simulation of langton's ant

2015-10-19

技术与工作

2.7k words

Introduction to Langton’s Ant

简单来说 Langton’s ant 就是一个简单的数学游戏.

在一平面上，存在无限的等大小的正方形方格，每一个方格要么是白色，要么是黑色. 我们在某一个上放了一只蚂蚁（Ant）. 这只蚂蚁每一步可以朝四个方向行走，并且每步行走遵从以下两条规则:

如果蚂蚁在白色格子时，就会向右转90°，同时颠倒该格子的颜色（变为黑色），最后再向前走一步。
如果蚂蚁在黑色格子时，就会向左转90°，同时颠倒该格子的颜色（变为白色），最后再向前走一步。

Analazation

从介绍中可以看出，有两样是必备的：

Ant。也就是移动的蚂蚁
Grids。也就是网格。

所以接下来从这两方面分别入手：

Ant

蚂蚁负责移动，而移动的方向如果用东南西北(NEWS)表示的话，那么要涉及它的朝向问题。即：当它的朝向是向南时，那么它的右转实际是用西转。所以可以设计两个函数turn_left()和turn_right()。函数可以改变蚂蚁的位置，作出正确的左转和右转。
接下来是如何让它自动按规矩走。为了不影响程序的运行，我决定使用多线程。使用多线程的好处之一就是如果需要多只蚂蚁移动时，只需要轻松地启动几个线程就好了。所以蚂蚁类应该扩充Runnable接口。每一步行走时获取当前格的颜色，并进行修改。

Grids

首先很明显我可以用一个网格布局来管理每一个小网格，如 GridLayout(100, 100) 即 100 X 100 的网格布局。接下来需要用一个控件来表示小网格。每一个网格需要变换颜色，所以这个用作网格的控件就首先必须要有一个可以改变颜色的方法。要使用 JPanel 么？ JPanel确实可以变换颜色，但是实际测试就会发现一个问题，每一个小网格之间没有边界线，整个网格看上去就像一张白纸一样。JButton如何？JButton也有一个改变颜色的方法 setBackground()。而且在网格布局时，每一个JButton和JButton之间有一个明显的分界线，可以很明显地看出是一个100 * 100 的网格布局，显示效果比用JPanel要好。就这样决定了，使用JButton表示每一个小网格。
除此之外，为了方便蚂蚁获取颜色和修改颜色，编写两个方法：getColor(int x, int y) setColor(int x, int y) 供蚂蚁查询和修改 (x, y) 位置的颜色。

Coding

我的项目地址 : Langton-s-Ant-Java
这里不展示所有的代码，只写一些我认为关键的部分。

Ant 部分：

public class Ant implements Runnable {

    int x, y, forward; // forward 为朝向
    private Grids grid = null; // 注意此处的 grid 用作引用
    private boolean alive; // 判断此蚂蚁是否存活

}

Run()函数部分：

每次移动时，记录移动前格子的颜色，以便反色。
同时把移动后的格子变为红色，可以在实际运行时表明蚂蚁的位置，加强交互性。
stay_idle() 代表延时，可以起到控制蚂蚁速度的作用。

public void run() {
    // record the original color of grid[x][y]
    Color ori_color = grid.getColor(x, y);
    int old_x, old_y;
    while (this.alive) {
        old_x = x;
        old_y = y;
        // black : turn left
        if (ori_color == Ant_Util.black ) {
            grid.setColor(old_x, old_y, Ant_Util.white);
            this.turn_left();
            ori_color = grid.getColor(x, y);
            grid.setColor(x, y, Ant_Util.red);
        } else { // white : turn right
            grid.setColor(old_x, old_y, Ant_Util.black);
            this.turn_right();
            ori_color = grid.getColor(x, y);
            grid.setColor(x, y, Ant_Util.red);
        }
        stay_idle();
    }
}

Grids 部分：

主要就是构造函数，以及上面提到的供Ant调用以得到和改变颜色的函数。
简单起见，默认全部为白三色。

public class Grids extends Container {
    // every button is a grid
    private JButton[][] grid = new JButton[Ant_Util.Grid_Height][Ant_Util.Grid_Width];

    public Grids() {
        this.setLayout(new GridLayout(Ant_Util.Grid_Height, Ant_Util.Grid_Width));
        for (int i = 0; i < Ant_Util.Grid_Height; ++ i) {
            for (int j  = 0; j < Ant_Util.Grid_Width; ++ j) {
                grid[i][j] = new JButton();
                grid[i][j].setBackground(Ant_Util.white);
                this.add(grid[i][j]);
            }
        }
    }

    public Color getColor(int x, int y) {
        return grid[x][y].getBackground();
    }

    public void setColor(int x, int y, Color c) {
        grid[x][y].setBackground(c);
    }
}

其他部分

class App ，用作主窗口。实例化 Ant 类以及 Girds 类。
Class Ant_Util，用作存放常量，比如蚂蚁的速度，网格的数量，窗口的大小等，需要修改时只要在此类里修改更改就好，不用跑到其它类里满地找，而且调用起来也会方便很多。

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