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C++多线程实现生命游戏

2023-06-28 15:07:14 深夜i -- --

C++ 多线程实现生命游戏

生命游戏是一种经典的计算机模拟游戏，它以简单的规则来模拟细胞在时间和空间上的演变。C++是一种强大的编程语言，而多线程则是一项可以轻松提高程序性能的技术。本文将介绍如何使用C++多线程来实现生命游戏。

生命游戏的规则很简单：每一个细胞都有两种状态，死和活。每过一定的时间，进行一次迭代，根据当前细胞周围的八个细胞的状态来决定下一步该细胞的状态。规则如下：

1. 每个细胞都有两种状态，存活或死亡。

2. 每个细胞与以自身为中心的周围八个细胞产生互动（如图所示）。

3. 当前细胞为存活状态时，当周围的存活细胞低于2个时（不包含2个），该细胞变成死亡状态。

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。

5. 当前细胞为存活状态时，当周围有超过3个存活细胞时，该细胞变成死亡状态。

6. 当前细胞为死亡状态时，当周围有正好3个存活细胞时，该细胞变成存活状态。

接下来，我们将使用C++多线程来实现生命游戏。

第一步：准备工作

我们需要定义一个游戏棋盘，通常使用一个二维数组来表示。下面的代码定义了一个10x10的棋盘：


const int ROW = 10;
const int COL = 10;
int board[ROW][COL];

游戏开始前，我们需要初始化棋盘，把细胞的状态随机分布在棋盘上：


// 随机生成棋盘上的细胞状态
srand(time(NULL));
for (int i = 0; i < ROW; i++) {
  for (int j = 0; j < COL; j++) {
    board[i][j] = rand() % 2;
  }
}

第二步：实现游戏规则

接下来，我们需要实现游戏的规则。这部分的代码比较简单，只需要遍历整个棋盘，根据规则来更新每个细胞的状态即可。


// 更新棋盘上的细胞状态
void updateBoard() {
  int temp[ROW][COL];
  for (int i = 0; i < ROW; i++) {
    for (int j = 0; j < COL; j++) {
      int count = countNeighbours(i, j);
      if (board[i][j] == 1) { // 存活状态
        if (count < 2 || count > 3) {
          temp[i][j] = 0; // 变为死亡状态
        } else {
          temp[i][j] = 1;
        }
      } else { // 死亡状态
        if (count == 3) {
          temp[i][j] = 1; // 变为存活状态
        } else {
          temp[i][j] = 0;
        }
      }
    }
  }
  memcpy(board, temp, sizeof(temp));
}

其中，`countNeighbours`函数用来计算每个细胞周围存活的细胞数量：


// 计算某个细胞周围存活的细胞数量
int countNeighbours(int row, int col) {
  int count = 0;
  for (int i = -1; i <= 1; i++) {
    for (int j = -1; j <= 1; j++) {
      if (i == 0 && j == 0)
        continue;
      
      int r = row + i;
      int c = col + j;
      if (r >= 0 && r < ROW && c >= 0 && c < COL && board[r][c] == 1) {
        count++;
      }
    }
  }
  return count;
}

第三步：使用多线程提高性能

以上代码实现了生命游戏的规则，但是我们可以发现，遍历整个棋盘是非常耗时的。因此，我们可以使用多线程技术来提高程序性能。

遍历棋盘时，我们可以将棋盘划分为多个子区域，然后让每个线程去处理各自的子区域。下面的代码实现了这个功能：


// 计算棋盘上的细胞状态（多线程版）
void updateBoardParallel() {
  int temp[ROW][COL];
  #pragma omp parallel for
  for (int i = 0; i < ROW; i++) {
    for (int j = 0; j < COL; j++) {
      int count = countNeighbours(i, j);
      if (board[i][j] == 1) { // 存活状态
        if (count < 2 || count > 3) {
          temp[i][j] = 0; // 变为死亡状态
        } else {
          temp[i][j] = 1;
        }
      } else { // 死亡状态
        if (count == 3) {
          temp[i][j] = 1; // 变为存活状态
        } else {
          temp[i][j] = 0;
        }
      }
    }
  }
  memcpy(board, temp, sizeof(temp));
}

其中，`#pragma omp parallel for`语句指示编译器将该循环并行化。这里使用的是OpenMP标准来实现多线程并行化，它是一种简单易用的多线程编程技术，可以很容易地提高程序的性能。

总结

本文介绍了如何使用C++多线程来实现生命游戏，并且通过将棋盘划分为多个子区域来提高程序性能。多线程技术可以很大程度上提高程序的性能，对于需要大量计算的程序来说，它是一项难以替代的技术。

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