多线程实战(一) : 交通灯管理系统

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一. 项目要求:

模拟实现十字路口的交通灯管理系统逻辑，具体需求如下：

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. 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）。

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。

三. 对象建模:

我们初步设想一下有哪些对象：红绿灯，红绿灯的控制系统，汽车，路线。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，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，用一个字符串表示就可以了。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。

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。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。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。

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。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。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，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。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。

设计一个LampController类，它定时让当前的绿灯变红

四. 程序实现:

1. Road: 

public class Road {
	private List<String> vechicles = new ArrayList<String>();

	private String name;

	public Road(String name) {
		this.name = name;

		// 开启一个线程： 模拟车辆不断随机上路的过程, 1-10s会产生一辆车		
		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);
						vechicles.add(Road.this.name + "_" + i);
					} catch (InterruptedException e) {
						e.printStackTrace();
					}
				}
			}
		});

		// 开启定时器：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() {
			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。
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）。
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。

/**
 * 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。
 */
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
	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;
	}

	// 当前灯是否为绿
	private boolean lighted;

	// 与当前灯同时为绿的对应方向
	private String opposite;

	// 当前灯变红时下一个变绿的灯
	private String next;

	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;
		if (opposite != null) {
			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！");
	}

	/**
	 * 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) {
			Lamp.valueOf(opposite).blackOut();
		}

		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;
	}
}

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。

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。 

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。
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。

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();

		// 开启定时器：每隔10秒将当前绿灯变为红灯，并让下一个方向的灯变绿
		ScheduledExecutorService timer = Executors.newScheduledThreadPool(1);
		timer.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {
			public void run() {
				currentLamp = currentLamp.blackOut();
			}
		}, 10, 10, TimeUnit.SECONDS);
	}
}

4. MainClass:

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();
	}
}

多线程实战(一) : 交通灯管理系统

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