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交通灯管理系统

 

交通灯管理系统的项目需求

模拟实现十字路口的交通灯管理系统逻辑，具体需求如下：

l  异步随机生成按照各个路线行驶的车辆。

例如：

         由南向北向的车辆 ---- 直行车辆

         由西向南向的车辆 ---- 右转车辆

         由东向南向的车辆 ---- 左转车辆

         ……

l  信号灯忽略黄灯，只考虑红灯和绿灯。

l  应考虑左转车辆控制信号灯，右转车辆不受信号灯控制。

l  具体信号灯控制逻辑与现实生活中普通交通灯逻辑相同，不考虑特殊情况下的控制逻辑。

注：南北向车辆与东西向车辆交替放行，同方向等待车辆应先放行执行车辆而后放行左转车辆。

l  每辆车通过路口时间为1秒（提示：可通过现场Sleep的方式模拟）。

l  随机生成车辆时间间隔以及红绿灯交换时间间隔自定，可以设置。

l  不要求实现GUI，只考虑系统逻辑实现，可通过Log方式展现程序运行结果。

 

如图所示：

总共有12条路线，为了统一编程模型，可以假设每条路线都有一个红绿灯对其进行控制，右转弯的4条路线的控制灯可以假设称为常绿状态，另外，其他的8条线路是两两成对的，可以归为4组，所以，程序只需考虑图中标注了数字号的4条路线的控制灯的切换顺序，这4条路线相反方向的路线的控制灯跟随这4条路线切换，不必额外考虑。

 

 

 

分析：

l  每条路线上都会出现多辆车，路线上要随机增加新的车，在灯绿期间还要每秒钟减少一辆车辆。

1.       设计一个Road类来表示路线，每个Road对象代表一条路线，总共有12条路线，即系统中总共要产生12个R oad示例对象。

2.       每条路线上随机增加新的车辆，增加到一个集合中保存。

3.       每条路线每隔一秒都会检查控制本路线的灯是否为绿，是则将本路线保存车的集合中的第一辆车已出，即表示车穿过了路口。

l  每条路线每隔一秒都会检查控制本路线的灯是否为绿，一个灯由绿变红时，应该将下一个方向的灯变绿。

1.       设计一个Lamp类来表示一个交通灯，每个交通灯都维护一个状态：亮（绿）或不亮（红），每个交通灯要有变亮和变黑的方法，并且能返回自己的亮黑状态。

2.       总共有12条路线，所以，系统中总共要产生12个交通灯。右拐弯的路线本来不受灯的控制，但是为了让程序采用统一的处理方式，故假设出有四个右拐弯的灯，只是这些灯为常亮状态，即永远不变黑。

3.       除了右拐弯方向的其他8条路线的灯，它们是两两成对的，可以归为4组，所以，在编程处理时，只要从这4组中各取出一个灯，对这4个灯依次轮询变亮，与这4个灯方向对应的灯则随之一同变化，因此Lamp类中要有一个变量来记住自己相反方向的灯，在一个Lamp对象的变亮和变黑方法中，将对应方向的灯也变亮和变黑。每个灯变黑时，都伴随者下一个灯的变亮，Lamp类中还用一个变量来记住自己的下一个灯。

4.       无论在程序的什么地方去获得某个方向的灯时，每次获得的都是同一个实例对象，所以Lamp类改用枚举来做显然具有很大的方便性，永远都只有代表12个方向的灯的实例对象。

5.       设计一个LampController类，它定时让当前的绿灯变红。

 

我们初步设想一下有哪些对象：红绿灯，红绿灯的控制系统，汽车，路线。汽车看到自己所在路线对应的灯绿了就穿过路口吗？不是，还需要看其前面是否有车，看前面是否有车，该问哪个对象呢？该问路，路中存储着车辆的集合，显然路上就应该有增加车辆和减少车辆的方法了。再看题目，我们这里并不要体现车辆移动的过程，只是捕捉出车辆穿过路口的过程，也就是捕捉路上减少一辆车的过程，所以，这个车并不需要单独设计成为一个对象，用一个字符串表示就可以了。

面向对象设计把握一个重要的经验：谁拥有数据，谁就对外提供操作这些数据的方法。再牢牢掌握几个典型的案例就可以了：人在黑板上画圆，列车司机紧急刹车，售货员统计收获小票的金额，你把门关上了等。

 

 

首先是Road类的编写

l  每个Road对象都有一个name成员变量来代表方向，有一个vehicles成员变量来代表方向上的车辆集合。

l  在Road对象的构造方法中启动一个线程每隔一个随机的时间向vehicles集合中增加一辆车（用一个“路线名_id”形式的字符串进行标示）。

l  在Road对象的构造方法中启动一个定时器，每隔一秒检查该方向上的灯是否为绿，是则打印车辆集合将集合中的第一辆车移除掉。

 

以下是Road类：

import java.util.ArrayList;import java.util.List;import java.util.Random;import java.util.concurrent.ExecutorService;import java.util.concurrent.Executors;import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;import java.util.concurrent.TimeUnit;/** * 每个Road对象代表一条路线，总共有12条路线，即系统中总共要产生12个Road实例对象。 每条路线上随机增加新的车辆，增加到一个集合中保存。 * 每条路线每隔一秒都会检查控制本路线的灯是否为绿，是则将本路线保存车的集合中的第一辆车移除，即表示车穿过了路口。 */public class Road {private List<String> vechicles = new ArrayList<String>();// 方向上车辆的集合private String name = null;// 某个方向上的车public Road(String name) {this.name = name;// 模拟车辆不断随机上路的过程ExecutorService pool = Executors.newSingleThreadExecutor();pool.execute(new Runnable() {public void run() {for (int i = 1; i < 1000; i++) {try {Thread.sleep((new Random().nextInt(10) + 1) * 1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}vechicles.add(Road.this.name + "_" + i);}}});// 每隔一秒检查对应的灯是否为绿，是则放行一辆车ScheduledExecutorService timer = Executors.newScheduledThreadPool(1);timer.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {public void run() {if (vechicles.size() > 0) {boolean lighted = Lamp.valueOf(Road.this.name).isLighted();if (lighted) {System.out.println(vechicles.remove(0)+ " is traversing !");}}}}, 1, 1, TimeUnit.SECONDS);}}

 

其次是Lamp类的编写

l  系统中有12个方向上的灯，在程序的其他地方要根据灯的名称就可以获得对应的灯的实例对象，综合这些因素，将Lamp类用java5中的枚举形式定义更为简单。

l  每个Lamp对象中的亮黑状态用lighted变量表示，选用S2N、S2W、E2W、E2N这四个方向上的Lamp对象依次轮询变亮，Lamp对象中还要有一个oppositeLampName变量来表示它们相反方向的灯，再用一个nextLampName变量来表示此灯变亮后的下一个变亮的灯。这三个变量用构造方法的形式进行赋值，因为枚举元素必须在定义之后引用，所以无法再构造方法中彼此相互引用，所以，相反方向和下一个方向的灯用字符串形式表示。

l  增加让Lamp变亮和变黑的方法：light和blackOut，对于S2N、S2W、E2W、E2N这四个方向上的Lamp对象，这两个方法内部要让相反方向的灯随之变亮和变黑，blackOut方法还要让下一个灯变亮。

l  除了S2N、S2W、E2W、E2N这四个方向上的Lamp对象之外，其他方向上的Lamp对象的nextLampName和oppositeLampName属性设置为null即可，并且S2N、S2W、E2W、E2N这四个方向上的Lamp对象的nextLampName和oppositeLampName属性必须设置为null，以便防止light和blackOut进入死循环。

 

以下是Lamp类：

/** * 每个Lamp元素代表一个方向上的灯，总共有12个方向，所有总共有12个Lamp元素。 有如下一些方向上的灯,每两个形成一组，一组灯同时变绿或变红，所以， * 程序代码只需要控制每组灯中的一个灯即可： s2n,n2s s2w,n2e e2w,w2e e2s,w2n s2e,n2w e2n,w2s * 上面最后两行的灯是虚拟的，由于从南向东和从西向北、以及它们的对应方向不受红绿灯的控制， 所以，可以假想它们总是绿灯。 *  * @author 张孝祥 www.it315.org *//**/public enum Lamp {/* 每个枚举元素各表示一个方向的控制灯 */S2N("N2S", "S2W", false), S2W("N2E", "E2W", false), E2W("W2E", "E2S", false), E2S("W2N", "S2N", false),/* 下面元素表示与上面的元素的相反方向的灯，它们的“相反方向灯”和“下一个灯”应忽略不计！ */N2S(null, null, false), N2E(null, null, false), W2E(null, null, false), W2N(null, null, false),/* 由南向东和由西向北等右拐弯的灯不受红绿灯的控制，所以，可以假想它们总是绿灯 */S2E(null, null, true), E2N(null, null, true), N2W(null, null, true), W2S(null, null, true);private Lamp(String opposite, String next, boolean lighted) {this.opposite = opposite;this.next = next;this.lighted = lighted;}/* 当前灯是否为绿 */private boolean lighted;/* 与当前灯同时为绿的对应方向 */private String opposite;/* 当前灯变红时下一个变绿的灯 */private String next;public boolean isLighted() {return lighted;}/** * 某个灯变绿时，它对应方向的灯也要变绿 */public void light() {this.lighted = true;if (opposite != null) {Lamp.valueOf(opposite).light();}System.out.println(name() + " lamp is green，下面总共应该有6个方向能看到汽车穿过！");}/** * 某个灯变红时，对应方向的灯也要变红，并且下一个方向的灯要变绿 *  * @return 下一个要变绿的灯 */public Lamp blackOut() {this.lighted = false;if (opposite != null) {Lamp.valueOf(opposite).blackOut();}Lamp nextLamp = null;if (next != null) {nextLamp = Lamp.valueOf(next);System.out.println("绿灯从" + name() + "-------->切换为" + next);nextLamp.light();}return nextLamp;}}

 

然后是LampController类的编写

l  整个系统中只能有一套交通灯控制系统，所以，LampController类最好是设计成单例。

l  LampController构造方法中要设定第一个为绿的灯。

l  LampController对象的start方法中将当前灯变绿，然后启动一个定时器，每隔10秒将当前灯变红和将下一个灯变绿。

 

以下是LampController类：

import java.util.concurrent.Executors;import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;import java.util.concurrent.TimeUnit;public class LampController {private Lamp currentLamp;public LampController() {// 刚开始让由南向北的灯变绿;currentLamp = Lamp.S2N;currentLamp.light();/* 每隔10秒将当前绿灯变为红灯，并让下一个方向的灯变绿 */ScheduledExecutorService timer = Executors.newScheduledThreadPool(1);timer.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {public void run() {System.out.println("来啊");currentLamp = currentLamp.blackOut();}}, 10, 10, TimeUnit.SECONDS);}}

 

最后是MainClass类的编写

l  用for循环创建出代表12条路线的对象。

l  接着再获得LampController对象并调用其start方法。

 

以下是MainClass类：

public class MainClass {public static void main(String[] args) {/* 产生12个方向的路线 */String[] directions = new String[] { "S2N", "S2W", "E2W", "E2S", "N2S","N2E", "W2E", "W2N", "S2E", "E2N", "N2W", "W2S" };for (int i = 0; i < directions.length; i++) {new Road(directions[i]);}/* 产生整个交通灯系统 */new LampController();}}

 

到此程序就编写完了，那么我们来测试一下程序到底对不对：

OK，运行没错，结束。

 

 

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