Java交通灯系统

交通灯管理项目模拟了对十字路口交通灯的控制，一般在我们生活中的十字路口是有人行道的，而此项目没有考虑人行道。
具体需求如下：  
1.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

2.信号灯忽略黄灯，只考虑红灯和绿灯

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。  
        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。  
        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）。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。

5.每辆车通过路口的时间为1秒

6、随机生成车辆的时间间隔，以及红绿灯交换时间间隔自定，可以设置。  
       项目编码之前首先要理清项目的需求，在脑海中大致有一个项目的雏形，下面这个图描述了项目中十字路口的情况：
 

分析需求以及上面这个图，可以进行这样的设计：  
一.每条路线上都会出现多辆车，路上要随机增加车，在灯绿期间还要每秒钟减少一辆车，项目中车没有其他的逻辑，可以不把它提炼为一个单独的类，用字符串表示就可以了.
    1、 设计一个Road类来表示路线，每个Road对象代表一条路线，总共有12条路线，即系统中总共要产生12个Road实例对象。  
    2、 每条路线上随机增加新的车辆，增加到一个集合中保存  
    3、 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

二.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  
    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，并且能返回自己的亮黑状态。
    2、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。
    3、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。
    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。
    5、设计一个LampController类，它定时让当前的绿灯变红。

在面向对象设计中有一步很关键，就是提炼出项目中有哪些类，这个需要根据需求与具体的设计，提炼时，可以看需求文档中出现的名词。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，这个被称为是专家模式。

此项目设计了4各类，分别是Road、Lamp、LampController、MainClass，下面就来看看这些类是如何设计的：  
Road类  
    1、 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。  
    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。  
这个类中需要启动一个线程以及定时器，启动线程推荐使用Java5提供的线程库，性能较好些，提供了线程池，线程池是一上来就搞出来许多线程，放在那，当有任务交给他时，从池中找出一个空闲的去执行这个任务，Executors是一个线程工具类，提供了大量的对线程进行支持的静态方法。  
Road类代码如下：

package heimablog.traffic;

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 adanac
 */
public class Road {

	//车并不需要定义一个实体类，将车以字符串的形式定义到数组中即可
	//通过分析车的特点，车有增加和减少的方法，所以链表结构是符合车的存储特点的
	//为什么不写ArrayList集合呢 因为面向接口编程
	/*接口 List<E>
	所有超级接口：
	Collection<E>, Iterable<E>
	所有已知实现类（部分）：
	AbstractList, ArrayList, AttributeList, LinkedList, Vector*/

	private List<String> vehicls = new ArrayList<String>();

	private String name;

	//在构造方法中不断的创建车
	public Road(String name) {
		this.name = name;

		//线程库,使用线程库来创建一个线程，相当于一个线程池
		ExecutorService pool = Executors.newSingleThreadExecutor();

		//相当于new一个Runnable的实现类对象
		pool.execute(new Runnable() {

			@Override
			public void run() {
				for (int i = 1; i < 8000; i++) {
					try {
						Thread.sleep(1000 * (new Random().nextInt(10) + 1));//sleep随机数，随机值1~10
					} catch (InterruptedException e) {
						e.printStackTrace();
					}
					vehicls.add(Road.this.name + "_" + i);//内部类访问外部类,可以在构造函数的参数String前加final,也可以使用外部类名.this.变量名
				}
			}
		});

		//定时器每隔1s检查绿灯是否变亮
		ScheduledExecutorService timer = Executors.newScheduledThreadPool(1);
		timer.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {

			@Override
			public void run() {
				//定义变量lighted判断当前线路的灯是否是绿灯
				boolean lighted = Lamp.valueOf(Road.this.name).isLighted();
				if (lighted) {
					//如果是绿灯并且检查到路上有车，则放行第一辆车
					if (vehicls.size() > 0) {
						System.out.println(vehicls.remove(0));
					}
				}
			}
		}, 1, 1, TimeUnit.SECONDS);
	}
}

/**
 *Road类中使用了Java多线程：类Executors主要的工厂方法，也是创建线程池的方法，创建一个单线程化的Executor)：newSingleThreadExecutor()
 *创建一个使用单个 worker 线程的 Executor，以无界队列方式来运行该线程。
 *可保证顺序地执行各个任务，并且在任意给定的时间不会有多个线程是活动的。
 */

Lamp类
    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。
Lamp类代码如下：

package heimablog.traffic;

/**
 * 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.
 * 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 adanac
 */
public enum Lamp {

	//定义12条线路,每个枚举元素各表示一个方向的控制灯
	//关键在于模拟右转弯的灯始终是亮着的，以统一模型
	//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),
	S2E(null,null,true),E2N(null,null,true),N2W(null,null,true),W2S(null,null,true);

	/* 与当前灯同时为绿的对应方向(为了避免传递的错误，我们将灯Lamp变为字符串，传递对应灯的名字字符串) */
	private String opposite;
	/* 当前灯变红时下一个变绿的灯 */
	private String next;
	/* 当前灯是否为绿 */
	private boolean lighted;
	private Lamp(String opposite, String next, boolean lighted) {
		this.opposite = opposite;
		this.next = next;
		this.lighted = lighted;
	}

	//定义一个返回灯是否亮着的方法
	public boolean isLighted(){
		return lighted;
	}

	//让灯变绿，并且让对应方向的灯也变绿
	public void light(){
		this.lighted = true;
		if (opposite != null) {
			Lamp.valueOf(opposite).light();
		}
		System.out.println(name() + " 灯亮了,有6个方向的车在移动");
	}

	// 让灯变红，并且让对应方向的灯也变红，也要让下一个方向的灯变绿
	public Lamp blackOut(){
		this.lighted = false;
		if (opposite != null) {
			System.out.println("绿灯由" + name() +" -----> " + next);
			Lamp.valueOf(opposite).blackOut();
		}

		Lamp nextLamp = null;
		//定义一个避免死循环的解决办法
		if (next != null) {
			nextLamp = Lamp.valueOf(next);
			nextLamp.light();
		}
		return nextLamp;
	}
}

LampController类
    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。
LampController代码如下：

package heimablog.traffic;

import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

//定义一个灯的控制器
public class LampController {

	//定义一个变量：当前的灯
	private Lamp currentlLamp;
	//定义构造方法， 构造方法上来 应该让某一个灯变绿
	public LampController() {
		currentlLamp = Lamp.S2N;
		currentlLamp.light();

		//做个定时器，让每隔10s绿灯变红灯,并让下一个方向的灯变绿
		ScheduledExecutorService timer = Executors.newScheduledThreadPool(1);
		timer.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {

			@Override
			public void run() {
				currentlLamp = currentlLamp.blackOut();
			}
		}, 10, 10, TimeUnit.SECONDS);
	}
}

MainClass类
    1、用for循环创建出代表12条路线的对象。
   2、接着创建出LampController对象，并调用其start方法。
代码如下：

package heimablog.traffic;

public class MainClass {

	public static void main(String[] args) {

		//创建12条路线的对象
		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]);
		}

		//产生整个交通灯系统
		new LampController();
	}
}

执行结果如下：

N2S 灯亮了,有6个方向的车在移动
S2N 灯亮了,有6个方向的车在移动
S2E_1 is travelling!
E2N_1 is travelling!
W2S_1 is travelling!
N2W_1 is travelling!
N2S_1 is travelling!
N2S_2 is travelling!
W2S_2 is travelling!
S2N_1 is travelling!
N2W_2 is travelling!
N2W_3 is travelling!
绿灯由S2N -----> S2W
N2E 灯亮了,有6个方向的车在移动
S2W 灯亮了,有6个方向的车在移动
N2E_1 is travelling!
S2W_1 is travelling!
S2E_2 is travelling!
E2N_2 is travelling!
N2E_2 is travelling!
N2E_3 is travelling!
N2W_4 is travelling!
W2S_3 is travelling!
S2E_3 is travelling!
S2W_2 is travelling!
E2N_3 is travelling!
N2E_4 is travelling!
N2E_5 is travelling!
E2N_4 is travelling!
S2E_4 is travelling!
N2W_5 is travelling!
绿灯由S2W -----> E2W
W2E 灯亮了,有6个方向的车在移动
E2W 灯亮了,有6个方向的车在移动
E2W_1 is travelling!
W2E_1 is travelling!

总结：

• 成功的模拟了对交通灯的控制，这个项目中最重要的就是，分析业务逻辑，画出相应的分析图：总共有12条路线，为了统一编程模型，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。没有这一步这个项目就无从入手了，这也告诉我们做一个项目之前，要理解需求，理清思路，让项目在大脑中有一个大致的雏形，然后再去编码，这样一步一步的才能成功！