交通管理灯系统

一、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：

 

Ø        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

       。。。

 

Ø        信号灯忽略黄灯，只考虑红灯和绿灯。

Ø        应考虑左转车辆控制信号灯，右转车辆不受信号灯控制。

Ø        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。

Ø        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）。

Ø        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。

Ø        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、需求分析：

    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。

 

道路通行顺序：

    先   南北直向方向（S2N、N2S）   接着    南向西和北向东拐弯（S2W、N2E）

    然后   东西直向方向（E2W、W2E） 接着   东向南和西向北拐弯（E2S、W2N）

    这里就是8条，从这里我们也可以看出，把它们分成4组考虑即可，其它右转弯的4条路线一直是通路

    通车顺序为下图中的1（S2N）、2（S2W）、3(E2W)、4（E2S）

为了更好的分析需求，我们需要对面向对象的分析与设计有更深层次的理解

 

三、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。

 

几个典型的案例：

1、人在黑板上画圆：

      画圆需要知道圆心和半径，由于这些属性都是圆身上的，所以画圆的方法，定义在圆身上

2、列车司机紧急刹车：

     刹车系统是列车身上的，如何操作发动机熄火、离合器离合以减速等都是列车内部的，所以刹车方法是属于列车上的，人只要调用列车的刹车方法即可

3、售货员统计收获小票的金额：

     因为商品的数量和价格都在票据上，所以统计金额的方法是小票自己的，售货员只是调用了获取总金额的方法

4、把门关上：

    门内部有旋转，卡上等动作，人只要调用关门方法，不用关心门内部如何操作的

 

两个面向对象的面试题，用面向对象的方式设计如下情景

1、“两块石头磨成一把石刀，石刀可以砍树，砍成木材，木材做成椅子”

分析：

   明确几个概念：Stone、StoneKnife、tree、material、chair

  石头加工成石刀，所以应该提供一个加工石刀的方法，更确切的说是一个加工石刀的工厂，

  同样有一个加工椅子的工厂

    StoneKnife = KnifeFactory.createKnife(stone);

    Chair = ChairFactory.makeChair(material);

 

2、“球从一根绳子的一段移动到了另一端”（ 谁拥有数据，谁就对外提供操作这些数据的方法）

分析：

    绳子是为球的滚动提供方向和距离，小球每次滚动都要知道下一个点的位置，又因为绳子最清楚自己的坐标，所以应该提供一个获取

    下一个点的坐标的方法，告诉小球下次的坐标。绳子的构造方法接收两个点：起始点和结束点（两点一线）。

    而小球自己的构造方法需要两个参数：指定的绳子和起始点，另外需要一个滚动的方法。

    这样每次小球滚动只要需要问绳子下一个目标坐标然后自己滚动即可。这样绳子和小球就绑定起来了。

绳子的代码

Class Rope{
	Private Point start;
	Private Point end;
	Public Rope(Point start, Point end){
		This.start = start;
		This.end = end;
}
	Public Point nextPoint(Point currentPoint){
	/*通过两点一线的数学公式可以计算出当前点的下一个点，如果当前点是终止点，则返回null，如果当前点不是线上的点，则抛出异常*/
}
}

小球的代码

Class Ball{
	Private Rope rope;
	Private point currentPoint;
	Public Ball(Rope rope,startPoint){
		This.rope = rope;
		This.currentPoint = startPoint;
}
Public void move(){
		currentPoint = rope.nextPoint(currentPoint);
		System.out.println(“小球移动到了”+currentPoint);
}
}

交通灯系统面向对象的设计与分析：

初步考虑有这些对象：红绿灯对象、红绿灯控制系统、汽车、路线

 

1、路与车是怎样的关系？

    汽车是在路上跑，所以路应该有存储车辆的集合。

 

2、为了避免撞车，需要判断是否有车的方法，应该定义在哪里呢？

    每一辆汽车都要保证自己是唯一一个瞬间穿过路口的，所以要考虑前面是否有车，应该问路，所以路具有判断前面是否有车的方法，

    又因为路中存储着车辆的集合，也就拥有数据，所以应提供移除车辆和增加车辆的方法。

    当灯变绿，路就把第一辆车取走，也可以随时在后面增加车辆

 

3、车辆对象如何处理？

     这里只是捕捉车辆的移动过程，所以不需要创建汽车的对象，只用一个字符串代表即可

 

四、整体设计思路：

l       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。

Ø      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。

Ø      每条路线上随机增加新的车辆，增加到一个集合中保存。

Ø      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。

l       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。

Ø      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。

Ø      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。

Ø      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。

Ø     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。

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

 

 

Road类的编写

l      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。

l      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）。

l      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。
 * 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;
	
	//初始化路时，取个路名
	public Road(String name){
		this.name = name;
		
		//启动一个线程模拟车辆不断随机上路的过程：	
		ExecutorService pool = Executors.newSingleThreadExecutor();
		pool.execute(new Runnable(){
			public void run(){
				for(int i=1;i<1000;i++){//产生999辆车
					try {
						Thread.sleep((new Random().nextInt(10) + 1) * 1000);//产生汽车的随机时间：1-10秒之内
					} catch (InterruptedException e) {
						e.printStackTrace();
					}
					vechicles.add(Road.this.name + "_" + i);//内部类访问外部类的成员变量：外部类名.this.变量名
				}				
			}
			
		});
		
		//启动一个定时器线程模拟汽车穿过路口：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(		//得到一个定时器任务
				new Runnable(){
					public void run(){
						if(vechicles.size()>0){		//检查路上是否有车
							boolean lighted = Lamp.valueOf(Road.this.name).isLighted();//
							if(lighted){	//灯是绿的就移除第一辆车
								System.out.println(vechicles.remove(0) + " is traversing !");
							}
						}
						
					}
				},
				1,		//第1秒时执行一次
				1,		//以后每隔1秒执行一次
				TimeUnit.SECONDS);	//设置单位为秒
		
	}
}

Lamp类的编写

l      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。

l      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。

l      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。

l     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。

/**
 * 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 张孝祥 www.it315.org
 *
 */

//构造函数内部的Lamp元素使用字符串，因为：有些枚举元素要先使用，但没有定义，所以会报错
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，另外两个参数不需要*/
	S2E(null,null,true),E2N(null,null,true),N2W(null,null,true),W2S(null,null,true);
	
	
	private boolean lighted;	//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	
	public boolean isLighted(){	//灯的状态
		return lighted;
	}
	
	//枚举的构造方法（必须私有），三个参数：相反方向、下一个要变绿的灯、自己的状态
	private Lamp(String opposite,String next,boolean lighted){
		this.opposite = opposite;
		this.next = next;
		this.lighted = lighted;
	}
	
	/**
	 * 灯变绿的方法
	 * 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){//如果有相反方向的灯，就使它变绿
			Lamp.valueOf(opposite).light();
		}
		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！");	
	}
	
	/**
	 * 灯变红的方法
	 * 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){		//如果有相反方向的灯，让它也变红
			Lamp.valueOf(opposite).blackOut();
		}		
		
		Lamp nextLamp= null;
		if(next != null){	//如果有下一个灯，让它变绿
			nextLamp = Lamp.valueOf(next);
			System.out.println("绿灯从" + name() + "-------->切换为" + next);			
			nextLamp.light();
		}
		return nextLamp;//返回给控制器下一个要变绿的灯
	}
}

LampController类的编写

l      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。

l      LampController构造方法中要设定第一个为绿的灯。

l      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。

 

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();
		
		/*启动一个定时器：每隔10秒将当前绿灯变为红灯，blackOut内部让下一个方向的灯变绿，并返回下一个要变绿的灯，依次循环*/		
		ScheduledExecutorService timer =  Executors.newScheduledThreadPool(1);
		timer.scheduleAtFixedRate(
				new Runnable(){
					public  void run(){
						System.out.println("来啊");
						currentLamp = currentLamp.blackOut();//当前灯变黑，并且指向下一个要变绿的灯（由blackOut方法返回）
				}
				},
				10,
				10,
				TimeUnit.SECONDS);
	}
}

MainClass类的编写

l      用for循环创建出代表12条路线的对象。

l      接着再获得LampController对象并调用其start方法。

 

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();
	}

}

模拟效果：

 

N2S lamp isgreen，下面总共应该有6个方向能看到汽车穿过！

S2N lamp isgreen，下面总共应该有6个方向能看到汽车穿过！

N2S_1 istraversing !

N2S_2 istraversing !

W2S_1 istraversing !

S2E_1 istraversing !

S2N_1 istraversing !

S2E_2 istraversing !

E2N_1 istraversing !

S2E_3 istraversing !

N2W_1 istraversing !

W2S_2 istraversing !

绿灯从S2N-------->切换为S2W

N2E lamp isgreen，下面总共应该有6个方向能看到汽车穿过！

S2W lamp isgreen，下面总共应该有6个方向能看到汽车穿过！

S2W_1 istraversing !

N2E_1 is traversing!

W2S_3 istraversing !

S2W_2 istraversing !

S2W_3 istraversing !

N2E_2 istraversing !

N2E_3 istraversing !

E2N_2 istraversing !

N2E_4 istraversing !

S2E_4 istraversing !

N2W_2 is traversing !