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@natmark(Atsuya Sato)

Javaでライフゲームを作る

Last updated at Posted at 2017-04-07

Javaでライフゲームを作る

去年、大学の講義でライフゲームを作る課題がありました。
無事単位も出たので、ライフゲームについて記事にまとめようと思います。

tl;dr

作ったもの https://github.com/natmark/LifeGame

demo.gif

ライフゲームの作り方

そもそもライフゲームとは

ライフゲーム (Conway's Game of Life[1]) は1970年にイギリスの数学者ジョン・ホートン・コンウェイ (John Horton Conway) が考案した生命の誕生、進化、淘汰などのプロセスを簡易的なモデルで再現したシミュレーションゲームである。単純なルールでその模様の変化を楽しめるため、パズルの要素を持っている。 - Wikipediaより引用

ライフゲームは碁盤のようなマス目を使用して、シミュレーションを行うものです。
一つの格子をセルと呼び、セル自体は生か死かの状態しか持ちません。

ライフゲームのルール

今回、下記のルールを用いました。
誕生
  死んでいるセルに隣接する生きたセルがちょうど3つあれば、次の世代が誕生する。
生存
  生きているセルに隣接する生きたセルが2つか3つならば、次の世代でも生存する。
過疎
  生きているセルに隣接する生きたセルが1つ以下ならば、過疎により死滅する。
過密
  生きているセルに隣接する生きたセルが4つ以上ならば、過密により死滅する。

セルの変化の例

スクリーンショット 2017-04-07 14.29.16.png
※生きているセルを黒、死んでいるセルを白とする。

赤枠のセルに着目したとき、世代nにおける赤枠セルの周囲8つのセルの状態から、世代n+1における赤枠のセルの状態が決定する。

実装

メインクラス

LifeGame.java
public class LifeGame {
    public static void main(String[] args){
        GameFrame frame = new GameFrame(Const.FRAME_SIZE.width,Const.FRAME_SIZE.height);
        frame.setTitle("LifeGame");
        frame.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
        try {
            frame.setCells(Const.CELL_SIZE);
        } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); }

        frame.setVisible(true);

         Thread t = new Thread(frame);
         t.start();
    }
}

ゲームフレーム用クラス

GameFrame.java
public class GameFrame extends JFrame implements Runnable{
    private int width;
    private int height;
    private boolean running = false;

    //盤面に配置されたセルの配列
    private ArrayList<LifeCell> cells;
    //プリセットパターンを生成する際に使用。cellsを二次元配列にしたもの。
    private LifeCell[][] cell_matrix;
    /**
     * Constructors
     */
    public GameFrame(int width, int height){
        super();

        this.width = width;
        this.height = height;
        setSize(width,height);  
        cells = new ArrayList<LifeCell>();
    }
    public GameFrame(String title){
        super(title);
        cells = new ArrayList<LifeCell>();
    }
    /**
     * セルサイズの変更
     * @param cellSize
     * @throws Exception 
     * @throws cellSizeがFrameSizeに合わない場合 
     */
    public void setCells(int cellSize) throws Exception {   
        if((width % cellSize != 0) || (width < cellSize)){
            throw new Exception("セルのサイズがフレームの幅に合っていないか、セルサイズがフレームの幅より大きいです。");
        }
        if(height % cellSize != 0 || (height < cellSize)){
            throw new Exception("セルのサイズがフレームの高さに合っていません、セルサイズがフレームの高さより大きいです。");
        }       
        //縦の総セル数
        int v_cell_cnt = height / cellSize; 
        //横の総セル数
        int h_cell_cnt = width / cellSize; 

        //JFrameの高さには、タイトルバーが含まれてしまうため、heightを更新
        setVisible(true);
        //visible状態でないと、Insetsが取得不可
        Insets insets = getInsets(); 
        setVisible(false);          

        //セル用パネルの生成
        JPanel p = new JPanel();
        p.setLayout(null);
        p.setBounds(0, 0, width + h_cell_cnt, height + v_cell_cnt);
        p.setBackground(Color.black);

        //ツールパネルの生成
        JPanel toolPanel = new JPanel();
        toolPanel.setLayout(null);
        toolPanel.setBounds(0, p.getBounds().height, p.getBounds().width, 100);
        toolPanel.setBackground(Color.white);

        //パネルへのボタン追加
        addButtonsOnPanel(toolPanel);

        //フレームサイズの更新
        int insets_height = insets.top + insets.bottom;
        setResizable(true);
        setSize(width + h_cell_cnt,height + insets_height + v_cell_cnt + toolPanel.getBounds().height);
        setResizable(false);

        cell_matrix = new LifeCell[v_cell_cnt][h_cell_cnt];
        //セルの生成
        for(int y = 0; y < v_cell_cnt; y ++){
            for(int x = 0; x < h_cell_cnt; x++){
                LifeCell cell = new LifeCell(new Rectangle(x * (cellSize + 1),y * (cellSize + 1),cellSize,cellSize));
                p.add(cell);
                cell_matrix[y][x] = cell;
                cells.add(cell);
            }           
        }

        //セルの外周をセット。
        for(int y = 0; y < v_cell_cnt ;y++){
            for(int x = 0; x < h_cell_cnt ;x++){
                LifeCell cell = cell_matrix[y][x];

                int dx_min = -1;
                int dy_min = -1;
                int dx_max = 1;
                int dy_max = 1;             
                //yが一番上
                if(y == 0){ dy_min = 0; }
                //xが一番左
                if(x == 0){ dx_min = 0; }
                //yが一番下
                if(y == v_cell_cnt - 1){ dy_max = 0; }
                //xが一番右
                if(x == h_cell_cnt - 1){ dx_max = 0; }

                for(int dx = dx_min; dx <= dx_max;dx++){
                    for(int dy = dy_min; dy <= dy_max;dy++){
                        if(!(dx == 0 && dy == 0)){
                            cell.addSurroundings(cell_matrix[y+dy][x+dx]);
                        }
                    }                   
                }
            }           
        }

        Container contentPane = getContentPane();
        contentPane.add(p);
        contentPane.add(toolPanel);
    }

    /**
     * ツールパネルへのボタン追加 
     */
    private void addButtonsOnPanel(JPanel panel){       
        //ボタンのアクションリスナー作成
        ActionListener RunBtnAction = new ActionListener(){
            public void actionPerformed(ActionEvent event){
                //動作状態を切り替え
                running = !running;
                JButton btn = (JButton)event.getSource();
                if(running){
                    btn.setText("Stop");
                }else{
                    btn.setText("Run");                             
                }
            }
        };
        ActionListener ClearBtnAction = new ActionListener(){
            public void actionPerformed(ActionEvent event){
                //盤面全てを初期化
                LifeCell.forceKillAll(cells);
            }
        };
        ActionListener generateGliderBtnAction = new ActionListener(){
            public void actionPerformed(ActionEvent event){
                //グライダーのパターン生成
                CellPattern.patternGenerator(cell_matrix, CellPattern.Pattern.GLIDER);
            }
        };
        ActionListener generateSpaceShipBtnAction = new ActionListener(){
            public void actionPerformed(ActionEvent event){
                //宇宙船のパターン生成
                CellPattern.patternGenerator(cell_matrix, CellPattern.Pattern.SPACESHIP);
            }
        };
        ActionListener generateGalaxyBtnAction = new ActionListener(){
            public void actionPerformed(ActionEvent event){
                //銀河のパターン生成
                CellPattern.patternGenerator(cell_matrix, CellPattern.Pattern.GALAXY);
            }
        };
        //格納順を保持したいため、LinkedHashMapを使用
        LinkedHashMap<String,ActionListener> btnSources = new LinkedHashMap<String,ActionListener>();
        btnSources.put("Run", RunBtnAction);
        btnSources.put("Clear", ClearBtnAction);
        //スペーサー
        btnSources.put("", null);
        btnSources.put("グライダー", generateGliderBtnAction);
        btnSources.put("宇宙船", generateSpaceShipBtnAction);
        btnSources.put("銀河", generateGalaxyBtnAction);

        //ボタン生成
        int i = 0;
        for(Map.Entry<String, ActionListener>  btnSrc : btnSources.entrySet()){
            //空文字の場合、インクリメントしてスキップ
            if(btnSrc.getKey().equals("")) { i++; continue; }

            JButton button = new JButton(btnSrc.getKey());
            button.setBackground(Color.black);
            button.setBounds(10 + i * 80,panel.getBounds().y, 80, 50);
            button.addActionListener(btnSrc.getValue());
            panel.add(button);                      
            i++;
        }
    }
    public void run(){
        while(true){
            //Startボタンが押されていない場合、処理を中断
            while(!running){
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {  e.printStackTrace(); } 
            }

            try {
                //更新速度
                Thread.sleep(Const.SLEEP_TIME_MS);
            } catch (InterruptedException e) {  e.printStackTrace(); }

            for(LifeCell cell : cells){
                //周囲のセルの状況を確認
                cell.checkSurroundings();
            }
            for(LifeCell cell : cells){
                //世代交代(セルの塗り替え)
                cell.generationalChange();
            }
        }
    }
}

今回ゲームのフレームサイズやセルのサイズをユーザ定義で変更できるようにしました。
(その結果、少しソースが長くなってしまいましたが...)

Runnableを実装して、run()が実行されると、無限ループを発生させています。
スリープを挟みながら、毎フレームセルの更新処理をさせています。

//周囲のセルの状況を確認
cell.checkSurroundings();

この部分で、セルの周囲の状態から、次の世代におけるセルの状態を確定し(世代 n)

//世代交代(セルの塗り替え)
cell.generationalChange();

この部分で世代を交代させています(世代 n + 1)

セル用クラス

最後にセル用のクラスですが、セルはJButtonを継承させています。
セルをマウスでクリックしたときに、セルの状態を切り替えることができるようになっています。

LifeCell.java
class LifeCell extends JButton{
    //周囲のセル
    private ArrayList<LifeCell> surroundings;
    //現在の生存フラグ
    private boolean isLiving = false;
    //世代更新後の生存フラグ
    private boolean willLiving = false;
    /**
     * Constructors
     */
    public LifeCell(){
        super("");
        surroundings = new ArrayList<LifeCell>();
        setLayout();
    }

    public LifeCell(Rectangle rect) {
        super("");
        this.setBounds(rect);
        surroundings = new ArrayList<LifeCell>();
        setLayout();
    }
    /**
     * レイアウトの設定
     */
    private void setLayout(){
        this.setLayout(null);
        this.setBackground(Color.white);
        this.setContentAreaFilled(true);
        this.setOpaque(true);
        this.setBorderPainted(false);
        LifeCell button = this;

        this.addActionListener(
                new ActionListener(){
                        public void actionPerformed(ActionEvent event){
                            if(button.isLiving){
                                button.forceKill();
                            }else{
                                button.forceSpawn();
                            }
                        }
                    }
                );
    }
    /**
     * 周囲のセルを追加
     * @param cell:LifeCell
     */
    public void addSurroundings(LifeCell cell){
        surroundings.add(cell);
    }
    /**
     * 世代交代を行う
     */
    public void generationalChange(){
        isLiving = willLiving;
        willLiving = false;
        if(isLiving){
            setBackground(Color.black);
        }else{
            setBackground(Color.white);         
        }
    }
    /**
     * 周りのセルを調べて、世代交代の準備
     */
    public void checkSurroundings(){
        int cnt = 0;
        for(LifeCell cell : surroundings){
            if(cell.isLiving) cnt++;
        }
        //誕生
        if(!isLiving){
            //生きているセルが3つ
            if(cnt == Const.BIRTH_CNT){
                this.willLiving = true;
            }
            return;
        }
        if(isLiving){
            //生存
            if(Const.LIVING_RANGE.includes(cnt)){
                this.willLiving = true;
            }
            //過疎
            if(Const.LIVING_RANGE.lowerBound > cnt){
                this.willLiving = false;
            }
            //過密
            if(Const.LIVING_RANGE.upperBound < cnt){
                this.willLiving = false;
            }
        }
    }
    /**
     * ボタンを押して生成する場合
     */
    public void forceSpawn(){
        isLiving = true;
        this.setBackground(Color.black);
    }
    /**
     * ボタンを押してセルを消す場合
     */
    public void forceKill(){
        isLiving = false;
        this.setBackground(Color.white);
    }
    /**
     * 盤面初期化用
     */
    public static void forceKillAll(ArrayList<LifeCell> cells){
        for(LifeCell cell : cells){
            cell.isLiving = false;
            cell.willLiving = false;
            cell.setBackground(Color.white);            
        }
    }
}

GameFrame.javaのsetCells(int cellSize)でセルを配置するときに、
addSurroundings(LifeCell cell)を用いて、周囲のセルのインスタンスを保持しています。
そのため、世代交代で周りのセルを調べる際は

  /**
     * 周りのセルを調べて、世代交代の準備
     */
    public void checkSurroundings(){
        int cnt = 0;
        for(LifeCell cell : surroundings){
            if(cell.isLiving) cnt++;
        }
        //n世代で死
        if(!isLiving){
            //n + 1世代で誕生
            if(cnt == Const.BIRTH_CNT){
                this.willLiving = true;
            }
            return;
        }
        //n世代で生
        if(isLiving){
            //n + 1世代で生存
            if(Const.LIVING_RANGE.includes(cnt)){
                this.willLiving = true;
            }
            //n + 1世代で死(過疎)
            if(Const.LIVING_RANGE.lowerBound > cnt){
                this.willLiving = false;
            }
            //n + 1世代で死(過密)
            if(Const.LIVING_RANGE.upperBound < cnt){
                this.willLiving = false;
            }
        }
    }

周囲のセルが格納されているsurroundingsを用いて、生きているセルの数を数えるだけで済むようにしています。
これによって毎フレーム二重配列を走査させる必要がないので、処理を軽くすることができます。

ライフゲームにおけるパターン

ライフゲーム - Wikipediaのパターンの例を見るとわかりやすいですが、
ライフゲームにおけるセルのパターンには、特殊な性質を持ったものが存在します。

講義の課題に、パターンを調べる課題が含まれていたので、作成したライフゲーム内で、下記のパターンを生成できるようにしました。

パターン名 種類 パターン
グライダー 移動物体
宇宙船 移動物体
銀河 振動子

まとめ

今回初めてライフゲームを作ってみました。
単純なルールに従って、画面が変わっていくだけの単純なものですが、眺めていると結構楽しいです。
今回紹介した3パターン以外にも、固定物体(世代が進んでも変化しない)パターンや、繁殖型(世代が進むと、別のパターンを新たに生成する)パターンなどいろいろあるので、新しいパターンを探して見るのも楽しいかもしれません。

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