用宝可梦解释 Prolog 基础

原文作者：Alexander Petros
原文链接：Prolog Basics Explained with Pokémon
本文已获授权翻译，有删节和注释。

启发这篇文章的项目有点傻——我要详细描述一个儿童电子游戏的机制——但正是这个特定问题最终让我真正理解了 Prolog。这是自从读了 Bruce Tate 的《七周七语言》以来一直在追寻的顿悟。

对于某些类型的关系，逻辑编程是我用过的最简洁、最具表现力的编程系统。要理解为什么，让我们来聊聊宝可梦。

宝可梦基础

宝可梦是一个电子游戏系列，设定在一个人类与各种色彩缤纷的动物角色共存的世界。“Pokémon” 既是系列名称，也是这些动物角色的统称，每个角色都有自己的物种名称。从妙蛙种子（#1）到桃歹郎（#1025），共有超过一千种不同的宝可梦物种。

现在有各种各样的宝可梦游戏，但主系列始终围绕着捕捉和对战。在对战中，你的六只宝可梦队伍与另一支队伍交锋。每只宝可梦配备四个招式，通常用来对对手造成伤害。你需要将对方所有宝可梦的 HP 减到零，同时防止对方先对你做同样的事。

每只宝可梦都有独特的特性影响对战表现：基础能力值、可学的招式、特性和属性组合。这里的庞大组合数量正是试图用软件来追踪这些信息的动机。

速度决定哪个招式先出手；攻击和特攻分别影响物理招式和特殊招式的伤害；防御和特防影响受到的伤害。

属性尤其重要。招式有属性（如火或岩石），宝可梦可以拥有最多两种属性。如果招式属性对对方宝可梦效果绝佳，造成双倍伤害；效果不佳则只造成一半伤害。

举个直观的例子：火属性的喷射火焰对草属性宝可梦造成 2 倍伤害（草弱火），但水属性的冲浪只造成 ½ 伤害（草抗水）。

属性修正可以叠加。巨钳螳螂是虫/钢属性，虫和钢都弱火，所以火属性招式对它造成 4 倍伤害。电弱水，但地面免疫电——如果你对水/地面的巨沼怪使用电属性招式，伤害为零，因为 0×2 还是 0。

这些基本上就是我 8 岁时理解的宝可梦机制。点击招式造成伤害，尽量选择属性相克有利的招式。这些游戏是为儿童设计的，表面上看并不难。

Prolog 基础

在解释宝可梦机制底层有多复杂之前，先解释逻辑编程的工作原理。宝可梦非常适合逻辑编程，因为宝可梦对战本质上是一个极其精密的规则引擎。

首先创建一个包含事实的文件：

pokemon(bulbasaur).
pokemon(ivysaur).
pokemon(venusaur).
pokemon(charmander).
pokemon(charmeleon).
pokemon(charizard).
pokemon(squirtle).
pokemon(wartortle).
pokemon(blastoise).

在 Prolog 中，我们声明"谓词"（Predicate）。谓词定义关系：bulbasaur 是一个 pokemon，charmander 是一个 pokemon，以此类推。我们称这个谓词为 pokemon/1，因为它有一个参数。

这些事实被加载到一个交互式提示符——“顶层”（top-level）中。你输入一个语句到提示符，Prolog 试图找出所有使该语句为真的方式：

?- pokemon(squirtle).
   true.

不是所有东西都是宝可梦。

?- pokemon(alex).
   false.

接着添加宝可梦的属性，作为谓词 type/2：

type(bulbasaur, grass).
type(bulbasaur, poison).
type(ivysaur, grass).
type(ivysaur, poison).
type(charmander, fire).
type(squirtle, water).
type(blastoise, water).

有些宝可梦只有一种属性，有些有两种。后一种情况用两个 type 事实建模。妙蛙种子是草属性，也是毒属性——两者都为真。

交互式查询：

?- type(squirtle, water).
   true.
?- type(squirtle, grass).
   false.

Prolog 中首字母大写的名字是变量。Prolog 尝试将谓词与变量的所有可能匹配进行"合一"：

?- type(squirtle, Type).
   Type = water.

对于有两种属性的宝可梦，谓词会合一两次：

?- type(venusaur, Type).
   Type = grass
;  Type = poison.

分号 ; 表示"或"。任何参数都可以是变量，这意味着我们可以从任意方向提问。所有草属性宝可梦有哪些？只需把第一个参数设为变量：

?- type(Pokemon, grass).
   Pokemon = bulbasaur
;  Pokemon = ivysaur
;  Pokemon = venusaur
;  ...

逗号用于列出多个谓词——Prolog 会合一变量使得所有谓词都为真。列出所有水/冰属性的宝可梦：

?- type(Pokemon, water), type(Pokemon, ice).
   Pokemon = dewgong
;  Pokemon = cloyster
;  Pokemon = lapras
;  Pokemon = ironbundle
;  false.

Iron Bundle 是一只水/冰属性宝可梦，特攻很高。具体多高？

?- pokemon_spa(ironbundle, SpA).
   SpA = 124.

特攻这么高，我们想利用强力的特殊招式。Iron Bundle 会哪些特殊招式？

?- learns(ironbundle, Move), move_category(Move, special).
   Move = blizzard
;  Move = freezedry
;  Move = hydropump
;  Move = icebeam
;  Move = icywind
;  ...

Freeze-Dry 是一个特别好的特殊招式。找出所有特攻大于 120、会 Freeze-Dry 的冰属性宝可梦：

?- pokemon_spa(Pokemon, SpA), SpA #> 120, learns(Pokemon, freezedry), type(Pokemon, ice).
   Pokemon = glaceon, SpA = 130
;  Pokemon = kyurem, SpA = 130
;  Pokemon = kyuremwhite, SpA = 170
;  Pokemon = ironbundle, SpA = 124.

最后一个概念：规则（Rules）。规则有头部和主体，如果主体为真，则规则合一：

damaging_move(Move) :-
  move_category(Move, physical)
; move_category(Move, special).

?- damaging_move(tackle).
   true.
?- damaging_move(rest).
   false.

SQL 对比

到目前为止展示的内容在逻辑上并不复杂——只是关于各种事实的"与"和"或"语句。不过请花一点时间体会一下，查询这个数据库比 SQL 舒服多少。

我会这样设置 SQL 表：

CREATE TABLE pokemon (pokemon_name TEXT, special_attack INTEGER);
CREATE TABLE pokemon_types(pokemon_name TEXT, type TEXT);
CREATE TABLE pokemon_moves(pokemon_name TEXT, move TEXT, category TEXT);

然后查询特攻 > 120、会 Freeze-Dry 的冰属性宝可梦：

SELECT DISTINCT pokemon, special_attack
FROM pokemon as p
WHERE p.special_attack > 120
  AND EXISTS (SELECT 1 FROM pokemon_moves as pm
    WHERE p.pokemon_name = pm.pokemon_name AND move = 'freezedry')
  AND EXISTS (SELECT 1 FROM pokemon_types as pt
    WHERE p.pokemon_name = pt.pokemon_name AND type = 'ice');

对比等效的 Prolog 查询：

?- pokemon_spa(Pokemon, SpA), SpA #> 120, learns(Pokemon, freezedry), type(Pokemon, ice).

我不是在贬低 SQL——我很喜欢 SQL——但 Prolog 版本简单和灵活得令人惊叹。如果我们继续添加更多条件，SQL 查询会变得难以管理，而 Prolog 查询仍然易于阅读和编辑。

升级

宝可梦对战拥有数量惊人的机制，以复杂且概率性的方式相互影响。我尚未提及的部分机制：

• 某些招式有一定概率落空
• 某些招式会提升或降低能力值
• 宝可梦可以携带具有各种效果的物品
• 伤害计算不是恒定的，而是呈正态分布
• 宝可梦可以被冰冻、灼伤、麻痹、中毒或陷入睡眠
• 各种场地效果（天气、戏法空间等）会改变招式伤害和出手顺序
• 每只宝可梦都有一个特性（如漂浮免疫地面招式、降雨改变天气、强行增伤 1.3 倍）
• 玩家分配努力值提升选定能力值

如果你想为这个游戏构建软件，挑战在于在所有复杂性的建模过程中不疯掉。Prolog 在这方面出奇地擅长，主要有两个原因：

• 查询模型擅长描述临时组合
• 数据模型非常适合以一致的方式分层叠加规则

为了说明这一点，以下是我为宝可梦选秀联赛实现优先度招式的过程。

宝可梦选秀大致就是字面意思。宝可梦根据实力被赋予分值，每个玩家获得一定分数，轮流选直到用完。你的队伍最终会有大约 8-11 只宝可梦，每周你和联赛中的另一个人正面交锋。

我定义的队伍：

alex(meowscarada).
alex(weezinggalar).
alex(swampertmega).
alex(latios).
alex(volcarona).
alex(tornadus).
alex(politoed).
alex(archaludon).
alex(beartic).
alex(dusclops).

我的宝可梦里有哪些会 Freeze-Dry？

?- alex(Pokemon), learns(Pokemon, freezedry).
   false.

一个都没有。唉。

非常重要的一类招式为优先度招式。大多数招式的优先度为零：

?- move_priority(Move, P).
   Move = absorb, P = 0
;  Move = accelerock, P = 1
;  Move = acid, P = 0
;  ...

Accelerock 的优先度为 1。使用它的宝可梦会先于任何使用优先度 0 招式的宝可梦行动，即使后者速度更高。

我定义一个 learns_priority/3 谓词：

learns_priority(Pokemon, Move, P) :-
  learns(Pokemon, Move),
  move_priority(Move, P),
  P #> 0.

“我的队伍学会了哪些优先度招式”——返回了大量答案，但很多是双打专用招式。过滤掉双打招式和保护招式：

learns_priority(Mon, Move, Priority) :-
  learns(Mon, Move),
  \+ doubles_move(Move),
  \+ protection_move(Move),
  Move \= bide,
  move_priority(Move, Priority),
  Priority #> 0.

doubles_move(helpinghand).
doubles_move(allyswitch).
doubles_move(ragepowder).
protection_move(detect).
protection_move(protect).
protection_move(endure).
protection_move(magiccoat).

搞定！结果精简为真正有用的优先度招式：

?- alex(Pokemon), learns_priority(Pokemon, Move, Priority).
   Pokemon = meowscarada, Move = quickattack, Priority = 1
;  Pokemon = meowscarada, Move = suckerpunch, Priority = 1
;  Pokemon = beartic, Move = aquajet, Priority = 1
;  Pokemon = dusclops, Move = shadowsneak, Priority = 1
;  Pokemon = dusclops, Move = suckerpunch, Priority = 1.

优先度招式的缺乏实际上是我的队伍的一大弱点。

同样地查询对手的优先度招式也非常有用：

?- morry(Pokemon), learns_priority(Pokemon, Move, Priority).
   Pokemon = mawilemega, Move = suckerpunch, Priority = 1
;  Pokemon = walkingwake, Move = aquajet, Priority = 1
;  ...

此时，Morry 提了一个挑战：恶作剧之心特性的宝可梦，其变化招式额外获得 +1 优先度。能否在规则中体现？

我的队伍恰好有一只这样的宝可梦——Tornadus。使用 Prolog 的 if/then 结构 ->/2，三分钟搞定：

learns_priority(Mon, Move, Priority) :-
  learns(Mon, Move),
  \+ doubles_move(Move),
  \+ protection_move(Move),
  Move \= bide,
  move_priority(Move, BasePriority),
  (
    pokemon_ability(Mon, prankster), move_category(Move, status) ->
      Priority #= BasePriority + 1
    ; Priority #= BasePriority
  ),
  Priority #> 0.

现在查询会包含 Tornadus 所有变化招式的提升后优先度。

与电子表格的比较

宝可梦社区已经有类似的工具，构建在最优秀的编程界面上：朴素的电子表格。

我使用一份被称为"Techno’s Prep Doc"的 Google Sheets，输入队伍后自动生成海量对阵信息。

我好奇它的优先度招式查找公式是怎样的。

结果是——相当复杂：

={IFERROR(ARRAYFORMULA(VLOOKUP(FILTER(INDIRECT(Matchup!$S$3&"!$AV$4:$AV"),
INDIRECT(Matchup!$S$3&"!$AT$4:$AT")="X"),
{Backend!$L$2:$L,Backend!$F$2:$F},2,FALSE))),
IFERROR(FILTER(INDIRECT(Matchup!$S$3&"!$AW$4:$AW"),
INDIRECT(Matchup!$S$3&"!$AT$4:$AT")="X"))}

Prolog 的范式显然更具可扩展性。电子表格后端是一个硬编码的显要招式列表，而我的数据库可以查找任何招式。这个查询——找出 Tornadus 学会的、对 Justin 队伍中任何成员效果绝佳的特殊招式——在现有工具中根本不存在。我只用了 30 秒就拼出来了：

?- justin(Target), learns(tornadus, Move),
   super_effective_move(Move, Target), move_category(Move, special).
   Target = charizardmegay, Move = chillingwater
;  Target = scizor, Move = heatwave
;  Target = scizor, Move = incinerate
;  Target = screamtail, Move = sludgebomb
;  ...

最后的思考

这个项目始于一个玩笑——“如果我拿 Prolog 来做宝可梦组队会怎样”——但它教给我的逻辑编程知识比任何教科书都多。

我最大的领悟是：Prolog 迫使你思考什么是真的，而不是做什么。 在命令式编程中，大部分精力花在控制流上。在 Prolog 中，你只需陈述什么是真的，让求解器处理剩下的事。

对于一个有着数千条互动规则的规则引擎（比如宝可梦对战），这简直是天启。与其写 if/else 链检查属性相克，不如声明属性表，让 Prolog 处理其余部分。

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祝编码愉快，愿你的属性相克永远是效果绝佳。