游戏是第一生产力！Python实现生命游戏的示例代码(tkinter版)

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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)',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','',on\_Enter)
    tCanvas.tag\_bind('btnText','',on\_Leave)
    tCanvas.tag\_bind('btnText','',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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