Rust + WebAssembly 实现康威生命游戏
1. 设计思路
1.1 选择有限的世界
康威生命游戏的世界是 无限二维网格，但由于 计算机内存有限，我们可以选择三种有限宇宙方案：
- 动态扩展：仅存储“活跃区域”，按需扩展（可能无限增长）。
- 固定大小，无边界扩展：边界处的细胞会被“消灭”。
- 固定大小，环绕宇宙（Toroidal Universe （我们采用此方案）
环绕宇宙（Toroidal Universe）允许 滑翔机（Gliders） 无限运行，不会被边界限制：
- 上边界的细胞连接到下边界
- 左边界的细胞连接到右边界
2. Rust 代码实现
2.1 定义 Cell 结构
#[wasm_bindgen]
#[repr(u8)]
#[derive(Clone, Copy, Debug, PartialEq, Eq)]
pub enum Cell {
Dead = 0,
Alive = 1,
}
说明：
#[repr(u8)]：让Cell占用 1 字节，减少内存浪费。Dead = 0, Alive = 1：使得Cell可以直接用整数加法计算邻居数。
2.2 定义 Universe
#[wasm_bindgen]
pub struct Universe {
width: u32,
height: u32,
cells: Vec<Cell>,
}
说明：
width、height：宇宙的宽度和高度cells: Vec<Cell>：存储所有细胞状态（0=死，1=活）
2.3 计算网格索引
impl Universe {
fn get_index(&self, row: u32, column: u32) -> usize {
(row * self.width + column) as usize
}
}
- 计算二维网格在一维数组中的索引。
2.4 计算活邻居数量
impl Universe {
fn live_neighbor_count(&self, row: u32, column: u32) -> u8 {
let mut count = 0;
for delta_row in [self.height - 1, 0, 1].iter().cloned() {
for delta_col in [self.width - 1, 0, 1].iter().cloned() {
if delta_row == 0 && delta_col == 0 {
continue;
}
let neighbor_row = (row + delta_row) % self.height;
let neighbor_col = (column + delta_col) % self.width;
let idx = self.get_index(neighbor_row, neighbor_col);
count += self.cells[idx] as u8;
}
}
count
}
}
说明：
- 使用
modulo计算 环绕宇宙，确保邻居索引不会溢出。 - 避免
if语句，减少特殊情况处理，提高性能。
2.5 更新下一代状态
#[wasm_bindgen]
impl Universe {
pub fn tick(&mut self) {
let mut next = self.cells.clone();
for row in 0..self.height {
for col in 0..self.width {
let idx = self.get_index(row, col);
let cell = self.cells[idx];
let live_neighbors = self.live_neighbor_count(row, col);
let next_cell = match (cell, live_neighbors) {
(Cell::Alive, x) if x < 2 => Cell::Dead,
(Cell::Alive, 2) | (Cell::Alive, 3) => Cell::Alive,
(Cell::Alive, x) if x > 3 => Cell::Dead,
(Cell::Dead, 3) => Cell::Alive,
(otherwise, _) => otherwise,
};
next[idx] = next_cell;
}
}
self.cells = next;
}
}
说明：
- 规则翻译：
- 活细胞 < 2 → 死亡（过少）
- 活细胞 = 2 or 3 → 存活（繁衍）
- 活细胞 > 3 → 死亡（过度拥挤）
- 死细胞 = 3 → 复活（繁殖）
2.6 初始化宇宙
#[wasm_bindgen]
impl Universe {
pub fn new() -> Universe {
let width = 64;
let height = 64;
let cells = (0..width * height)
.map(|i| if i % 2 == 0 || i % 7 == 0 { Cell::Alive } else { Cell::Dead })
.collect();
Universe {
width,
height,
cells,
}
}
pub fn render(&self) -> String {
self.to_string()
}
}
- 初始化：创建 64x64 网格，细胞 随机分布。
- 实现
render()：在 JavaScript 中调用，返回网格字符串。
3. JavaScript 前端
在 wasm-game-of-life/www/index.js 编写 Canvas 渲染 代码。
3.1 JavaScript 初始化
import { Universe, Cell, memory } from "wasm-game-of-life";
const CELL_SIZE = 5;
const GRID_COLOR = "#CCCCCC";
const DEAD_COLOR = "#FFFFFF";
const ALIVE_COLOR = "#000000";
const universe = Universe.new();
const width = universe.width();
const height = universe.height();
3.2 绘制网格
const drawGrid = () => {
ctx.beginPath();
ctx.strokeStyle = GRID_COLOR;
for (let i = 0; i <= width; i++) {
ctx.moveTo(i * (CELL_SIZE + 1) + 1, 0);
ctx.lineTo(i * (CELL_SIZE + 1) + 1, (CELL_SIZE + 1) * height + 1);
}
for (let j = 0; j <= height; j++) {
ctx.moveTo(0, j * (CELL_SIZE + 1) + 1);
ctx.lineTo((CELL_SIZE + 1) * width + 1, j * (CELL_SIZE + 1) + 1);
}
ctx.stroke();
};
3.3 读取 WebAssembly 内存
const drawCells = () => {
const cellsPtr = universe.cells();
const cells = new Uint8Array(memory.buffer, cellsPtr, width * height);
ctx.beginPath();
for (let row = 0; row < height; row++) {
for (let col = 0; col < width; col++) {
const idx = row * width + col;
ctx.fillStyle = cells[idx] === Cell.Dead ? DEAD_COLOR : ALIVE_COLOR;
ctx.fillRect(col * (CELL_SIZE + 1) + 1, row * (CELL_SIZE + 1) + 1, CELL_SIZE, CELL_SIZE);
}
}
ctx.stroke();
};
3.4 动画渲染
const renderLoop = () => {
universe.tick();
drawGrid();
drawCells();
requestAnimationFrame(renderLoop);
};
drawGrid();
drawCells();
requestAnimationFrame(renderLoop);
4.运行项目
wasm-pack build
cd www
npm install
npm run start
打开 http://localhost:8080/，你会看到 动态演化的生命游戏！
