手把手教你用C#做疫情传播仿真

在上篇文章中，我介绍了用 C#做的疫情传播仿真程序的使用和配置，演示了其运行效果，但没有着重讲其中的代码。

今天我将抽丝剥茧，手把手分析程序的架构，以及妙趣横生的细节。

首先来回顾一下运行效果：

注意看，程序中的信息，包含信息统计、城市居民展示和医院展示三个部分，其中居民按状态的不同，显示为不同的颜色。

本文将先从程序员的角度，说说程序中的实现细节，细节中会聊一聊与与 Java版的不同，最后进行总结。

细节介绍

细节介绍一 · 从“人”说起

居民类如下所示：

struct Person
{public PersonStatus Status;public Vector2 Position;public float EstimateDays;public float Direction;public static Person Create(float citySize){// ...}public void Draw(DeviceContext ctx, XResource x){// ...}public void MoveAroundInCity(float dt, float citySize){// ...}
}
enum PersonStatus
{Healthy, // 健康InfectedInShadow, // 被感染，处于潜伏期Illness, // 发病InHospital, // 发病并进入医院Cured, // 治愈Dead, //死亡
}

一个城市将会模拟 5000个居民，因此在设计这个类的时候，应该尽可能地考虑性能、节约内存。

所以，状态最好越少越好，在设计这个类的时候，我谨慎地保留了状态 Status、当前位置 Position、用于做状态机的 EstimateDays和移动方向 Direction这四个状态。

细节介绍二 - 居民的状态变更流

居民状态扭转过程如下所示：

 (有传染性，传染给健康人)????   ⬆       ⬆????   ⬆       ⬆
健康 ➡ 潜伏期 ➡ 发病 ➡ 入院隔离 ➡ 治愈↘     ↙↘ ↙死亡

其中， 健康到 被感染的验证除了状态检测外，还要由居民之间的距离决定。而是否戴口罩，又会影响其判断距离，这些逻辑用代码表示如下：

const float InffectRate = 0.8f; // 靠得够近时，被携带者感染的机率
static bool WearMask = false; // 是否戴口罩
// 要靠多近，才会触发感染验证
static float SafeDistance() => WearMask ? 1.5f : 3.5f;
void StepDay()
{// ...// healthy -> infectedList<int> newlyInffectedIds = new List<int>();newlyInffectedIds = healthyIds.AsParallel().Where(x =>{foreach (var infectorId in infectorIds){if (Vector2.DistanceSquared(Persons[x].Position, Persons[infectorId].Position) <= SafeDistance() * SafeDistance())return true;}return false;}).ToList();foreach (int personId in newlyInffectedIds){Infect(personId);}
}

EstimateDays字段用于控制潜伏期、发病到去医院的等待时间、治愈时间，这个字段用得较为巧妙。正常可能需要三个字段，但这三种状态之间，不存在状态共享，因此可以使用一个共享的字段来代替。

比如， infected->illness状态扭转的代码表述如下：

void StepDay()
{for (var i = 0; i < Persons.Length; ++i){// ... 其它代码// infected -> illnessif (Persons[i].Status == PersonStatus.InfectedInShadow){--Persons[i].EstimateDays;if (Persons[i].EstimateDays <= 0){Persons[i].Status = PersonStatus.Illness;Persons[i].EstimateDays = GenerateToHospitalDays();}continue;}}// ... 其它代码
}

注意，代码中总会使用 EstimateDays，来判断是否要进入下一个状态，而进入下一个状态后，便会重新指定新的 EstimateDays。通过这样的状态共享，便可为 Person类节省许多状态。

细节介绍3 - 性能优化

注意上文中的代码，它原本可能会是一个 5000x 5000的大循环，而每帧的时间仅仅只有 1/60=13.33ms。

经过反复思考，我使用了三种方法来优化。

优化1 · 索引与缓存

首先是在城市类 City中，我使用了一个索引：

class City
{public Person[] Persons;private SortedSet<int> infectorIds = new SortedSet<int>();private SortedSet<int> healthyIds = new SortedSet<int>();// ... 其它代码
}

该索引维护了两个索引 infectorIds和 healthyIds，保存好这两个索引后，这个双层循环检测性能可以从 5000x 5000降低到 0- 2000x 2000，最优情况是初期和未期，数据规模趋近于 0，最差情况在中期，数据规模趋近于 2000x 2000，总之会比简单的双层循环快很多。

注意：索引是有明显缺点的，索引的本质是缓存，缓存的本质是状态，状态的属性之一，就是 bug，多一份索引，就需要多加一处维护索引的位置，就多加了一层“写 bug”的风险。另外索引过多，可能会影响性能。

我会尽我一切努力，不给程序引入额外状态。除非我有一个无法拒绝的理由。

优化2 · 多线程

这算是 .NET的福利吧。

如代码所示，我使用了 PLINQ，这是从 .NET4.0推出的新玩意，只需一条简单的 AsParallel()，就可以让代码几乎不变，就能享受多核 CPU带来的性能红利，我完全不需要处理同步等机制。

优化3 · 使用值类型

也如代码所示，我特意为 Person类选择了值类型（ struct），它的优点在本程序中体现在两处：

一是在于创建时，无需分配堆内存，要知道内存分配需要请求操作系统（就像浏览器请求服务器那样）非常缓慢；

二是值类型数据的值，在内存中是连续的。这对 CPU缓存是个天大的好消息。无论是否是现代 CPU，对连续型的内存访问，性能总是最高的，在一性能测试中，连续内存与非连续内存的 CPU访问速度差，高达 50倍之大。

注意： Java中没提供类似于 struct这样的关键字，无法自定义值类型。但通过一定技巧，如创建基元类型数组，也能实现高性能的连续内存访问。

我之前写过一篇文章《.NET中的值类型与引用类型》，包含了详情说明（包含缺点与优化、使用场景等）和性能测试。

细节介绍四 - 时间控制

我尝试写过很多游戏和动态模拟器，我认为时间控制的优劣，最能体现出一个模拟器/游戏制作者的用心。一般程序员都喜欢将垂直同步事件当作游戏的心脏，这样最简单，用代码表述如下（已简化）：

void Render()
{float dt = RenderTimer.LastFrameTimeInSecond;Update(dt);Draw(ctx);SwapChain.Present(1, 0);
}

这样的好处是逻辑可能比较简单，可以在大脑中脑补每秒 60帧，然后按 60帧设置参数，想事情。

这样一来，更新逻辑 Update(dt)可能就会和垂直同步事件强绑定。要知道有些投影仪可能只有 50帧，而某些显示器，有 144帧；然后就是它也和垂直同步选项强绑定，一旦关闭垂直同步， Update逻辑可能就会过快而导致程序运行不正常。

我的做法是将这些逻辑稍作封装，代码中的配置，只与真实世界中的时间相关，而与垂直同步选项无关：

const float SecondsPerDay = 0.3f; // 模拟器的秒数，对应真实一天
class City
{float dayAccumulate = 0;public void Update(float dt){// step movefor (var i = 0; i < Persons.Length; ++i){Persons[i].MoveAroundInCity(dt, CitySize);}// step statusdayAccumulate += dt;day += (dt / SecondsPerDay);while (dayAccumulate >= SecondsPerDay){StepDay();dayAccumulate -= SecondsPerDay;}}
}

注意我使用了一个 SecondsPerDay，来控制模拟器的运行速度，将这个值调大或调小，不影响运行的最终结果。

我还使用了一个 dayAccumulate值，用于做按“天”更新判断，这样的话，无论函数调用频率如何，调用 StepDay()时都会确保相隔“一整天”。

细节介绍五 - 缩放管理

和时间管理一样，我认为窗口大小与缩放控制也很重要，否则程序只能以一种固定的分辨率、 DPI来运行。我使用的是我自己写的“准”游戏引擎 FlysEngine，它基于 Direct2D，可以通过矩阵变换轻松地管理好程序缩放：

protected override void OnDraw(DeviceContext ctx)
{ctx.Clear(Color.DarkGray);float minEdge = Math.Min(ClientSize.Width / 2, ClientSize.Height / 2);float scale = minEdge / 540; // relative coordinatectx.Transform =Matrix3x2.Scaling(scale) *Matrix3x2.Translation(ClientSize.Width / 2, ClientSize.Height / 2);City.Draw(ctx, XResource);
}

注意我定义了一个“魔法值”—— 540，它是 FHD1920x1080中，短边 1080的一半。

这样一来，有两个好处。

首先，我程序后面所有代码，都可以按照 1920x1080的“相对值”进行设计。无论客户的桌面分辨率是 4kUHD还是 1366x768，都会以相同的比例做缩放。

其次我还将坐标原点设为屏幕的正中心，这样也更加简化了我的后续代码，比如在控制 Person的出生点时，我可以通过极坐标系直接生成：

struct Person
{public static Person Create(float citySize){float phi = random.NextFloat(0, MathUtil.TwoPi);float r = random.NextFloat(0, citySize);var p = new Person { Status = PersonStatus.Healthy };p.Position.X = MathF.Sin(phi) * r;p.Position.Y = -MathF.Cos(phi) * r;p.Direction = random.NextFloat(0, MathF.PI * 2);return p;}// 其它代码
}

总结

本文从五个细节聊了我的【.NET疫情传播程序】的代码，其实这些代码不光应用在这个程序中，也应用到了我写过的许多小游戏和模拟器，都非常重要。

所有这些代码都已经上传到我的 Github：https://github.com/sdcb/2019-ncp-simulation，各位可以自由 star/ fork/提 issue/ PR。