaching Version)")

    clock = pygame.time.Clock()

    grid = random_grid()
    running = True

    while running:
        for event in pygame.event.get():
            if event.type == pygame.QUIT:
                running = False

            elif event.type == pygame.KEYDOWN:
                if event.key == pygame.K_SPACE:
                    # 推进到下一代
                    grid = next_generation(grid)

                elif event.key == pygame.K_r:
                    # 随机重新初始化
                    grid = random_grid()

                elif event.key == pygame.K_ESCAPE:
                    running = False

        draw_grid(screen, grid)
        pygame.display.flip()
        clock.tick(60)

    pygame.quit()


# ==================================================
# 7. 程序入口
# ==================================================
if __name__ == "__main__":
    main()