如何利用java多線程實現交通燈管理系統

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一. 項目要求

模擬實現十字路口的交通燈管理系統邏輯。詳細需求例如以下：

1、異步隨機生成依照各個路線行駛的車輛。

比如：
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
。。。。。

2、信號燈忽略黃燈，僅僅考慮紅燈和綠燈。

3、應考慮左轉車輛控制信號燈，右轉車輛不受信號燈控制。

4、詳細信號燈控制邏輯與現實生活中普通交通燈控制邏輯同樣。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后放行左轉車輛。

5、每輛車通過路口時間為1秒（提示：可通過線程Sleep的方式模擬）。

6、隨機生成車輛時間間隔以及紅綠燈交換時間間隔自定，能夠設置。

7、不要求實現GUI。僅僅考慮系統邏輯實現，可通過Log方式展現程序執行結果。

二. 需求分析

總共同擁有12條路線，為了統一編程模型，能夠如果每條路線都有一個紅綠燈對其進行控制。右轉彎的4條路線的控制燈能夠如果稱為常綠狀態，另外。其它的8條線路是兩兩成對的，能夠歸為4組，所以，程序僅僅需考慮圖中標注了數字號的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尾隨這4條路線切換，不必額外考慮。

三. 對象建模

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相應的燈綠了就穿過路口嗎？不是，還須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。路中存儲著車輛的集合，顯然路上就應該有添加車輛和降低車輛的方法了。再看題目，我們這里并不要體現車輛移動的過程。僅僅是捕捉出車輛穿過路口的過程，也就是捕捉路上降低一輛車的過程。所以，這個車并不須要單獨設計成為一個對象，用一個字符串表示就能夠了。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。

每條路線上都會出現多輛車，路線上要隨機添加新的車，在燈綠期間還要每秒鐘降低一輛車。

設計一個Road類來表示路線，每一個Road對象代表一條路線，總共同擁有12條路線。即系統中總共要產生12個Road實例對象。每條路線上隨機添加新的車輛。添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為綠，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。

設計一個Lamp類來表示一個交通燈，每一個交通燈都維護一個狀態：亮（綠）或不亮（紅），每一個交通燈要有變亮和變黑的方法。而且能返回自己的亮黑狀態。總共同擁有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。可是為了讓程序採用統一的處理方式，故如果出有四個右拐彎的燈，僅僅是這些燈為常亮狀態。即永遠不變黑。

除了右拐彎方向的其它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，僅僅要從這4組中各取出一個燈。對這4個燈依次輪詢變亮，與這4個燈方向相應的燈則隨之中的一個同變化，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，將相應方向的燈也變亮和變黑。每一個燈變黑時，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。

不管在程序的什么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非常大的方便性，永遠都僅僅有代表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

四. 程序實現

1. Road:

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

 private String name;

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

  // 開啟一個線程： 模擬車輛不斷隨機上路的過程, 1-10s會產生一輛車  
  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();
     }
    }
   }
  });

  // 開啟定時器：每隔一秒檢查相應的燈是否為綠，是則放行一輛車  
  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);
 }
}

每一個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對象的構造方法中啟動一個線程每隔一個隨機的時間向vehicles集合中添加一輛車（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。是則打印車輛集合和將集合中的第一輛車移除掉。

2. Lamp: 

/**
 * 每一個Lamp元素代表一個方向上的燈，總共同擁有12個方向。全部總共同擁有12個Lamp元素。
 * 有例如以下方向上的燈,每兩個形成一組，一組燈同一時候變綠或變紅，所以，程序代碼僅僅須要控制每組燈中的一個燈就可以：
 * s2n,n2s    
 * s2w,n2e
 * e2w,w2e
 * e2s,w2n
 * -------
 * s2e,n2w
 * e2n,w2s
 * 上面最后兩行的燈是虛擬的。因為從南向東和從西向北、以及它們的相應方向不受紅綠燈的控制。所以，能夠假想它們總是綠燈。

 */
public enum Lamp {
 // 每一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),
 // 以下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，能夠假想它們總是綠燈
 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;

 // 與當前燈同一時候為綠的相應方向
 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。它相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。以下總共應該有6個方向能看到汽車穿過！");
 }

 /**
  * 某個燈變紅時，相應方向的燈也要變紅，而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;
 }
}

系統中有12個方向上的燈，在程序的其它地方要依據燈的名稱就能夠獲得相應的燈的實例對象。綜合這些因素，將Lamp類用java5中的枚舉形式定義更為簡單。

每一個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后的下一個變亮的燈。這三個變量用構造方法的形式進行賦值。由于枚舉元素必須在定義之后引用，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。

添加讓Lamp變亮和變黑的方法：light和blackOut，對于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，其它方向上的Lamp對象的nextLampName和oppositeLampName屬性設置為null就可以，而且S2N、S2W、E2W、E2N這四個方向上的Lamp對象的nextLampName和oppositeLampName屬性必須設置為null，以便防止light和blackOut進入死循環。

3. LampController

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();

  // 開啟定時器：每隔10秒將當前綠燈變為紅燈，并讓下一個方向的燈變綠
  ScheduledExecutorService timer = Executors.newScheduledThreadPool(1);
  timer.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {
   public void run() {
    currentLamp = currentLamp.blackOut();
   }
  }, 10, 10, TimeUnit.SECONDS);
 }
}

整個系統中僅僅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。然后啟動一個定時器。每隔10秒將當前燈變紅和將下一個燈變綠。

4. MainClass:

public class MainClass {

 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();
 }
}

用for循環創建出代表12條路線的對象。接著再獲得LampController對象并調用其start方法。

感謝各位的閱讀，以上就是“如何利用java多線程實現交通燈管理系統”的內容了，經過本文的學習后，相信大家對如何利用java多線程實現交通燈管理系統這一問題有了更深刻的體會，具體使用情況還需要大家實踐驗證。這里是億速云，小編將為大家推送更多相關知識點的文章，歡迎關注！