交通灯管理系统
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。
二、题意分析
1、十字路口的图解分析
分析：
1）各方向行驶车辆总共有 12 条路线。 由图分析出直行车辆有 4 条路线， 左转弯车辆有4 条路线，右转弯车辆有 4 条路线。2）以南向北、东向西两个方向行驶车辆考虑即可，因其他方向和这两方向的情况一样的。然后这两方向中一共有 6 条路线，因需求只考虑红绿灯，右转车辆不受信号灯控制，最后确定只考虑直行和左转车辆路线共 4 条即可。
3）总结上述连点得知总共有 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。
2、面向对象分析与设计
1）对象：红绿灯、汽车、路线
2）红绿灯需要有红绿灯控制系统。
3）汽车和路线的关系分析：
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？该问路线，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，用一个字符串表示即可。
Note：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。
eg：思考人在黑板上画圆，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。
4）车辆、路线、灯的关系：
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。
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。
5）路线和灯的关系：
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。
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。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、编写类
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。
代码如下：
package trafficlamp;
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。
*
* @author Cavenzep
*
*/
public class Road {
// 定义一个集合，用来存储和操作车辆这个字符串对象,使用List接口是为了扩展性更强
private List<String> vechicles = new ArrayList<String>();
// 定义路线名变量，用于标识
private String name;
// 构造函数
public Road(String name) {
this.name = name;
/* 模拟车辆不断随机上路的过程 */
// 通过产生单个线程的方法，创建一个线程池
ExecutorService pool = Executors.newSingleThreadExecutor();
// 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
pool.execute(new Runnable() {
@Override
// 复写run方法，需要执行的代码，随机产生车辆，并存入集合
public void run() {
for (int i = 1; i < 1000; i++) {
try {
// 10秒内随机产生一辆车
Thread.sleep((new Random().nextInt(10) + 1) * 1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 随机产生的车辆进入路线中
vechicles.add(Road.this.name + "_" + i);
}
}
});
// 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
ScheduledExecutorService timer = Executors.newScheduledThreadPool(1);
timer.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {
@Override
// 定时器要执行的代码
public void run() {
// 判断该路线中是否有车，有则进行放行操作
if (vechicles.size() > 0) {
// 如果该路线上对应的灯是绿色的，则放行车辆
boolean lighted = Lamp.valueOf(Road.this.name).isLighted();
if (lighted) {
System.out.println(vechicles.remove(0)
+ "\tis traveling!");
}
}
}
}, 1,/* 隔多少秒执行 */1,/* 周期 */TimeUnit.SECONDS/* 时间单位 */);
}
}
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。
代码：
package trafficlamp;
/**
* 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 Cavenzep
*/
// S2N,S2W,E2W,E2S,N2S,N2E,W2E,W2N,S2E,E2N,N2W,W2S
public enum Lamp {
/*每个枚举元素各表示一个方向上的控制灯*/
S2N(false,"N2S","S2W"),S2W(false,"N2E","E2W"),E2W(false,"W2E","E2S"),E2S(false,"W2N","S2N"),
/*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！*/
N2S(false,null,null),N2E(false,null,null),W2E(false,null,null),W2N(false,null,null),
/*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*/
S2E(true,null,null),E2N(true,null,null),N2W(true,null,null),W2S(true,null,null);
//当前灯的状态，是否为绿
private boolean lighted;
//当前灯变红时，下个绿的灯
private String next;
//与当前灯相反方向的同为绿的灯
private String opposite;
//构造函数
private Lamp(boolean lighted,String opposite,String next){
this.lighted=lighted;
this.next=next;
this.opposite=opposite;
}
//提供一个判断是否为亮（绿）的方法
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;
//为造成死循环，只将一方拥有反方向的灯
if (opposite!=null) {
//将对应的反方向的灯变绿
Lamp.valueOf(opposite).light();
}
System.out.println(name()+"Lamp is green 下面将能看到六个方向的车辆通过。 ");
}
/**
* 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(){
//当前灯变红，对应方向的灯也变红
this.lighted=false;
if(opposite!=null){
Lamp.valueOf(opposite).blackOut();
}
//当前灯变红的同时，将下一个灯变绿
//变将下一个变绿的灯返回
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;
}
}
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。
代码：
package trafficlamp;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
* 红绿灯控制系统用来控制红绿灯的切换时间 每隔10秒将当前灯变红，并按顺序将下一个方向的灯变绿
*
* @author Cavenzep
*/
public class LampController {
// 定义当前灯用于第一个绿的灯
private Lamp currentLamp;
public LampController() {
// 刚开始让由南向北的灯变绿
currentLamp = Lamp.S2N;
currentLamp.light();
// 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
ScheduledExecutorService timer = Executors.newScheduledThreadPool(1);
timer.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {
@Override
public void run() {
// 将下一个灯切换为当前的灯
currentLamp = currentLamp.blackOut();
System.out.println("灯变了");
}
}, 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）创建红绿灯控制系统对象，启动系统
代码：
package trafficlamp;
/**
* 主程序，用于启动控制系统，并实现题意过程
*
* @author Cavenzep
*/
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 (String direction : directions) {
new Road(direction);
}
// for (int i = 0; i < directions.length; i++) {
// new Road(directions[i]);
// }
/* 产生整个交通灯系统并运行 */
new LampController();
}
}
结果如下所示：