交通灯管理系统

 

一．交通灯管理项目的需求

    模拟实现十字路口的交通灯管理系统逻辑，具体要求如下：

1. 异步随机生成按照各个路线行驶的车辆。

           例如：

                   由北向驶往南向的车辆----直行

                   由西向驶往南向的车辆----右转

                   由东向驶往南向的车辆----左转

2. 信号灯忽略黄灯，只考虑红灯和绿灯。

3. 应考虑左转车辆受信号灯控制，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：

        南北车辆与东西车辆交替放行，同方向车辆等待应先放行直行车辆，后放行左转车辆。

5. 每辆车通过路口的时间为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．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为常绿状态。其他8条路线两两成对，可以归为4组。所以，程序只需要考虑图中标注了编号的4条路线的控制灯的切换顺序，这4条路线的控制灯跟随这4条路线切换，不必额外考虑。

 

三．面向对象的分析与设计

1.每条路线上都会出现多辆车，路线上要随机增加新的车，在绿灯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12条路线

                           即系统中总共产生12个Road实例对象。

                   2)每条线路上随机增加新的车辆，增加到一个集合中保存。

                   3)每条线路每隔1秒都会检查控制本路线的灯是否为绿。若是绿灯，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1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。

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，并且能返回自己亮黑状态。

2) 总共有12条路线，系统要产生12个交通灯。右转弯的路线本来不受灯控制，但是为了让程序有统一的处理方式，

   所以假设四个右转弯的灯，只是需要将这些灯设置为常亮状态，永远都不要变黑。

3) 除了右转弯方向的其他8条路线的灯，他们是两两成对的，可以归为四组，所以，在编程时，只要从这4组灯中各

   取出一个灯，使这4个灯轮流变亮，与这4个灯方向对应的灯随之一同变化，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

   着下一个灯的变亮，Lamp类中还需要一个变量来记住自己的下一个灯。

4) 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类用枚举来做显然有

   很大的方便性，永远都只有代表12个方向的灯的实例对象。

 

四．代码实现

1.交通灯的Lamp类的代码

        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。

 

<span style="font-size:18px;">//交通灯的Lamp类的代码
public enum Lamp {
	S2N("N2S","S2W",false),S2W("N2E","E2W",false),E2W("W2E","E2S",false),E2S("W2N","S2N",false),//枚举先定义再使用。不能在定义N2S之前调用
	N2S(null,null,false),N2E(null,null,false),W2E(null,null,false),W2N(null,null,false),	//可传递等的名字字符串，
	S2E(null,null,true),E2N(null,null,true),N2W(null,null,true),W2S(null,null,true);
	
	private boolean lighted;
	private	String opposite;
	private String next;
	
	private Lamp(){}
	
	private Lamp(String opposite,String next,boolean lighted){	//接收参数：对应的灯，下一个灯，当前灯的亮黑状态						
		this.opposite = opposite;
		this.next = next;
		this.lighted = lighted;
	}
	
	
	public boolean isLighted() {				//获取灯的亮黑状态
		return lighted;
	}
	
	public void light() {
		this.lighted = true;
		if(opposite!=null){				//健壮性判断，防止死循环，东对应的灯是西，西对应的灯没有。
			Lamp.valueOf(opposite).light();		//根据对象名称返回枚举。一个灯亮了，对应的灯也跟着亮。
		}
		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！");   //四个右转弯，；一对灯亮
	}
	
	public Lamp blackOut(){
		this.lighted = false;
		if(opposite!=null){					
			Lamp.valueOf(opposite).blackOut();	
		}
		
		Lamp nextLamp = null;				//记住下一个变绿的灯
		if(next!=null){
			nextLamp = Lamp.valueOf(next);
			System.out.println("绿灯从" + name() + "---->切换为" + next);
			nextLamp.light();     			//变红灯的同时，下一个灯变绿。
		}
		return nextLamp;					//返回即将变绿的灯
	}
	
}
</span>

2.Road类的代码

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。
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。使用scheduleAtFixedRate方法。

<span style="font-size:18px;">import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.Executor;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

//Road类
public class Road {
	List<String> vehicles = new ArrayList<String>();				//每条路线的车辆，装入List集合
	private String name = null;
	
	public Road(String name) {										//每条路线都要命名
		this.name = name;
		
		//模拟汽车上路
		ExecutorService pool = Executors.newSingleThreadExecutor();				//创建单独的线程，不停的往这个路线增加车辆
		pool.execute(new Runnable() {											//调用线程池中的执行器，运行空闲的线程
			public void run() {
				try {
					Thread.sleep(((long)(Math.random()*10)+1)*1000);			//1~10秒内随机增加车辆
				} catch (InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
				}									
				for (int i = 0; i < 1000; i++) {
					vehicles.add(Road.this.name + "_" + i);						//外部类名.this.外部类成员变量名           访问外部类成员变量，或者final修饰
				}
			}
		});
		
		//定时器，模拟汽车汽车穿过路口
		ScheduledExecutorService timer = Executors.newScheduledThreadPool(1);	//创建一个定时器
		timer.scheduleAtFixedRate(												//固定频率的定时器
				new Runnable(){
					public void run() {
						if(vehicles.size()>0){
							boolean lighted = Lamp.valueOf(Road.this.name).isLighted();//获取灯的状态
							if(lighted){
								System.out.println(vehicles.remove(0) + " is travling ");
							}
						}
					}}, 
				1,					//延迟1秒后开始执行任务
				1, 					//每隔一秒执行一次
				TimeUnit.SECONDS);
		
		
	}
}
</span>

3.LampController交通灯控制器

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。

<span style="font-size:18px;">import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

//交通灯控制器
public class LampController {
	private Lamp currentLamp;		//当前灯
	
	//初始化
	public LampController(){
		currentLamp = Lamp.S2N;		//默认第一个灯为S2N
		currentLamp.light();   	 	//点亮
		
		
		//每隔10秒钟，变红，下一个灯变绿.创建定时器线程池
		ScheduledExecutorService timer = Executors.newScheduledThreadPool(1);
		
		timer.scheduleAtFixedRate(
				new Runnable() {
					public void run() {
						currentLamp = currentLamp.blackOut();//灯变黑同时指向下一个变绿的灯，blackOut()返回下一个变绿的灯。
					}
				}, 
				2,					//隔10秒执行第一次
				2, 					//每隔10秒执行一次
				TimeUnit.SECONDS);
	
	}
}
</span>

4.MainClass类

        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

/*
 * 12个灯：
 * S2N","S2W","E2W","E2S","N2S","N2E","W2E","W2N","S2E","E2N","N2W","W2S
 */
public class MainClass {

	public static void main(String[] args) {
		String[] derections = new String[]{
				"S2N","S2W","E2W","E2S","N2S","N2E","W2E","W2N","S2E","E2N","N2W","W2S"
		};
		for (int i = 0; i < derections.length; i++) {
			new Road(derections[i]);
		}
		
		new LampController();
	}

}

 

五．总结

用到的知识

1.List集合，用于存储每条路线上的车辆。

2.Executors类Executors.newSingleThreadExecutor()，创建新的线程，随机在路线上增加车辆。

3.匿名内部类对象。在给线程的执行器传递任务时，创建了实现Runnable接口的子类的匿名内部类对象，匿名内部类

  要访问外部类的成员变量时，可以写成：外部类名.this.成员变量名。

4.定时器timer。

  ScheduledExecutorService timer =Executors.newScheduledThreadPool(1)

  创建一个定时器。以及在LampController类中的控制红绿灯时间的定时器。

5.枚举。在编写Lamp类时使用了枚举，保证了无论什么时候调用的灯都是同一个灯。

  但是要注意，枚举先定义，再使用。

6.创建灯对象时，要是一个一个灯的new,要new12个对象，很麻烦。可以使用循来创建实例对象，只要传递灯的名字即可。