java--交通灯管理系统

张孝祥-7K月薪面试题破解之一_交通灯管理系统

模拟实现十字路口的交通灯管理系统逻辑，具体需求如下：

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

       。。。

 

信号灯忽略黄灯，只考虑红灯和绿灯。

应考虑左转车辆控制信号灯，右转车辆不受信号灯控制。

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。

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直行车辆而后放行左转车辆。

        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）。

        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。

        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。

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生活常识：如果一个由南向北方向的灯从绿灯变为红灯，接下来不是由东到西的灯变绿，而是由南到西的左转弯灯变绿。

接下来才是由南到西的左转弯灯变红，由东到西的灯变绿。

先直行，再左转弯，再直行。。。

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分析后得到模型：

分析图如上所示：

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。

这四条路线是：

   ①表示由南向北直行

   ②表示由南向西左拐弯

   ③表示由东向西直行

   ④表示由东向南左拐弯

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接下来就要面向对象的分析了

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。

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，路上跑着好多车，所以路中肯定存储着车辆的集合，（也就是路拥有数据，所以路就应该对外提供操作这些数据的方法）

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。

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接下来分析路这个对象：

每条路线上都会出现多辆车，而且路线上要随机增加新的车，在一个方向上灯绿期间还要每秒钟减少一辆车。

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Road实例对象。

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移除，即表示车穿过了路口。

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分析灯这个对象：

每个灯都有一个状态，绿灯亮还是不亮。一个灯还要记住它的下一个灯。因为当前灯变红的时候，下一个灯就要变绿了。

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。

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。

2、除了右拐弯方向的其他8条路线的灯，它们是两两成对的，要么一起变亮，要么一起变黑。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。同时也要有两个方法分别来操作灯变亮还是变黑。而且在这个方法中也要将对应方向的灯也变亮和变黑。

3、在每个灯变黑时，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、因为右转弯的灯是常亮的，就不受任何影响，也不会影响到谁。它就不需要相反方向的灯和下一个方向的灯这两个变量。

所以在灯里面有3个成员变量。并且只有4个灯有它相反方向的灯和下一个方向的灯和灯的状态，其他的灯就不需要了。当一个灯变黑的时候，也要把对应相反方向的灯变黑。还要把下一个方向上的灯给变亮。

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，无论何时就有十二个灯的实例对象。不能被别人去new，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。在这12 个灯里面只设计4个灯，因为只在这4个灯里面有逻辑（总共的灯是有12个但是只有4个灯有逻辑--因为右转弯的4个灯不考虑，还剩8个灯，这8个是两两成对的，所以只考虑4个灯）

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分析灯的控制系统：

灯的控制系统里面要有一个变量记住当前亮的灯是哪一个。它里面也装了一个定时器，定的时间一到，它就要把当前亮的灯给变黑。并且这个变黑的灯又返回来它的下一个要变亮灯，等于这个控制器又把下一个亮的灯给记住了。

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具体代码分析和实现

1：Road类（路线类的编写）

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。

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。 * Road对象存在的同时车辆就存在了。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 {//定义一个容器用来保存路上的车private List<String> vechicles = new ArrayList<String>();private String name =null;//路线的名字public Road(String name){this.name = name;//模拟车辆不断随机上路的过程//创建一个线程池,这个池内部再挑选一个空闲的线程去执行。ExecutorService pool = Executors.newSingleThreadExecutor();pool.execute(new Runnable(){public void run(){for(int i=1;i<1000;i++){try {//线程的休眠时间是随机的//1秒到10秒Thread.sleep((new Random().nextInt(10) + 1) * 1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}//Road.this.name:内部类访问外部类的私有变量vechicles.add(Road.this.name + "_" + i);//路上不停的有新车流入}}});//定时器：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(){//集合大小大于0，表示路上有车if(vechicles.size()>0){//获得当前路上的灯是不是亮的boolean lighted = Lamp.valueOf(Road.this.name).isLighted();//灯亮则表示车子可以移动if(lighted){//把路上的第一辆车子移走，则表示路上的第一辆车子通过了。System.out.println(vechicles.remove(0) + " is traversing !");}}}},1,1,  //设置时间间隔为1秒TimeUnit.SECONDS);}}

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jdk1.5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、E2S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opposite变量来表示它们相反方向的灯，再用一个next变量来表示此灯变亮后的下一个变亮的灯。这三个变量用Lamp枚举类构造方法的形式进行初始化，因为枚举元素必须在定义之后再引用，所以无法在构造方法中彼此相互引用，所以，opposite和next变量用字符串形式表示，而不用枚举元素表示。到用到的时候，可以根据字符串获取对应的枚举元素。 

3、让Lamp变亮和变黑的方法：light和blackOut，对于S2N、S2W、E2W、E2S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方法让当前灯和相反方向的灯变黑，还要让下一个灯变亮。

4、除了S2N、S2W、E2W、E2S这四个方向上的Lamp对象之外，其他方向上的Lamp对象的next和opposite属性设置为null即可。N2S,N2E,W2E,W2N这四个方向上的Lamp对象的next和opposite属性必须设置为null，以便防止light和blackOut进入死循环。它们的“相反方向灯”和“下一个灯”应忽略不计！  因为它们是S2N、S2W、E2W、E2S相反方向的灯，只要考虑S2N、S2W、E2W、E2S这4个方向的灯就可以了。

/** * 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。 * *//**/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);//S2N、S2W、E2W、E2N方向上灯的构造方法private Lamp(String opposite,String next,boolean lighted){this.opposite = opposite;//opposite表示相反方向的灯this.next = next;  //next表示下一个灯this.lighted = lighted;}/*当前灯是否为绿*/private boolean lighted;//lighted为true则为绿灯，否则为红灯。/*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;////判断对面的灯是否存在，防止出现死循环。if(opposite != null){//Lamp.valueOf(opposite)，根据opposite字符串返回对应的枚举类型的那个灯Lamp.valueOf(opposite).light();}//name()方法返回的是枚举的名字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;//返回下一个变绿的灯}}

3：LampController类的编写：

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

2、LampController构造方法中默认设定S2N灯为绿的灯。

3、LampController对象的构造方法中启动一个定时器，每隔10秒将当前灯变红和获得下一个变绿的灯

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);//调度池，池的大小为1timer.scheduleAtFixedRate(new Runnable(){public  void run(){currentLamp = currentLamp.blackOut();}},10,10,TimeUnit.SECONDS);}}

4：MainClass类的编写

1、用for循环创建出代表12条路线的对象。

2、接着创建一个交通灯控制系统对象，系统启动开始工作。

public class MainClass {/** * @param args */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();}}

程序运行效果图：