黑馬程序員-交通燈管理系統

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1.交通燈管理系統的業務和需求分析
交通燈管理系統的項目需求
模擬實現十字路口的交通燈管理系統邏輯,具體需求如下:
異步隨機生成按照各個路線行駛的車輛。
例如:
由南向而來去往北向的車輛 ---- 直行車輛
由西向而來去往南向的車輛 ---- 右轉車輛
由東向而來去往南向的車輛 ---- 左轉車輛
信號燈忽略黃燈,只考慮紅燈和綠燈。
應考慮左轉車輛控制信號燈,右轉車輛不受信號燈控制。
具體信號燈控制邏輯與現實生活中普通交通燈控制邏輯相同,不考慮特殊情況下的控制邏輯。
注:南北向車輛與東西向車輛交替放行,同方向等待車輛應先放行直行車輛而後放行左轉車輛。
每輛車通過路口時間爲1秒(提示:可通過線程Sleep的方式模擬)。

總共有12條路線,爲了統一編程模型,可以假設每條路線都有一個紅綠燈對其進行控制,右轉彎的4條路線的控制燈可以假設稱爲常綠狀態,另外,其他的8條線路是兩兩成對的,可以歸爲4組,所以,程序只需考慮圖中標註了數字號的4條路線的控制燈的切換順序,這4條路線相反方向的路線的控制燈跟隨這4條路線切換,不必額外考慮:
2. 面向對象的分析與設計
每條路線上都會出現多輛車,路線上要隨機增加新的車,在燈綠期間還要每秒鐘減少一輛車。
設計一個Road類來表示路線,每個Road對象代表一條路線,總共有12條路線,即系統中總共要產生12個Road實例對象。
每條路線上隨機增加新的車輛,增加到一個集合中保存。
每條路線每隔一秒都會檢查控制本路線的燈是否爲綠,是則將本路線保存車的集合中的第一輛車移除,即表示車穿過了路口。
每條路線每隔一秒都會檢查控制本路線的燈是否爲綠,一個燈由綠變紅時,應該將下一個方向的燈變綠。
設計一個Lamp類來表示一個交通燈,每個交通燈都維護一個狀態:亮(綠)或不亮(紅),每個交通燈要有變亮和變黑的方法,並且能返回自己的亮黑狀態。
總共有12條路線,所以,系統中總共要產生12個交通燈。右拐彎的路線本來不受燈的控制,但是爲了讓程序採用統一的處理方式,故假設出有四個右拐彎的燈,只是這些燈爲常亮狀態,即永遠不變黑。
除了右拐彎方向的其他8條路線的燈,它們是兩兩成對的,可以歸爲4組,所以,在編程處理時,只要從這4組中各取出一個燈,對這4個燈依次輪詢變亮,與這4個燈方向對應的燈則隨之一同變化,因此Lamp類中要有一個變量來記住自己相反方向的燈,在一個Lamp對象的變亮和變黑方法中,將對應方向的燈也變亮和變黑。每個燈變黑時,都伴隨者下一個燈的變亮,Lamp類中還用一個變量來記住自己的下一個燈。
無論在程序的什麼地方去獲得某個方向的燈時,每次獲得的都是同一個實例對象,所以Lamp類改用枚舉來做顯然具有很大的方便性,永遠都只有代表12個方向的燈的實例對象。
設計一個LampController類,它定時讓當前的綠燈變紅。

我們初步設想一下有哪些對象:紅綠燈,紅綠燈的控制系統,汽車,路線。汽車看到自己所在路線對應的燈綠了就穿過路口嗎?不是,還需要看其前面是否有車,看前面是否有車,該問哪個對象呢?該問路,路中存儲着車輛的集合,顯然路上就應該有增加車輛和減少車輛的方法了。再看題目,我們這裏並不要體現車輛移動的過程,只是捕捉出車輛穿過路口的過程,也就是捕捉路上減少一輛車的過程,所以,這個車並不需要單獨設計成爲一個對象,用一個字符串表示就可以了。
面向對象設計把握一個重要的經驗:誰擁有數據,誰就對外提供操作這些數據的方法。再牢牢掌握幾個典型的案例就可以了:人在黑板上畫圓,列車司機緊急剎車,售貨員統計收穫小票的金額,你把門關上了等。
學員的兩個面向對象的面試題,用面向對象的方式設計如下情景。
“兩塊石頭磨成一把石刀,石刀可以砍樹,砍成木材,木材做成椅子”,
“球從一根繩子的一段移動到了另一端”,

編寫Road類中模擬汽車上路的代碼、定義器與Road類中模擬汽車穿過路口、編寫表示交通燈的Lamp類的代碼、編寫交通燈控制器的類和總成測試:
Road類的編寫
每個Road對象都有一個name成員變量來代表方向,有一個vehicles成員變量來代表方向上的車輛集合。
在Road對象的構造方法中啓動一個線程每隔一個隨機的時間向vehicles集合中增加一輛車(用一個“路線名_id”形式的字符串進行表示)。
在Road對象的構造方法中啓動一個定時器,每隔一秒檢查該方向上的燈是否爲綠,是則打印車輛集合和將集合中的第一輛車移除掉。

public class Road 
 {
    // 用集合來表示一條路
    List<String> vehicles = new ArrayList<String>();
  
    // 定義路上對應的燈
    private String name = null;
  
    // 因爲路已初始化就會有車輛,所以代碼應該封裝在路的構造函數中
    public Road(String name)
    {
       this.name = name;
   
       // 創建線程池,模擬路上不斷隨機出現的車輛
       ExecutorService pool = Executors.newSingleThreadExecutor();
      pool.execute(new Runnable(){
        public void run()
        {
           for(int i=0; i<1000; i++)
           {
              try 
              {
                 Thread.sleep((new Random().nextInt(10)+1)*1000);
              }   
              catch (InterruptedException e)
              {
                 e.printStackTrace();
              }
      
              vehicles.add(Road.this.name+"_"+i);
           }
        }
     });
   
   
     // 每隔一秒檢查對應的燈是否爲綠,是則放行一輛車
     //  創建一個定時器的線程池
     ScheduledExecutorService timer = Executors.newScheduledThreadPool(1);
     timer.scheduleAtFixedRate(
        new Runnable(){
         public void run()
          {
           // 如果路上有車,就每隔1秒判斷一次燈,若燈爲綠,那麼就將第一輛車取走
           if(vehicles.size()>0)
           {
              boolean lighted = Lamp.valueOf(Road.this.name).isLighted();
        
              if(lighted)
                 System.out.println(vehicles.remove(0)+" is traveling");
           }
         }
       },
       1,
       1, 
       TimeUnit.SECONDS);
    }
 } 


Lamp類的編寫
系統中有12個方向上的燈,在程序的其他地方要根據燈的名稱就可以獲得對應的燈的實例對象,綜合這些因素,將Lamp類用java5中的枚舉形式定義更爲簡單。
每個Lamp對象中的亮黑狀態用lighted變量表示,選用S2N、S2W、E2W、E2N這四個方向上的Lamp對象依次輪詢變亮,Lamp對象中還要有一個oppositeLampName變量來表示它們相反方向的燈,再用一個nextLampName變量來表示此燈變亮後的下一個變亮的燈。這三個變量用構造方法的形式進行賦值,因爲枚舉元素必須在定義之後引用,所以無法再構造方法中彼此相互引用,所以,相反方向和下一個方向的燈用字符串形式表示。
增加讓Lamp變亮和變黑的方法:light和blackOut,對於S2N、S2W、E2W、E2N這四個方向上的Lamp對象,這兩個方法內部要讓相反方向的燈隨之變亮和變黑,blackOut方法還要讓下一個燈變亮。
除了S2N、S2W、E2W、E2N這四個方向上的Lamp對象之外,其他方向上的Lamp對象的nextLampName和oppositeLampName屬性設置爲null即可,並且S2N、S2W、E2W、E2N這四個方向上的Lamp對象的nextLampName和oppositeLampName屬性必須設置爲null,以便防止light和blackOut進入死循環。


public enum Lamp 
 {
    // 每個枚舉元素各表示一個方向的控制燈
    S2N("N2S","S2W",false),S2W("N2E","E2W",false),E2W("W2E","E2S",false),E2S("W2N","S2N",false),
  
    // 對於相反方向的燈與上面是一樣的,可以忽略它們對面和下一個燈
    N2S(null,null,false),N2E(null,null,false),W2E(null,null,false),W2N(null,null,false),
  
    // 對於右拐彎的燈,可以認爲始終是綠燈
    S2E(null,null,true),E2N(null,null,true),N2W(null,null,true),W2S(null,null,true);
  
    private boolean lighted; // 定義燈的狀態
    private String opposite; // 定義燈的相反方向的燈
    private String next; // 定義燈的下一個燈(相鄰的燈)
  
    private Lamp(String opposite, String next, boolean ligthed)
    {
       this.opposite = opposite;
       this.next = next;
       this.lighted = ligthed;
    }
  
    public boolean isLighted()
    {
       return lighted;
    }
  
    // 如果一個燈變綠時,它相反方向的燈也要變綠
    public void light()
    {
       this.lighted = true;
   
       if(opposite != null)
          Lamp.valueOf(opposite).light();
    }
  
    // 如果一個燈變紅時,想反方向的燈也要變紅,並且下一個方向的燈要變綠
    public Lamp blackOut()
    {
       this.lighted = false;
   
       if(opposite != null)
          Lamp.valueOf(opposite).blackOut();
   
       Lamp nextLamp= null;
       if(next != null)

     {
          nextLamp = Lamp.valueOf(next);
           nextLamp.light();
       }
   
     // 並返回相鄰變綠的燈
     return nextLamp;
    }
 } 


LampController類的編寫
整個系統中只能有一套交通燈控制系統,所以,LampController類最好是設計成單例。
LampController構造方法中要設定第一個爲綠的燈。
LampController對象的start方法中將當前燈變綠,然後啓動一個定時器,每隔10秒將當前燈變紅和將下一個燈變綠。


 public class LampController 
 {
    private Lamp currentLamp;
  
    public LampController()
    {
       currentLamp = Lamp.S2N;
   
       currentLamp.light();
   
       // 每隔10秒就讓燈變紅
       ScheduledExecutorService timer = Executors.newScheduledThreadPool(1);
       timer.scheduleAtFixedRate(
           new Runnable(){
              public void run()
              {
                 currentLamp = currentLamp.blackOut();
              }
           }, 
           10, 
           10, 
           TimeUnit.SECONDS);
     }
 }


MainClass類的編寫
用for循環創建出代表12條路線的對象。
接着再獲得LampController對象並調用其start方法。

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


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