289. 生命游戏

中等 含交互动画

学完这道你应该能: 说清它为什么用「矩阵模拟」,而不是死记步骤; 合上页面,自己默写出核心代码; 用 30 秒把思路讲清楚。

AI 私教 · 就着本题动画讲
卡住了不用硬扛,按 8 步把这题真正走通。
从读题、试解、找法到手写代码,边问边打勾,适合第一次系统学算法的同学。

题目描述

每个细胞 活(1)/死(0)。下一代:活细胞周围2~3 个活则存活,否则死;死细胞周围恰好 3 个活则复活。所有细胞同时更新。

board = 竖条 010/010/010
输出 = 横条 000/111/000

思路解析

最直接的做法:拿一块新画布,照旧网格算出每格的下一代写进去,最后整块拷回。能对,但题目要求原地,多开一整张网格不划算。

转折:与其另开网格,不如把「旧值 + 新命运」一起编码进同一格。用 4 个数:0 死、1 活、2 将生(原死下步活)、3 将死(原活下步死)。数邻居时把 1 和 3 都算「原来是活的」,全标完再统一把 2→1、3→0。这样不用额外网格。

初始 · 竖条:绿色是活细胞,组成一根竖条。接下来逐个判断每个细胞下一代的命运,数邻居时只看「旧状态」。

看中心 (1,1) · 数邻居:盯住中心 (1,1)。数它周围 8 格:只有上方 (0,1)、下方 (2,1) 是活的,共 2 个活邻居

判 (1,1) · 存活:(1,1) 本是活的,2 个活邻居落在「2~3 存活」区间 → 它继续活,保持 1,不用打中间态。

看 (0,1) · 邻居不足:负例分支:(0,1) 是活的,但活邻居只有下方 (1,1) 这 1 个,少于 2 → 下一步死。标成 将死(3),但本轮数别人邻居时它仍按「活」算。

看 (1,0) · 死格复活:(1,0) 本是死的,但周围 (0,1)、(1,1)、(2,1) 恰好 3 个活(注意 (0,1) 虽标了将死,仍按「原来活」算) → 复活!标成 将生(2)

同理 (1,2)、(2,1):(1,2) 同样被 3 个活邻居环绕 → 将生;(2,1) 和 (0,1) 一样只有 1 个活邻居 → 将死。四个角始终 0 个活邻居,保持死。全部标记完毕。

四角验证 · 保持死:再看四个角(蓝框):每个角的 8 邻居里活的(含将死的 3)都凑不满 3 个,死格复活需要恰好 3 个 → 它们保持死(0),不打任何中间态。负例确认完毕,可以收尾。

统一还原 · 第二遍:最后再扫一遍:将生(2)→活(1)、将死(3)→死(0)。竖条变成了横条——和示例对上了。这就是「同时更新」靠中间态实现的效果。

需要「同时」更新又想原地的问题,常用「编码中间状态、最后统一还原」这一招。

参考代码(Python)

Python
1for i in range(m):
2    for j in range(n):
3        live = 数周围 8 个里值为 13 的个数   # 3 也算原来活的
4        if board[i][j]==1 and (live<2 or live>3): board[i][j]=3  # 活→将死
5        if board[i][j]==0 and live==3: board[i][j]=2            # 死→将生
6for i,j: board[i][j] = 1 if board[i][j]==2 else (0 if board[i][j]==3 else board[i][j])
7        # 等价: 将生2→1, 将死3→0

复杂度分析

  • 时间复杂度:O(m×n) —— 每格看 8 个邻居是常数,两遍扫描仍是 m×n
  • 空间复杂度:O(1) —— 原地改,只靠 2/3 两个中间状态,不开新网格

套路模板

记住骨架:两遍扫描——先编码同时记"旧+新"、数邻居时 1 和 3 都算"原来活",再统一还原。矩阵置零的"特殊标记法"也是同一招。

Python
1# 编码: 0死 1活 2将生(死→活) 3将死(活→死)
2for i, j in 所有格子:
3    live = sum(board[x][y] in (1,3) for x,y in 8邻居)  # 13都算class="cl-str">"原来活"!
4    if board[i][j]==1 and not 2<=live<=3: board[i][j]=3  # 活→将死
5    elif board[i][j]==0 and live==3: board[i][j]=2       # 死→将生
6for i, j in 所有格子:
7    board[i][j] = {2:1, 3:0}.get(board[i][j], board[i][j])  # 统一还原

易错点

  • 错误写法:数邻居只数值为 1 的正确写法:把 3(将死) 也算「原来是活的」(比如 (1,0) 那格,它三个活邻居里 (0,1) 已被标成 3,若不算它就只数到 2,会漏判复活;本轮它还没真正死,邻居计数必须用旧状态)
  • 错误写法:边遍历边改成 0/1正确写法:用 2/3 中间态,最后统一还原(直接改 0/1 会污染后面格子的邻居计数,等于偷偷用了「新值」数邻居,违反同时更新)

以上文字与上方动画完全同一思路:先看动画建立直觉 → 读文字巩固 → 关掉页面自己默写一遍代码,能写出来才算真的掌握

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