Scala로 '라이프 게임' 만들기

Posted 2010.08.29 14:19
스칼라 스터디에 객원 멤버(?)로 참여하고 계신 너구리님의 제안으로 라이프 게임을 실습하게 되었습니다. 이전 개미수열과 마찬가지로 패턴 매칭을 이용하여, 주변 세포의 패턴을 구현하니 보기에도 깔끔하고, 구현도 자연스럽게 진행됐습니다. 프로그래밍에서 반드시 등장하는 분기와 반복이라는 번거로운 과정을 다스릴 신무기가 생긴 기분이랄까요?
 라이프 게임: 글라이더 건

게임 규칙


 위키피디아 링크를 살펴보면 룰이 나와있습니다. 핵심적인 내용만 언급하면 격자 하나를 세포라고 생각하고, 한 세포를 둘러싸고 있는 8개의 주변 세포에 대해 다음과 같은 규칙이 적용됩니다.

  • 죽은 세포의 주변 세포 중 정확히 3개가 살아 있으면 그 세포는 살아난다. (‘태어난다’.) 
  • 살아 있는 세포의 주변 세포 중에 2개나 3개가 살아 있으면, 그 세포는 계속 살아 있는 상태를 유지하고, 이외에는 ‘외로워서’, 또는 ‘숨이 막혀서’ 죽어버린다.

 특정 세포와 그 주변 세포를 나타내는 3x3의 세포 격자를 편의상 "DieHardArea"라고 부르겠습니다. (별다른 의미는 없고, 그냥 제가 작성한 스칼라 객체의 이름이 그렇습니다.)

목표 코드의 형태


 프로그래밍을 할 때 최종 완성된 모습을 (=어떤 형태로 핵심 로직을 실행하고 결과를 얻을지) 미리 그려보는데, '라이프 게임'을 Scala로 구현하려고 보니, 주변 세포에 대한 각각의 패턴이 있어 패턴 매칭 구문으로 해당 패턴을 활용해 세포의 다음 상태를 결정하는 모습이 머리 속에 떠올랐습니다. 이를 scala 코드로 표현하면 다음과 같습니다. 참고로, getDieHardArea(x,y)는 세포 (x,y)를 중심으로 하는 DieHardArea를 반환하는 메서드입니다.
getDieHardArea(x,y) match {
  case 생성패턴 => // 세포가 탄생함
  case 소멸패턴 => // 세포가 죽음
  case 유지패턴 => // 상태를 유지함
}
 먼저 각 패턴의 이름을 만들어 봅니다.'생성패턴', '유지패턴', '소멸 패턴'은 DieHardArea의 패턴을 나타내는 object 입니다. 'XX패턴'은 '패턴'을 상속합니다. 각 object는 내용을 따로 작성할 필요는 없으며, 단순히 패턴 매칭의 결과로만 활용될 예정입니다.
abstract class 패턴
object 생성패턴 extends 패턴
object 소멸패턴 extends 패턴
object 유지패턴 extends 패턴
 이제 목표하는 형태로 패턴 매칭을 완성하기 위해 extractor, 즉 unapply 메서드를 구하면 되겠죠. 그래서 3x3 정수 행렬을 추상화한 DieHardArea 모듈을 다음과 같이 만들기 시작합니다.
object DieHardArea {
   ...
  def unapply(matrix:DieHardArea):Option[패턴] = {
    matrix.amIAlive match {
      case 죽은세포 if (/*이웃세포 3개*/) => Some(생성패턴)
      case 산세포 if(/*이웃세포 2~3개*/) => Some(유지패턴)
      case 산세포 => Some(소멸패턴)
      case _ => None
    }
  }
}

패턴 매칭 코드 작성


 DHA의 unapply메서드가 있으니, 이제 목표했던 패턴 매칭 구문을 바로 작성해 볼 수 있습니다. 특정 셀의 운명을 결정 짓는 메서드니 decideCellDestiny라 이름짓고, 다음과 같이 구현했습니다.
def decideCellDestiny(dha:DieHardArea):Int = {
  dha match {
    case DieHardArea(생성패턴) => Life
    case DieHardArea(유지패턴) => dha.array(1)(1)  //유지
    case DieHardArea(소멸패턴) => Death
    case _ => Death
  }
}

주변 세포의 수 세기


 아직 채워야 할 것이 적잖이 남았지만, 그래도 문제의 핵심적인 부분을 금방 해결한 듯 합니다. 이제 실제로 DHA가 특정한 3x3 정수 배열을 나타내도록 class도 정의해 봅니다.
class DieHardArea(val array:Array[Array[Int]]) {
  require( is3x3Matrix(array));

  // 살아있는 주변 세포 카운트
  def countAliveNeighbor():Int = {
    var count = 0;
    array.foreach(                // DieHardArea 내 살아 있는 세포 수
      count +=  _.filter( _ == Life ).length )

    if( amIAlive ) count -= 1     // 자신은 카운트에서 제외
    count
  }

  // 중앙 세포가 살아있는가?
  def amIAlive():Boolean = {
     ( array(1)(1) == Life )
  }
}
 DHA 클래스 생성시 3x3 정수 배열을 전달하여 멤버로 설정하도록 했습니다. 또. 패턴 매칭 구문에서 주석으로 처리한 주변 세포의 개수를 구하는 메서드도 추가했습니다. countAliveNeighbor 메서드는 DHA내의 모든 살아있는 세포수를 확인한 후, 자신을 제외시키는 방법으로 동작합니다.

 강조 표시된 코드(7,8 번째 줄)는 DHA(DieHardArea)에서 살아있는 세포 수를 세는 부분인데, 약간 생소해 보일 수도 있습니다. 여기서 array는 3x3 크기의 2차원 정수 배열이므로 타입은 Array[Array[Int]] 입니다. 같은 array에 대해 다음 구문을 실행하면 첫째 줄부터 마지막 줄의 크기를 쭈욱~ 출력합니다. 다시 말해, 다음 코드에서 _ 의 타입은 Array[Int] 죠. (array가 배열의 배열이니까요)
array.foreach( println( _.length) )
 제시된 코드는 다음과 같이 각 줄(Array[Int])에 filter를 적용합니다. (Life는 상수로 1을 의미합니다.)
array.foreach(           
  count +=  _.filter( _ == Life ).length
)
 (익숙하지 않으면)혼란을 주는 _를 line으로 치환해 보면 이해가 빠릅니다.
array.foreach(              
  line => {
    val alives = line.filter( _ == Life ).length 
    count +=  alives
  }
)
 위와 같이 함수를 fisrt class value로 이해하고 축약하는 것에 익숙해지면 코드가 매우 간편해 집니다. 참고로, 2차원 정수 배열을 (0이면 □, 그외에는 ■으로 바꾸어) 화면에 출력하는 convertToShapeArray는 다음과 같이 작성할 수 있습니다. _ 등이 익숙치 않으면 분석해 보세요.
def convertToShapeArray(intMatrix:Array[Array[Int]]):Array[Array[Char]] = {
  intMatrix.map{
    _.map {
      case 0 => '□'
      case _ => '■'
}}}
 이제 DHA의 unapply 메서드 내에서 주석으로 처리했던 if 문장을 구현할 수 있습니다.
def unapply(matrix:DieHardArea):Option[패턴] = {
  matrix.amIAlive match {
    case 죽은세포 if (matrix.countAliveNeighbor == 3) => Some(생성패턴)
    case 산세포 if (matrix.countAliveNeighbor ==3 || matrix.countAliveNeighbor == 2) => Some(유지패턴)
    case 산세포 => Some(소멸패턴)
    case _ => None
  }
}

Implcit Type Conversion 적용


 이렇게 해도 충분히 동작하지만, 어쩐지 matrix.countAliveNeighbor ==3 || matrix.countAliveNeighbor == 2과 같은 구문이 눈에 걸립니다. 보기에도 지저분해 보이고 countAliveNeighbor를 두 번 호출하는 것도 안 좋아 보입니다. Range.contains 등을 사용해도 간단히 줄일 수 있지만 고집스럽게 다음과 같이 개선해 봤습니다.  목표는 matrix.countAliveNeighbor.isBetween(1,3) 입니다. 하지만 matrix.countAliveNeighbor의 결과인 Int에는 isBetween과 같은 메서드가 존재하지 않습니다. 이쯤되면 무엇을 하려는지 아시는 분들도 있을 겁니다. 암묵적으로 Int를 사용자 정의 객체 VeryRichInt로 형변환 하려고 합니다(이를 implicit type conversion이라 합니다). 클래스 명에 스며있는 약간의 허풍은 애교로 봐주시길 바랍니다.
class VeryRichInt(val number:Int) {
  def isBetween(from:Int, to:Int):Boolean = {
    if ( from <= number && number <= to) true
    else false
  }
}
 허점은 좀 많지만(from보다 to가 작을 경우 등), isBetween를 담고 있는 VeryRichInt를 작성했습니다. 이제 오브젝트 DHA 내에 다음과 같이 Int를 VeryRichInt로 암묵적 형변환하는 메서드를 만듭니다. 이제 DHA 내에서 Int.isBetween을 하면 Int가 암묵적으로 VeryRichInt로 바뀌어 VeryRichInt.isBetween이 호출될 것입니다.
object DieHardArea {
  ... 
  implicit def int2VeryRichInt(number:Int):VeryRichInt = {
    new VeryRichInt(number)
  }
}

패턴 매칭 마무리


 여기까지 작업하면 기존의 패턴 매칭 구문은 다음과 같이 변경됩니다.
def unapply(matrix:DieHardArea):Option[패턴] = {
  matrix.amIAlive match {
    case 죽은세포 if (matrix.countAliveNeighbor.equals(3)) => Some(생성패턴)
    case 산세포 if( matrix.countAliveNeighbor.isBetween(2,3)) => Some(유지패턴)
    case 산세포 => Some(소멸패턴)
    case _ => None
  }
}
 여기까지 입니다. 코드의 일부만을 놓고 글을 썼지만, 사실 라이프 게임을 완성하기 위한 나머지 코드는 별 내용이 없습니다. 초기값을 2차원 정수 배열로 정의하고, 여기서 DHA를 추출한 뒤, DHA를 이용해 패턴을 분석하고, 결과를 다시 정수 배열에 담아 출력하는 식으로 진행하면 됩니다[각주:1].
  1. 전체 소스는 <a href="http://bit.ly/9rIlnB">이 곳</a>에서 보실 수 있습니다. 퀴즈로 진행한 거라 그렇게 깔끔하지 만은 않습니다. 참고 정도로 활용해 주세요. [본문으로]
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