黑马程序员 交通灯管理系统

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一、题目要求

模拟实现十字路口的交通灯管理系统逻辑，具体需求如：

1、异步随机生成按照各个路线行驶的车辆。

例如：

        由南向而来去往北向的车辆 ----直行车辆

        由西向而来去往南向的车辆 ----右转车辆

        由东向而来去往南向的车辆 ----左转车辆

        。。。

2、信号灯忽略黄灯，只考虑红灯和绿灯。

3、应考虑左转车辆控制信号灯，右转车辆不受信号灯控制。

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

5、注：

        1）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直行车辆而后放行左转车辆。

        2）每辆车通过路口时间为1秒（提示：可通过线程Sleep的方式模拟）。

        3）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。

        4）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。

分析图：

分析：

        1）这里总共有12条路线，每条路线作为一个对象存在。

        2）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。

        3）其中右转弯的4条路线的控制灯可以假设称为常绿状态，而不能假设没有。

        4）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。

2、面向对象的分析与设计

        1）对象：红绿灯，红绿灯的控制系统，汽车，路线。

              a、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。

              b、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。

              c、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。

        2）对路线这个对象的分析

             每条路线上都会出现多辆车，车对象就相当于是路的数据存在，路线上要随机增加新的车，且要在灯绿期间还要每秒钟减少一辆车，路就需要有增删的方法。

               a、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Road实例对象。

               b、每条路线上随机增加新的车辆，增加到一个集合中保存。 

               c、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。

        3）对红绿灯和红绿灯控制系统两个对象的分析：

             一个灯由绿变红时，应该将下一个方向的灯变绿。

              a、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。

              b、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。

              c、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个灯依次轮流变亮，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，都伴随着下一个灯的变亮，Lamp类中还用一个变量来记住自己的下一个灯。

               d、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。

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

三、程序的编写

1、Road类的编写：

        1）每个Road对象都有一个name成员变量来代表方向，有一个vehicles（交通工具）成员变量来代表方向上的车辆集合。

        2）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”形式的字符串进行表示）。

        3）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，是则打印车辆集合和将集合中的第一辆车移除掉。使用scheduleAtFixedRate方法。

1. public class Road {    
2.     //用面向接口的方式，定义一个集合，用来存储和操作车辆这个字符串对象    
3.     private List<String> vechicles=new ArrayList<String>();    
4.     //定义路线名变量    
5.     private String name;    
6.         
7.     public Road(String name){    
8.         this.name=name;    
9.             
10.         //模拟车辆不断随机上路的过程，使用线程池，通过产生单个线程的方法，创建一个线程池     
11.         ExecutorService pool=Executors.newSingleThreadExecutor();    
12.         //调用execute方法，可向线程池提交一个任务，让池中的线程执行任务      
13.         pool.execute(new Runnable(){    
14.             @Override    
15.             //复写run方法，需要执行的代码，随机产生车辆，并存入集合    
16.             public void run() {    
17.                 for (int i = 1; i <1000; i++) {    
18.                     try {    
19.                         //1到10秒内随机产生一辆车    
20.                         Thread.sleep((new Random().nextInt(10)+1)*1000);    
21.                     } catch (InterruptedException e) {    
22.                             
23.                         e.printStackTrace();    
24.                     }    
25.                     //车辆进入路线中    
26.                     vechicles.add(Road.this.name+"_"+i);    
27.                 }    
28.             }    
29.         });    
30.             
31.         //定义一个定时器，每隔一秒检查对应的灯是否为绿，是则放行一辆车    
32.         ScheduledExecutorService timer=Executors.newScheduledThreadPool(1);    
33.         timer.scheduleAtFixedRate(    
34.                 new Runnable() {    
35.                     @Override    
36.                     //定时器要执行的代码    
37.                     public void run() {    
38.                         //判断该路线中是否有车，有则进行放行操作    
39.                         if (vechicles.size()>0) {    
40.                             //如果该路线上对应的灯是绿色的，则放行车辆    
41.                             boolean lighted=Lamp.valueOf(Road.this.name).isLighted();    
42.                             if(lighted){    
43.                                 System.out.println(vechicles.remove(0)+"\tis traversing!");    
44.                             }    
45.                         }     
46.                     }    
47.                 },     
48.                 1,//隔多少秒执行    
49.                 1,//周期    
50.                 TimeUnit.SECONDS/*时间单位*/);    
51.     }    
52. }    

2、Lamp类的编写

        1）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。

        2)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。

        3)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。

        4)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。 

1. /**  
2.  * 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。  
3.  * 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，  
4.  * 程序代码只需要控制每组灯中的一个灯即可：  
5.  * s2n,n2s      
6.  * s2w,n2e  
7.  * e2w,w2e  
8.  * e2s,w2n  
9.  * s2e,n2w  
10.  * e2n,w2s  
11.  * 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，  
12.  * 所以，可以假想它们总是绿灯。 
13.  */    
14. //  S2N,S2W,E2W,E2S,N2S,N2E,W2E,W2N,S2E,E2N,N2W,W2S    
15. public enum Lamp {    
16.     /*每个枚举元素各表示一个方向上的控制灯*/    
17.     S2N(false,"N2S","S2W"),S2W(false,"N2E","E2W"),E2W(false,"W2E","E2S"),E2S(false,"W2N","S2N"),    
18.     /*下面元素表示与上面的元素的相反方向的灯，它们的“反方向灯”和“下一个灯”应忽略不计！*/    
19.     N2S(false,null,null),N2E(false,null,null),W2E(false,null,null),W2N(false,null,null),    
20.     /*下面元素表示四个右转弯方向的灯，因为其不受红绿灯控制，所以可以假设它们总是绿灯*/    
21.     S2E(true,null,null),E2N(true,null,null),N2W(true,null,null),W2S(true,null,null);    
22.         
23.     //当前灯的状态，是否为绿    
24.     private boolean lighted;    
25.     //当前灯变红时，下个绿的灯    
26.     private String next;    
27.     //与当前灯相反方向的同为绿的灯    
28.     private String opposite;    
29.         
30.     //构造函数    
31.     private Lamp(boolean lighted,String opposite,String next){    
32.         this.lighted=lighted;    
33.         this.next=next;    
34.         this.opposite=opposite;    
35.     }    
36.     //提供一个判断是否为亮（绿）的方法    
37.     public boolean isLighted(){    
38.         return lighted;    
39.     }    
40.         
41.     /**  
42.      * 某个灯变绿时，它对应方向的灯也要变绿  
43.      */    
44.     public void light(){    
45.         this.lighted=true;    
46.         //为造成死循环，只将一方拥有反方向的灯    
47.         if (opposite!=null) {    
48.             //将对应的反方向的灯变绿    
49.             Lamp.valueOf(opposite).light();    
50.         }    
51.         System.out.println(name()+"Lamp is green 下面将能看到六个方向的车辆通过。 ");    
52.     }    
53.         
54.     /**  
55.      * 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  
56.      * @return 下一个要变绿的灯  
57.      */     
58.         
59.     public Lamp blackout(){    
60.         //当前灯变红，对应方向的灯也变红    
61.         this.lighted=false;    
62.         if(opposite!=null){    
63.             Lamp.valueOf(opposite).blackout();    
64.         }    
65.         //当前灯变红的同时，将下一个灯变绿    
66.         //变将下一个变绿的灯返回    
67.         Lamp nextLamp=null;    
68.         if (next!=null) {    
69.             nextLamp=Lamp.valueOf(next);    
70.             System.out.println("绿灯从"+name()+"——>切换为"+next);    
71.             nextLamp.light();    
72.         }    
73.         return nextLamp;    
74.     }    
75. }    

3、LampController类的编写

        1）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。

        2）LampController构造方法中要设定第一个为绿的灯。

        3）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。

 

1. /**  
2.  * 红绿灯控制系统用来控制红绿灯的切换时间  
3.  * 每隔10秒将当前灯变红，并按顺序将下一个方向的灯变绿   
4.  */    
5.     
6. public class LampController {    
7.     //定义当前灯用于第一个绿的灯    
8.     private Lamp currentLamp;    
9.     public LampController(){    
10.         //刚开始让由南向北的灯变绿    
11.         currentLamp=Lamp.S2N;    
12.         currentLamp.light();    
13.             
14.         //定义一个定时器，每隔10秒就将当前灯由绿变红，并将下一个灯变绿    
15.         ScheduledExecutorService timer=Executors.newScheduledThreadPool(1);    
16.         timer.scheduleAtFixedRate(    
17.                 new Runnable() {    
18.                     @Override    
19.                     public void run() {    
20.                         //将下一个灯切换为当前的灯    
21.                         currentLamp=currentLamp.blackout();    
22.                         System.out.println("灯变了");    
23.                     }    
24.                 },    
25.                 10,    
26.                 10,     
27.                 TimeUnit.SECONDS);    
28.     }    
29. }    

4、MainClass类的编写

        1）用for循环创建出代表12条路线的对象。

        2）创建红绿灯控制系统对象，启动系统

1. public class MainClass {    
2.     
3.     public static void main(String[] args) {    
4.         /*产生12个方向的路线*/      
5.         String[] roads={"S2N","S2W","E2W","E2S","N2S","N2E","W2E","W2N","S2E","E2N","N2W","W2S"};      
6.         for (int i = 0; i < roads.length; i++) {    
7.             new Road(roads[i]);    
8.         }    
9.         /* 产生整个交通灯系统并运行*/       
10.         new LampController();    
11.     }    
12. }