交通燈管理系統

一、需求

• 類比實現十字路口的交通燈管理系統邏輯，具體需求如下：

        非同步隨機產生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

      ……

•  號誌忽略黃燈，只考慮紅燈和綠燈。
• 應考慮左轉車輛控制號誌，右轉車輛不受號誌控制。
•  具體號誌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。

        註：南北向車輛與東西向車輛交替允許存取，同方向等待車輛應先允許存取直行車輛而後允許存取左轉車輛。

• 每輛車通過路口時間為1秒（提示：可通過線程Sleep的方式類比）。
•  隨機產生車輛時間間隔以及紅綠燈交換時間間隔自定，可以設定。
• 不要求實現GUI，只考慮系統邏輯實現，可通過Log方式展現程式運行結果。

二 、物件導向分析與設計

1. 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。
2. 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執行個體對象。
3. 每條路線上隨機增加新的車輛，增加到一個集合中儲存。
4. 每條路線每隔一秒都會檢查控制本路線的燈是否為綠，是則將本路線儲存車的集合中的第一輛車移除，即表示車穿過了路口。
5. 每條路線每隔一秒都會檢查控制本路線的燈是否為綠，一個燈由綠變紅時，應該將下一個方向的燈變綠。
6. 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。
7. 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，但是為了讓程式採用統一的處理方式，故假設出有四個右拐彎的燈，只是這些燈為常亮狀態，即永遠不變黑。
8. 除了右拐彎方向的其他8條路線的燈，它們是兩兩成對的，可以歸為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類中要有一個變數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類中還用一個變數來記住自己的下一個燈。
9. 無論在程式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執行個體對象，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個方向的燈的執行個體對象。
10. 設計一個LampController類，它定時讓當前的綠燈變紅。

三、詳細設計Road類的編寫

• 每個Road對象都有一個name成員變數來代表方向，有一個vehicles成員變數來代表方向上的車輛集合。
• 在Road對象的構造方法中啟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”形式的字串進行表示）。
• 在Road對象的構造方法中啟動一個定時器，每隔一秒檢查該方向上的燈是否為綠，是則列印車輛集合和將集合中的第一輛車移除掉。

Lamp類的編寫

• 系統中有12個方向上的燈，在程式的其他地方要根據燈的名稱就可以獲得對應的燈的執行個體對象，綜合這些因素，將Lamp類用java5中的枚舉形式定義更為簡單。
• 每個Lamp對象中的亮黑狀態用lighted變數表示，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變數來表示它們相反方向的燈，再用一個nextLampName變數來表示此燈變亮後的下一個變亮的燈。這三個變數用構造方法的形式進行賦值，因為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屬性設定為null即可，並且S2N、S2W、E2W、E2N這四個方向上的Lamp對象的nextLampName和oppositeLampName屬性必須設定為null，以便防止light和blackOut進入死迴圈。

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為綠的燈。
• LampController對象的start方法中將當前燈變綠，然後啟動一個定時器，每隔10秒將當前燈變紅和將下一個燈變綠。

MainClass類的編寫

• 用for迴圈建立出代表12條路線的對象。
• 接著再獲得LampController對象並調用其start方法。

四、編碼

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執行個體對象。 * 每條路線上隨機增加新的車輛，增加到一個集合中儲存。 * 每條路線每隔一秒都會檢查控制本路線的燈是否為綠，是則將本路線儲存車的集合中的第一輛車移除，即表示車穿過了路口。 * @author 張孝祥 www.it315.org * */public class Road {private List<String> vechicles = new ArrayList<String>();private String name =null;public Road(String name){this.name = name;//類比車輛不斷隨機上路的過程ExecutorService pool = Executors.newSingleThreadExecutor();pool.execute(new Runnable(){public void run(){for(int i=1;i<1000;i++){try {Thread.sleep((new Random().nextInt(10) + 1) * 1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}vechicles.add(Road.this.name + "_" + i);}}});//每隔一秒檢查對應的燈是否為綠，是則允許存取一輛車ScheduledExecutorService timer =  Executors.newScheduledThreadPool(1);timer.scheduleAtFixedRate(new Runnable(){public void run(){if(vechicles.size()>0){boolean lighted = Lamp.valueOf(Road.this.name).isLighted();if(lighted){System.out.println(vechicles.remove(0) + " is traversing !");}}}},1,1,TimeUnit.SECONDS);}}

/** * 每個Lamp元素代表一個方向上的燈，總共有12個方向，所有總共有12個Lamp元素。 * 有如下一些方向上的燈,每兩個形成一組，一組燈同時變綠或變紅，所以， * 程式碼只需要控制每組燈中的一個燈即可： * s2n,n2s     * s2w,n2e * e2w,w2e * e2s,w2n * s2e,n2w * e2n,w2s * 上面最後兩行的燈是虛擬，由於從南向東和從西向北、以及它們的對應方向不受紅綠燈的控制， * 所以，可以假想它們總是綠燈。 * @author 張孝祥 www.it315.org * *//**/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),/*下面元素表示與上面的元素的相反方向的燈，它們的“相反方向燈”和“下一個燈”應忽略不計！*/N2S(null,null,false),N2E(null,null,false),W2E(null,null,false),W2N(null,null,false),/*由南向東和由西向北等右拐彎的燈不受紅綠燈的控制，所以，可以假想它們總是綠燈*/S2E(null,null,true),E2N(null,null,true),N2W(null,null,true),W2S(null,null,true);private Lamp(String opposite,String next,boolean lighted){this.opposite = opposite;this.next = next;this.lighted = lighted;}/*當前燈是否為綠*/private boolean lighted;/*與當前燈同時為綠的對應方向*/private String opposite;/*當前燈變紅時下一個變綠的燈*/private String next;public boolean isLighted(){return lighted;}/** * 某個燈變綠時，它對應方向的燈也要變綠 */public void light(){this.lighted = true;if(opposite != null){Lamp.valueOf(opposite).light();}System.out.println(name() + " lamp is green，下面總共應該有6個方向能看到汽車穿過！");}/** * 某個燈變紅時，對應方向的燈也要變紅，並且下一個方向的燈要變綠 * @return 下一個要變綠的燈 */public Lamp blackOut(){this.lighted = false;if(opposite != null){Lamp.valueOf(opposite).blackOut();}Lamp nextLamp= null;if(next != null){nextLamp = Lamp.valueOf(next);System.out.println("綠燈從" + name() + "-------->切換為" + next);nextLamp.light();}return nextLamp;}}

import java.util.concurrent.Executors;import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;import java.util.concurrent.TimeUnit;public class LampController {private Lamp currentLamp;public LampController(){//剛開始讓由南向北的燈變綠;currentLamp = Lamp.S2N;currentLamp.light();/*每隔10秒將當前綠燈變為紅燈，並讓下一個方向的燈變綠*/ScheduledExecutorService timer =  Executors.newScheduledThreadPool(1);timer.scheduleAtFixedRate(new Runnable(){public  void run(){System.out.println("來啊");currentLamp = currentLamp.blackOut();}},10,10,TimeUnit.SECONDS);}}

public class MainClass {/** * @param args */public static void main(String[] args) {/*產生12個方向的路線*/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]);}/*產生整個交通燈系統*/new LampController();}}

五、總結

看視頻之前，看了需求，感覺無從下手。看完視頻後，覺得在物件導向編程中，分析和設計非常重要，在沒真正明白需求前，可以畫圖進行分析，所謂一圖勝千言。通過本視頻的學習對物件導向的封裝、多線程和枚舉有了進一步的認識。