【黑马程序员】Java7K面试题20：交通灯管理系统

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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：
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。

二、分析问题
1、通过画图，理清需求中的路线关系，如下所示（其中2是to的意思，S2W即南到西方向）：
             


2、设计一个Road类来表示路线：
总共有12条路线，路线的命名可以用方向来表示；
每条路线上都有车辆，随机增加到一个集合中保存；
如果本路线上的灯是绿的，将集合中的第一辆车移除，表示车穿过了路口；
每隔一段时间就检查本路线的灯是否为绿，如果为红，则把下一个类变绿。
 
3、设计一个Lamp类来表示一个交通灯：
每个交通灯都有二个状态：绿、红，也要有变绿和变红的方法，并且能返回自己的红绿状态；
总共有12条路线，所以系统中总共要产生12个交通灯；
常识来看，4条路线的右拐弯车辆不受交通灯控制，视为常绿状态；
其他8条路线的灯是两两成对的，可以归为4组，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对象的红绿方法中，将对应方向的灯也变红绿；
每个灯变红时，都伴随者下一个灯的变绿，Lamp类中还要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。
 
4、设计一个LampController交通灯的控制器类，它定时让当前的绿灯变红。

 
5、本案例中需要用到的思想与方法：
使用面向对象的思维来分析和解决问题，重要经验：谁拥有数据，谁就对外提供操作这些数据的方法；
空间与逻辑性的关系，要多画图，多动手，不能仅凭空想象；
程序中的对象如果是确定的数目，可以用 JDK1.5中的枚举，如本案例中的12个灯；
车辆随机增加，会用到 JDK1.5中线程池的功能；
对灯的轮询变绿方法，会用到调度线程池，即 JDK1.5中的定时器；
把路线上的车当作一个集合进行存储，过了十字路口视为移除集合的第一个元素。
 
三、代码的具体实现
1、Road类的编写
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。
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）；
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，是则将集合中的第一辆车移除掉，并打印车辆已通过。

package blog.itheima;

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 {
List<String> vechicles = new ArrayList<String>();//vechicle：车辆

private String name = null;
//马路初始化就要有道路名和车辆，把这二个变量放入构造函数中
public Road(String name){
this.name = name;

//模拟车辆不断随机上路的过程
ExecutorService threadPool = Executors.newSingleThreadExecutor();
threadPool.execute(new Runnable(){
public void run() {
//定义一条路最大可以有1000辆车，这个可以自由设定
for(int i=1; i<1000; i++){
try {//随机1-10秒来一辆车存入集合之中
Thread.sleep((new Random().nextInt(10)+1)*1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
/*Road.this.name：访问外部内的成员变量，
也可以在构造函数的String name之前加上finnal来表示；
内部类本来可以直接访问外部类的成员变量，
但此时内部类变量和自己类中的变量有冲突，就要加上this*/
vechicles.add(Road.this.name + "：第"+ i +"辆车");
}
}
});

//创建一个定时器的调度池，定义一个线程就行
ScheduledExecutorService timer = Executors.newScheduledThreadPool(1);
timer.scheduleAtFixedRate(
new Runnable(){
public void run() {
//判断路上是否有车辆
if(vechicles.size()>0){
//每隔一秒检查对应的灯是否为绿，是则放行一辆车
boolean green = Lamp.valueOf(Road.this.name).isGreen();
if(green){
//放行车辆用集合的移除remove方法
System.out.println(vechicles.remove(0)
+" is traversing !");//traversing：穿越
//删除元素成功后的返回值就是此元素本身
}
}
}
},
1,
1,
TimeUnit.SECONDS);
}
}

2、Lamp类的编写
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，可将Lamp类用 JDK1.5中的枚举形式定义更为简单；
每个Lamp对象中的绿灯用green变量表示，选用S2N、S2W、E2W、E2N这四个方向上的Lamp对象依次轮询变绿，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变量来表示此灯变绿后的下一个变绿的灯。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；
增加让Lamp变绿和变红的方法：green和red，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绿和变红，red方法还要让下一个灯变绿；
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，并且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green和red进入死循环。

package blog.itheima;
/**
* 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);

private boolean green;	/*当前灯是否为绿*/
private String opposite;/*与当前灯同时为绿的对应方向*/
private String next;	/*当前灯变红时下一个变绿的灯*/
//把某个类变绿
public boolean isGreen(){
return green;
}

private Lamp(String opposite, String next, boolean green){
this.opposite = opposite;
this.next = next;
this.green = green;
}

//某个灯变绿时，它对应方向的灯也要变绿
public void green(){
this.green = true;
if(opposite!=null){
//在枚举中，有valueOf静态方法，通过名字String就可以返回枚举对应名称的对象
Lamp.valueOf(opposite).green();
}
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 red(){
this.green = false;
if(opposite!=null){
Lamp.valueOf(opposite).red();
}

Lamp nextLamp = null;
if(next!=null){
nextLamp = Lamp.valueOf(next);
System.out.println("绿灯从"+ name() +"---->切换为"+ next);
nextLamp.green();
}
return nextLamp;
}
}

3、LampController类的编写
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；
LampController构造方法中要设定第一个为绿的灯；
在LampController对象的构造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。

package blog.itheima;

import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class LampController {
//将控制器设计成单例模式
private static LampController instance = new LampController();
public static LampController getInstance(){
return instance;
}

private Lamp currentLamp = null;

/*private Lamp currentLamp;*/
/*去掉的二个语句是此类的一般模式，非单例*/
/*public*/ private LampController(){
//刚开始让由南向北的灯变绿;
currentLamp = Lamp.S2N;
currentLamp.green();

/*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() {
currentLamp = currentLamp.red();
}
},
10,
10,
TimeUnit.SECONDS);
}
}

4、MainClass类的编写
用for循环创建出代表12条路线的对象；
接着再获得LampController的实例对象。

package blog.itheima;
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*/
LampController.getInstance();
}
}

打印结果截取部分，如下所示：

N2S lamp is green, 下面总共应该有6个方向能看到汽车穿过！

S2N lamp is green, 下面总共应该有6个方向能看到汽车穿过！

N2S：第1辆车is traversing !

N2W：第1辆车is traversing !

W2S：第1辆车is traversing !

E2N：第1辆车is traversing !

N2S：第2辆车is traversing !

S2N：第1辆车is traversing !

W2S：第2辆车is traversing !

S2E：第1辆车is traversing !

绿灯从S2N---->切换为S2W

N2E lamp is green, 下面总共应该有6个方向能看到汽车穿过！

S2W lamp is green, 下面总共应该有6个方向能看到汽车穿过！

S2W：第1辆车is traversing !

N2E：第1辆车is traversing !

S2E：第2辆车is traversing !

N2W：第2辆车is traversing !

S2W：第2辆车is traversing !

E2N：第2辆车is traversing !

N2E：第2辆车is traversing !

W2S：第3辆车is traversing !

N2E：第3辆车is traversing !

E2N：第3辆车is traversing !

E2N：第4辆车is traversing !

S2E：第3辆车is traversing !

绿灯从S2W---->切换为E2W

W2E lamp is green, 下面总共应该有6个方向能看到汽车穿过！

E2W lamp is green, 下面总共应该有6个方向能看到汽车穿过！

E2W：第1辆车is traversing !

W2E：第1辆车is traversing !

N2W：第3辆车is traversing !

E2W：第2辆车is traversing !

W2E：第2辆车is traversing !

E2W：第3辆车is traversing !

W2E：第3辆车is traversing !

E2W：第4辆车is traversing !

W2E：第4辆车is traversing !

E2N：第5辆车is traversing !

W2S：第4辆车is traversing !

E2W：第5辆车is traversing !

E2W：第6辆车is traversing !

S2E：第4辆车is traversing !

N2W：第4辆车is traversing !

W2S：第5辆车is traversing !

W2E：第5辆车is traversing !

绿灯从E2W---->切换为E2S

W2N lamp is green, 下面总共应该有6个方向能看到汽车穿过！

E2S lamp is green, 下面总共应该有6个方向能看到汽车穿过！

E2S：第1辆车is traversing !

W2N：第1辆车is traversing !

S2E：第5辆车is traversing !

E2S：第2辆车is traversing !

W2N：第2辆车is traversing !

E2N：第6辆车is traversing !

E2S：第3辆车is traversing !

W2N：第3辆车is traversing !

E2S：第4辆车is traversing !

W2N：第4辆车is traversing !

S2E：第6辆车is traversing !

E2S：第5辆车is traversing !

W2N：第5辆车is traversing !

E2N：第7辆车is traversing !

E2S：第6辆车is traversing !

W2N：第6辆车is traversing !

E2S：第7辆车is traversing !

W2N：第7辆车is traversing !

N2W：第5辆车is traversing !

W2S：第6辆车is traversing !

E2S：第8辆车is traversing !

W2N：第8辆车is traversing !

E2N：第8辆车is traversing !

E2S：第9辆车is traversing !

绿灯从E2S---->切换为S2N

N2S lamp is green, 下面总共应该有6个方向能看到汽车穿过！

S2N lamp is green, 下面总共应该有6个方向能看到汽车穿过！

......

这是第二个轮回
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