优化石头剪刀布游戏：数学技巧提升性能-Python教程-PHP中文网

优化石头剪刀布游戏：数学技巧提升性能

碧海醫心

发布： 2025-11-01 10:42:01

原创

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优化石头剪刀布游戏：数学技巧提升性能

本文通过分析两种不同的石头剪刀布游戏算法，揭示了看似简单的数学优化如何显著提升程序性能。通过对比枚举法和取模运算，我们发现，在特定场景下，运用数学技巧减少判断次数，可以有效地降低CPU运算负担，最终实现更高效的代码执行。即使取模运算本身存在一定的性能消耗，但整体效率仍然优于枚举法。

在编程中，优化算法以提升性能是至关重要的。即使是看似简单的游戏，也能通过巧妙的数学方法进行优化。本文将深入探讨石头剪刀布游戏的两种不同实现方式，并分析其性能差异，旨在帮助读者理解如何在实际编程中运用数学技巧来提升代码效率。

两种实现方式的对比

通常，石头剪刀布游戏可以用数字0、1和2分别代表石头、剪刀和布。最直接的实现方式是枚举所有可能的9种情况：

import random

def brute_force(a, b):
    if a == 0 and b == 0:
        pass #print("draw game")
    elif a == 0 and b == 1:
        pass #print("winner is A")
    elif a == 0 and b == 2:
        pass #print("winner is B")
    elif a == 1 and b == 0:
        pass #print("winner is B")
    elif a == 1 and b == 1:
        pass #print("draw game")
    elif a == 1 and b == 2:
        pass #print("winner is A")
    elif a == 2 and b == 0:
        pass #print("winner is A")
    elif a == 2 and b == 1:
        pass #print("winner is B")
    else: # a == 2 and b == 2:
        pass #print("draw game")

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另一种更简洁的实现方式是利用取模运算：

def mod(a, b):
    if a == b:
        pass #print("draw game")
    elif a == (b + 1) % 3:
        pass #print("winner is B")
    else:
        pass #print("winner is A")

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乍一看，由于取模运算%可能比简单的==比较更耗费CPU资源，因此第二种方法的性能可能更差。然而，实际测试结果却表明，使用取模运算的算法运行速度更快。

性能测试与分析

为了验证上述观点，我们进行了一系列性能测试。首先，生成大量的测试用例，然后分别使用两种算法进行处理，并记录运行时间。

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import time

def brute_force(a, b):
    if a == 0 and b == 0:
        pass
    elif a == 0 and b == 1:
        pass
    elif a == 0 and b == 2:
        pass
    elif a == 1 and b == 0:
        pass
    elif a == 1 and b == 1:
        pass
    elif a == 1 and b == 2:
        pass
    elif a == 2 and b == 0:
        pass
    elif a == 2 and b == 1:
        pass
    else:
        pass

def mod(a, b):
    if a == b:
        pass
    elif a == (b + 1) % 3:
        pass
    else:
        pass

if __name__ == '__main__':
    testcases = [(0, 0), (0, 1), (0, 2), (1, 0), (1, 1), (1, 2), (2, 0), (2, 1), (2, 2)]

    num_repetitions = 1_000_000

    start_time = time.time()
    for i in range(num_repetitions):
        for a, b in testcases:
            brute_force(a, b)
    end_time = time.time()
    print(f"brute_force time: {end_time - start_time}")

    start_time = time.time()
    for i in range(num_repetitions):
        for a, b in testcases:
            mod(a, b)
    end_time = time.time()
    print(f"mod time: {end_time - start_time}")

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测试结果显示，mod方法通常比brute_force方法快。这是因为mod方法在大多数情况下需要执行的条件判断次数更少。brute_force方法需要最多9次条件判断，而mod方法只需要最多3次。尽管取模运算本身会消耗一些时间，但减少条件判断次数带来的性能提升更为显著。

进一步分析，我们可以统计每种情况下两种算法需要进行的条件判断次数：