摘要：來源編程精解中文第三版翻譯項目原文譯者飛龍協議自豪地采用谷歌翻譯置疑計算機能不能思考就相當于置疑潛艇能不能游泳。這張圖將成為我們的機器人在其中移動的世界。機器人在收到包裹時拾取包裹，并在抵達目的地時將其送達。這個機器人已經快了很多。

來源：ApacheCN『JavaScript 編程精解 中文第三版』翻譯項目
原文：Project: A Robot
譯者：飛龍
協議：CC BY-NC-SA 4.0
自豪地采用谷歌翻譯
[...] 置疑計算機能不能思考 [...] 就相當于置疑潛艇能不能游泳。
艾茲格爾·迪科斯特拉，《計算機科學的威脅》

在“項目”章節中，我會在短時間內停止向你講述新理論，相反我們會一起完成一個項目。 學習編程理論是必要的，但閱讀和理解實際的計劃同樣重要。

我們在本章中的項目是構建一個自動機，一個在虛擬世界中執行任務的小程序。 我們的自動機將是一個接送包裹的郵件遞送機器人。

Meadowfield 村不是很大。 它由 11 個地點和 14 條道路組成。 它可以用roads數組來描述：

const roads = [
  "Alice"s House-Bob"s House",   "Alice"s House-Cabin",
  "Alice"s House-Post Office",   "Bob"s House-Town Hall",
  "Daria"s House-Ernie"s House", "Daria"s House-Town Hall",
  "Ernie"s House-Grete"s House", "Grete"s House-Farm",
  "Grete"s House-Shop",          "Marketplace-Farm",
  "Marketplace-Post Office",     "Marketplace-Shop",
  "Marketplace-Town Hall",       "Shop-Town Hall"
];

村里的道路網絡形成了一個圖。 圖是節點（村里的地點）與他們之間的邊（道路）的集合。 這張圖將成為我們的機器人在其中移動的世界。

字符串數組并不易于處理。 我們感興趣的是，我們可以從特定地點到達的目的地。 讓我們將道路列表轉換為一個數據結構，對于每個地點，都會告訴我們從那里可以到達哪些地點。

function buildGraph(edges) {
  let graph = Object.create(null);
  function addEdge(from, to) {
    if (graph[from] == null) {
      graph[from] = [to];
    } else {
      graph[from].push(to);
    }
  }
  for (let [from, to] of edges.map(r => r.split("-"))) {
    addEdge(from, to);
    addEdge(to, from);
  }
  return graph;
}

const roadGraph = buildGraph(roads);

給定邊的數組，buildGraph創建一個映射對象，該對象為每個節點存儲連通節點的數組。

它使用split方法，將形式為"Start-End"的道路字符串，轉換為兩元素數組，包含起點和終點作為單個字符串。

我們的機器人將在村莊周圍移動。 在各個地方都有包裹，每個都寄往其他地方。 機器人在收到包裹時拾取包裹，并在抵達目的地時將其送達。

自動機必須在每個點決定下一步要去哪里。 所有包裹遞送完成后，它就完成了任務。

為了能夠模擬這個過程，我們必須定義一個可以描述它的虛擬世界。 這個模型告訴我們機器人在哪里以及包裹在哪里。 當機器人決定移到某處時，我們需要更新模型以反映新情況。

如果你正在考慮面向對象編程，你的第一個沖動可能是開始為世界中的各種元素定義對象。 一個機器人，一個包裹，也許還有一個地點。 然后，它們可以持有描述其當前狀態的屬性，例如某個位置的一堆包裹，我們可以在更新世界時改變這些屬性。

這是錯的。

至少，通常是這樣。 一個東西聽起來像一個對象，并不意味著它應該是你的程序中的一個對象。 為應用程序中的每個概念反射式編寫類，往往會留下一系列互連對象，每個對象都有自己的內部的變化的狀態。 這樣的程序通常很難理解，因此很容易崩潰。

相反，讓我們將村莊的狀態壓縮成定義它的值的最小集合。 機器人的當前位置和未送達的包裹集合，其中每個都擁有當前位置和目標地址。這樣就夠了。

當我們到達新地點時，讓我們這樣做，在機器人移動時不會改變這種狀態，而是在移動之后為當前情況計算一個新狀態。

class VillageState {
  constructor(place, parcels) {
    this.place = place;
    this.parcels = parcels;
  }

  move(destination) {
    if (!roadGraph[this.place].includes(destination)) {
      return this;
    } else {
      let parcels = this.parcels.map(p => {
        if (p.place != this.place) return p;
        return {place: destination, address: p.address};
      }).filter(p => p.place != p.address);
      return new VillageState(destination, parcels);
    }
  }
}

move方法是動作發生的地方。 它首先檢查是否有當前位置到目的地的道路，如果沒有，則返回舊狀態，因為這不是有效的移動。

然后它創建一個新的狀態，將目的地作為機器人的新地點。 但它也需要創建一套新的包裹 - 機器人攜帶的包裹（位于機器人當前位置）需要移動到新位置。 而要寄往新地點的包裹需要送達 - 也就是說，需要將它們從未送達的包裹中移除。 "map"的調用處理移動，并且"filter"的調用處理遞送。

包裹對象在移動時不會更改，但會被重新創建。 move方法為我們提供新的村莊狀態，但完全保留了原有的村莊狀態。

let first = new VillageState(
  "Post Office",
  [{place: "Post Office", address: "Alice"s House"}]
);
let next = first.move("Alice"s House");

console.log(next.place);
// → Alice"s House
console.log(next.parcels);
// → []
console.log(first.place);
// → Post Office

move會使包裹被送達，并在下一個狀態中反映出來。 但最初的狀態仍然描述機器人在郵局并且包裹未送達的情況。

不會改變的數據結構稱為不變的（immutable）或持久性的（persistent）。 他們的表現很像字符串和數字，因為他們就是他們自己，并保持這種狀態，而不是在不同的時間包含不同的東西。

在 JavaScript 中，幾乎所有的東西都可以改變，所以使用應該持久性的值需要一些限制。 有一個叫做Object.freeze的函數，它可以改變一個對象，使其忽略它的屬性的寫入。 如果你想要小心，你可以使用它來確保你的對象沒有改變。 freeze確實需要計算機做一些額外的工作，忽略更新可能會讓一些人迷惑，讓他們做錯事。 所以我通常更喜歡告訴人們，不應該弄亂給定的對象，并希望他們記住它。

let object = Object.freeze({value: 5});
object.value = 10;
console.log(object.value);
// → 5

當語言顯然期待我這樣做時，為什么我不想改變對象？

因為它幫助我理解我的程序。 這又是關于復雜性管理。 當我的系統中的對象是固定的，穩定的東西時，我可以孤立地考慮操作它們 - 從給定的起始狀態移動到愛麗絲的房子，始終會產生相同的新狀態。 當對象隨著時間而改變時，這就給這種推理增加了全新的復雜性。

對于小型系統，例如我們在本章中構建的東西，我們可以處理那些額外的復雜性。 但是我們可以建立什么樣的系統，最重要的限制是我們能夠理解多少。 任何讓你的代碼更容易理解的東西，都可以構建一個更加龐大的系統。

不幸的是，盡管理解構建在持久性數據結構上的系統比較容易，但設計一個，特別是當你的編程語言沒有幫助時，可能會更難一些。 我們將在本書中尋找使用持久性數據結構的時機，但我們也將使用可變數據結構。

遞送機器人觀察世界并決定它想要移動的方向。 因此，我們可以說機器人是一個函數，接受VillageState對象并返回附近地點的名稱。

因為我們希望機器人能夠記住東西，以便他們可以制定和執行計劃，我們也會傳遞他們的記憶，并讓他們返回一個新的記憶。 因此，機器人返回的東西是一個對象，包含它想要移動的方向，以及下次調用時將返回給它的記憶值。

function runRobot(state, robot, memory) {
  for (let turn = 0;; turn++) {
    if (state.parcels.length == 0) {
      console.log(`Done in ${turn} turns`);
      break;
    }
    let action = robot(state, memory);
    state = state.move(action.direction);
    memory = action.memory;
    console.log(`Moved to ${action.direction}`);
  }
}

考慮一下機器人必須做些什么來“解決”一個給定的狀態。 它必須通過訪問擁有包裹的每個位置來拾取所有包裹，并通過訪問包裹寄往的每個位置來遞送，但只能在拾取包裹之后。

什么是可能有效的最愚蠢的策略？ 機器人可以在每回合中，向隨機方向行走。 這意味著很有可能它最終會碰到所有的包裹，然后也會在某個時候到達包裹應該送達的地方。

以下是可能的樣子：

function randomPick(array) {
  let choice = Math.floor(Math.random() * array.length);
  return array[choice];
}

function randomRobot(state) {
  return {direction: randomPick(roadGraph[state.place])};
}

請記住，Math.random()返回 0 和 1 之間的數字，但總是小于 1。 將這樣一個數乘以數組長度，然后將Math.floor應用于它，向我們提供數組的隨機索引。

由于這個機器人不需要記住任何東西，所以它忽略了它的第二個參數（記住，可以使用額外的參數調用 JavaScript 函數而不會產生不良影響）并省略返回對象中的memory屬性。

為了使這個復雜的機器人工作，我們首先需要一種方法來創建一些包裹的新狀態。 靜態方法（通過直接向構造函數添加一個屬性來編寫）是放置該功能的好地方。

VillageState.random = function(parcelCount = 5) {
  let parcels = [];
  for (let i = 0; i < parcelCount; i++) {
    let address = randomPick(Object.keys(roadGraph));
    let place;
    do {
      place = randomPick(Object.keys(roadGraph));
    } while (place == address);
    parcels.push({place, address});
  }
  return new VillageState("Post Office", parcels);
};

我們不想要發往寄出地的任何包裹。 出于這個原因，當do循環獲取與地址相同的地方時，它會繼續選擇新的地方。

讓我們建立一個虛擬世界。

runRobot(VillageState.random(), randomRobot);
// → Moved to Marketplace
// → Moved to Town Hall
// → …
// → Done in 63 turns

機器人需要花費很多時間來交付包裹，因為它沒有很好規劃。 我們很快就會解決。

為了更好地理解模擬，你可以使用本章編程環境中提供的runRobotAnimation函數。 這將運行模擬，但不是輸出文本，而是向你展示機器人在村莊地圖上移動。

runRobotAnimation(VillageState.random(), randomRobot);

runRobotAnimation的實現方式現在仍然是一個謎，但是在閱讀本書的后面的章節，討論 Web 瀏覽器中的 JavaScript 集成之后，你將能夠猜到它的工作原理。

我們應該能夠比隨機機器人做得更好。 一個簡單的改進就是從現實世界的郵件傳遞方式中獲得提示。 如果我們發現一條經過村莊所有地點的路線，機器人可以通行該路線兩次，此時它保證能夠完成。 這是一條這樣的路線（從郵局開始）。

const mailRoute = [
  "Alice"s House", "Cabin", "Alice"s House", "Bob"s House",
  "Town Hall", "Daria"s House", "Ernie"s House",
  "Grete"s House", "Shop", "Grete"s House", "Farm",
  "Marketplace", "Post Office"
];

為了實現路線跟蹤機器人，我們需要利用機器人的記憶。 機器人將其路線的其余部分保存在其記憶中，并且每回合丟棄第一個元素。

function routeRobot(state, memory) {
  if (memory.length == 0) {
    memory = mailRoute;
  }
  return {direction: memory[0], memory: memory.slice(1)};
}

這個機器人已經快了很多。 它最多需要 26 個回合（13 步的路線的兩倍），但通常要少一些。

runRobotAnimation(VillageState.random(), routeRobot, []);

不過，我不會盲目遵循固定的智能尋路行為。 如果機器人為需要完成的實際工作調整行為，它可以更高效地工作。

為此，它必須能夠有針對性地朝著給定的包裹移動，或者朝著包裹必須送達的地點。 盡管如此，即使目標距離我們不止一步，也需要某種尋路函數。

在圖上尋找路線的問題是一個典型的搜索問題。 我們可以判斷一個給定的解決方案（路線）是否是一個有效的解決方案，但我們不能像 2 + 2 這樣，直接計算解決方案。 相反，我們必須不斷創建潛在的解決方案，直到找到有效的解決方案。

圖上的可能路線是無限的。 但是當搜索A到B的路線時，我們只關注從A起始的路線。 我們也不關心兩次訪問同一地點的路線 - 這絕對不是最有效的路線。 這樣可以減少查找者必須考慮的路線數量。

事實上，我們最感興趣的是最短路線。 所以我們要確保，查看較長路線之前，我們要查看較短的路線。 一個好的方法是，從起點使路線“生長”，探索尚未到達的每個可到達的地方，直到路線到達目標。 這樣，我們只探索潛在的有趣路線，并找到到目標的最短路線（或最短路線之一，如果有多條路線）。

這是一個實現它的函數：

function findRoute(graph, from, to) {
  let work = [{at: from, route: []}];
  for (let i = 0; i < work.length; i++) {
    let {at, route} = work[i];
    for (let place of graph[at]) {
      if (place == to) return route.concat(place);
      if (!work.some(w => w.at == place)) {
        work.push({at: place, route: route.concat(place)});
      }
    }
  }
}

探索必須按照正確的順序完成 - 首先到達的地方必須首先探索。 我們不能到達一個地方就立即探索，因為那樣意味著，從那里到達的地方也會被立即探索，以此類推，盡管可能還有其他更短的路徑尚未被探索。

因此，該函數保留一個工作列表。 這是一系列應該探索的地方，以及讓我們到那里的路線。 它最開始只有起始位置和空路線。

然后，通過獲取列表中的下一個項目并進行探索，來執行搜索，這意味著，會查看從該地點起始的所有道路。 如果其中之一是目標，則可以返回完成的路線。 否則，如果我們以前沒有看過這個地方，就會在列表中添加一個新項目。 如果我們之前看過它，因為我們首先查看了短路線，我們發現，到達那個地方的路線較長，或者與現有路線一樣長，我們不需要探索它。

你可以在視覺上將它想象成一個已知路線的網，從起始位置爬出來，在各個方向上均勻生長（但不會纏繞回去）。 只要第一條線到達目標位置，其它線就會退回起點，為我們提供路線。

我們的代碼無法處理工作列表中沒有更多工作項的情況，因為我們知道我們的圖是連通的，這意味著可以從其他所有位置訪問每個位置。 我們始終能夠找到兩點之間的路線，并且搜索不會失敗。

function goalOrientedRobot({place, parcels}, route) {
  if (route.length == 0) {
    let parcel = parcels[0];
    if (parcel.place != place) {
      route = findRoute(roadGraph, place, parcel.place);
    } else {
      route = findRoute(roadGraph, place, parcel.address);
    }
  }
  return {direction: route[0], memory: route.slice(1)};
}

這個機器人使用它的記憶值作為移動方向的列表，就像尋路機器人一樣。 無論什么時候這個列表是空的，它都必須弄清下一步該做什么。 它會取出集合中第一個未送達的包裹，如果該包裹還沒有被拾取，則會繪制一條朝向它的路線。 如果包裹已經被拾取，它仍然需要送達，所以機器人會創建一個朝向遞送地址的路線。

讓我們看看如何實現。

runRobotAnimation(VillageState.random(),
                  goalOrientedRobot, []);

這個機器人通常在大約 16 個回合中，完成了送達 5 個包裹的任務。 略好于routeRobot，但仍然絕對不是最優的。

很難通過讓機器人解決一些場景來客觀比較他們。 也許一個機器人碰巧得到了更簡單的任務，或者它擅長的那種任務，而另一個沒有。

編寫一個compareRobots，接受兩個機器人（和它們的起始記憶）。 它應該生成 100 個任務，并讓每個機器人解決每個這些任務。 完成后，它應輸出每個機器人每個任務的平均步數。

為了公平起見，請確保你將每個任務分配給兩個機器人，而不是為每個機器人生成不同的任務。

function compareRobots(robot1, memory1, robot2, memory2) {
  // Your code here
}

compareRobots(routeRobot, [], goalOrientedRobot, []);

你能寫一個機器人，比goalOrientedRobot更快完成遞送任務嗎？ 如果你觀察機器人的行為，它會做什么明顯愚蠢的事情？如何改進它們？

如果你解決了上一個練習，你可能打算使用compareRobots函數來驗證你是否改進了機器人。

// Your code here

runRobotAnimation(VillageState.random(), yourRobot, memory);

標準 JavaScript 環境中提供的大多數數據結構不太適合持久使用。 數組有slice和concat方法，可以讓我們輕松創建新的數組而不會損壞舊數組。 但是Set沒有添加或刪除項目并創建新集合的方法。

編寫一個新的類PGroup，類似于第六章中的Group類，它存儲一組值。 像Group一樣，它具有add，delete和has方法。

然而，它的add方法應該返回一個新的PGroup實例，并添加給定的成員，并保持舊的不變。 與之類似，delete創建一個沒有給定成員的新實例。

該類應該適用于任何類型的值，而不僅僅是字符串。 當與大量值一起使用時，它不一定非常高效。

構造函數不應該是類接口的一部分（盡管你絕對會打算在內部使用它）。 相反，有一個空的實例PGroup.empty，可用作起始值。

為什么只需要一個PGroup.empty值，而不是每次都創建一個新的空分組？

class PGroup {
  // Your code here
}

let a = PGroup.empty.add("a");
let ab = a.add("b");
let b = ab.delete("a");

console.log(b.has("b"));
// → true
console.log(a.has("b"));
// → false
console.log(b.has("a"));
// → false