java--交通灯管理系统

1、交通灯管理系统的需求

模拟实现十字路口的交通灯管理系统逻辑，具体需求如下：
 
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。
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。
5，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）。
6，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。
7，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。
 
2、需求分析

画图有助于理解：

1，根据上图可以看到，每一个方向到其他方向有3条线路，一共有12条路线。
2，为了统一编程模型，可以假设每条路线上都有一个红绿灯对其进行控制，右转向的4条路线的红绿灯可以视为常量绿灯状态，
   因为右转的车辆不受红绿灯控制，可直接通行。
3，另外，其他的8条路线是两两相对的，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。


3、面向对象的分析与设计
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。
案例：
人在黑板上画圆，画圆需要圆心和半径，而这两个数据在圆的身上，所以圆是对象。
列车司机紧急刹车，刹车是给列车发出指令，这个功能由列车完成，列车是对象。
 
初步设想所拥有的对象：红绿灯、红绿灯控制系统、汽车、路线。
因为并不要体现车辆移动的过程，并不涉及汽车本身的功能，我们只需要捕捉路线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。
 
即需要设计的类有：红绿灯、红绿灯控制器、路线。
 
（1）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。
      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。
      每条路线上随机增加新的车辆，增加到一个集合中保存，用字符串表示车辆。
      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。
 
（2）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。
      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。
      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。
      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。
 
（3）设计一个LampController类，它定时让当前的绿灯变红。

4、具体编码实现
首先需要编写三个类：Road、Lamp、LampController，再编写一个包含main方法的类。
 
Road类的编写：
（1）每个Road对象都有一个name成员变量来代表线路的方向（即线路名），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。
代码如下：

import java.util.*;import java.util.concurrent.*;/** * 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。 * @author 张孝祥 www.it315.org * */public class Road {private List<String> vechicles = new ArrayList<String>();private String name =null;public Road(String name){this.name = name;//模拟车辆不断随机上路的过程。ExecutorService：线程池。ExecutorService pool = Executors.newSingleThreadExecutor(); //线程池，交给线程池，线程池会选个空闲的线程执行pool.execute(new Runnable(){     //线程池执行的线程public void run(){for(int i=1;i<1000;i++){    //一条线路最多999辆车try {Thread.sleep((new Random().nextInt(10) + 1) * 1000);  //nextInt(10),生成小于10的随机数，不包括10} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}vechicles.add(Road.this.name + "_" + i);   //往线路中增加车辆}}});//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);//创建一个线程池，它可在指定延迟后运行命令或者定期地执行，即定时器。timer.scheduleAtFixedRate(      //以固定频率定期执行，即每隔1秒执行一次。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,                //起始延时一秒1,                //间隔一秒TimeUnit.SECONDS); //设定时间单位是秒}}

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(红绿状态)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，即变绿和变红：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。
代码如下：

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;  //true为绿灯，false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;if(opposite != null){Lamp.valueOf(opposite).light();//构造函数中把枚举常量以字符串形式传递，这里valueof方法把字符串还原成枚举常量。}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 返回下一个要变绿的灯 */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;}}

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。
 
代码如下：

import java.util.concurrent.Executors;import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;import java.util.concurrent.TimeUnit;public class LampController {private Lamp currentLamp; //当前要控制的灯，即第一个为绿的灯public LampController(){//刚开始让由南向北的灯变绿;currentLamp = Lamp.S2N; //南到北这条路上的等为当前灯。currentLamp.light();  //当前灯变绿/*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);//创建一个线程池，它可在指定延迟后运行命令或者定期地执行，即定时器。timer.scheduleAtFixedRate(    //以固定频率定期执行，每隔10秒执行一次。new Runnable(){public  void run(){System.out.println("来啊");currentLamp = currentLamp.blackOut();  //当前灯变红，并返回下一个要变绿的灯为当前灯。}},10,10,TimeUnit.SECONDS);  //设定时间单位是秒}}

最后写一个带主函数的MainClass类执行：

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();}}

总结：

程序中有三个线程

第一个线程池，控制每条路上车的数量，有12个线程代码，每过一段时间给一条路上增加一辆车

第二个线程池，控制每一条路上车的运行情况，有12个线程代码，每一秒判断下当前的灯情况，并按灯的情况改变车的情况

第三个线程池，控制灯的改变，每过一段时间，将当前灯关闭，调用关闭灯的方法时，会讲对面的灯关闭，并将下一个灯打开，最后返回下一个灯的对象。