黑马程序员_张孝祥_7K月薪面试题_交通灯管理系统

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题目需求：

模拟实现十字路口的交通灯管理系统逻辑，具体需求如下：

Ø  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

       。。。

 Ø  信号灯忽略黄灯，只考虑红灯和绿灯。

Ø  应考虑左转车辆控制信号灯，右转车辆不受信号灯控制。

Ø  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。

Ø  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）。

Ø  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。

Ø  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。

 

背景介绍：

此题目与银行业务调度系统一样，是同学在面试过程中遇到的实际面试题。该公司招聘为其交通灯系统项目组的招聘员工，给出了一道与项目有关的题目让应聘者带回家做。如果做得好就可以入职！

  

问题分析：

首先结合实际场景对问题进行分析。

想一想最熟悉的某个路口，可画出如下的路口模型：

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【东2西，东2南，南2北，南2西】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。

面向对象的分析与设计：

面向对象的程序设计思想：

【谁拥有数据，谁就对外提供操作这些数据的方法】

我们初步设想下有哪些对象：红绿灯，控制红绿灯的系统，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，那么判断前面是否有车该问哪个对象？--路，因为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。再看需求，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辆车的过程。所以车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。

简化后就是这样一个过程：路，路上有集合，集合里面装的车(字符串)，路看到自己的红绿灯中的绿灯亮了，就把第一辆车取走，路还有方法，随机往集合里面加车；灯变绿变红是通过一个控制系统调度，总共三个对象。

 

面向对象设计实例：

用面向对象的方式设计如下情景：

"小球从一根绳子的一端移动到另一端"

两个对象：小球、绳子;绳子：为小球的移动指引了方向，nextPoint();小球有一个移动的方法，该方法需要依赖绳子。

//用面向对象的方式设计"小球从一根绳子的一端移动到另一端"
class Rope{
//把绳子想象成若干个小点，连成一条线，
private Point start;//起始坐标
private Point end;//结束坐标
//传入起始坐标和结束坐标到构造函数，创建一个绳子的对象
public Rope(Point start,Point end){
this.start=start;
this.end=end;
}
//获取当前点的下一个坐标：
public Point nextPoint(){
/*通过两点一线的数学公式可以计算出当前点的下一个点，此细节不属于设计阶段要
* 考虑的问题。如果当前点是终止点，返回null,如果不是线上的点，抛出异常。*/
}
}

class Ball{
private Rope rope;
private Point currentPoint;
public Ball(Roperope,Point startPoint){
this.rope=rope;
this.currentPoint=startPoint;
}
public void move(){
currentPoint=rope.nextPoint(currentPoint);
System.out.println("小球移动到了:"+currentPoint);
}
}

"两块石头磨成一把石刀，石刀可以砍树，树砍成木材，木材做成椅子"

从描述看出，有五个对象：Stone，StoneKnife，tree，wood，chair

过程如下：

    Stone

    StoneKnife=StoneFactory.createKnife(Stone);

    tree

    wood=StoneKnife.cut(tree);

    chair=ChairFactory.makeChair(wood);

 

 

每条路上都会出现多辆车，路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Road类表示路线，每个Road类对象代表一条路线,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，增加的到一个集合中保存。

    每条路线每隔1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。

 

每条路线每隔1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。

    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)。每个交通灯有变绿和变红的方法，并且能返回自己红绿状态

    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，但为了让程序采用统一的处理方式，假设出四个右拐弯的灯为常绿状态。

    除了右拐弯方向，其它8条路线的灯都是两两成对的，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，对这四个灯依次轮回变绿，与这四个对应方向的灯则随之一同变化。因此Lamp中要有一个变量来记住自己相反方向上的灯。在一个Lamp对象变绿和变红的方法中，将对应方向上的灯也变绿和变红。，每个灯变红时都伴随下一个灯的变绿。Lamp类中还有一个变量用于记住自己的下一个灯。

 

设计灯：

总共有12个灯的实例对象，有12条路线，所以对象是固定的，用枚举【枚举里的元素就是枚举类的实例对象】

当前路口为绿灯时，要把对面方向也变为绿灯，当前路口变为红灯，要把下一个方向的灯变绿。所以有三个成员变量，一个是对面方向的灯，一个是下一个方向的灯，自己的状态。

 

实现代码：

 

车开到路上--Road类的编写

l  每个Road对象都有一个name成员变量来代表方向,由一个vechicles成员变量来代表车辆的集合

l  在Road对象的构造方法中启动一个线程每隔一个随机时间向vechicles集合中增加一辆车(用"路线名_id"形式的字符串表示)

l  在Road对象的构造方法中启动一个定时器，每隔1秒检查该方向上的灯是否为绿，是则打印车辆集合，并将集合中的第一辆车移除掉

//车开到路上
public class Road {
//定义路上车的集合
List<String> vechicles=new ArrayList<String>();
private String name;
//因为有12条路线，所以给每条路定义一个名字
public Road(final String name) {
this.name=name;
//创建只有一个线程的线程组，模拟车辆不断随机上路的过程
ExecutorService pool=Executors.newSingleThreadScheduledExecutor();
//线程池挑选一个空闲的线程执行增加车的任务
pool.execute(new Runnable(){
@Override
public void run() {
//假设总共出现1000辆车
for(int i=1;i<=1000;i++){
try {
//控制车增加的节奏,1-10S之间增加一辆
Thread.sleep((new Random().nextInt(10)+1)*1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
//内部类要访问name,1.访问外部类的局部变量:构造函数中的局部变量加final; 2.访问外部类的成员变量:Road.this.name
vechicles.add(Road.this.name+"_"+i);
}
}
});
//定义一个定时器，每隔一秒检查对应的灯是否为绿，是则放行一辆车
//定义一个调度线程池
ScheduledExecutorService timer=Executors.newScheduledThreadPool(1);
/*定义定时器以固定频率调度当前任务
* 第一个参数:要执行的任务
* 第二个参数：过多少秒以后第一次去执行当前任务
* 第三个参数：过多少秒后继续接着干当前任务
* 第四个参数：调度时间度量单位
*/
timer.scheduleAtFixedRate(
new Runnable(){
public void run() {
//只有路口有车，才开始执行车子驶过路口的操作，即移除一辆车
if(vechicles.size()>0){
//boolean lighted=true;//假若是绿灯,那么车会通过
//判断当前路线上是否为绿灯
boolean lighted=Lamp.valueOf(Road.this.name).isLighted();
if(lighted){
System.out.println(vechicles.remove(0)+" is travel...");
}
}
}
},
0,
1,
TimeUnit.SECONDS);
}
}


Lamp类的编写：
//总共有12个灯的实例对象，有12条路线，所以对象是固定的，用枚举【枚举里的元素就是枚举类的实例对象】

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","N2S",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);
//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;
private Lamp(String oppsite,String next,boolean lighted){
this.opposite=opposite;
this.next=next;
this.lighted=lighted;
}
//判断是否为绿灯
public boolean isLighted(){
return lighted;
}
//某个灯变绿时，它对应方向的灯也要变绿
publicvoid light(){
this.lighted=true;
//如果对应的灯不为空，就让其变绿,如东和西对应，东对应的灯为西，西没有对应的灯
if(opposite!=null){
//valueof(String arg0)把字符串转成对应的枚举元素
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，并返回下一个变绿的灯
public Lamp red(){
this.lighted=false;
if(opposite!= null){
Lamp.valueOf(opposite).red();
}
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;
}
}

交通灯控制器类的编写：

l  整个系统中只能有一套交通灯控制系统，所以，LampController类最好设计成单例

l  LampController构造方法中要设定第一个为绿的灯

l  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

//灯的控制器
public class LampController{
//控制器中当前的灯
private Lamp currentLamp;
public LampController(){
//初始化当前灯是由南向北路线上的
currentLamp=Lamp.S2N;
//设置当前灯为绿色
currentLamp.light();
//新建一个定时器，每隔10S让当前灯变红，并让下一个方向上的灯变绿
ScheduledExecutorService timer=Executors.newScheduledThreadPool(1);
//以固定频率执行任务
timer.scheduleAtFixedRate(
new Runnable(){
public void run(){
//每隔10秒将当前绿灯变红,那么返回的就是下一个灯
currentLamp=currentLamp.red();
}
},
10,
10,
TimeUnit.SECONDS);
}
}

调用的入口函数：

把12条路线封装到数组里，用for循环创建出代表12条路线的对象

获得LampController对象并调用其start方法

public class MainClass {
public static void main(String[] args) {
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]);//创建12条线路
}

new LampController();//交通灯控制器
}
}

 

总结：

1.     结合现实场景进行问题分析！！

2.     画图比空想更容易理清思路！！

3.     对问题进行简化，由浅入深分析问题！！

4.     面向对象的设计经验：谁拥有数据，谁就对外提供操作这些数据的方法。

5.     1.5新加入的创建线程方法总结：

java.util.concurrent.Executors

此类没有构造器，全部都是静态方法，用于创建Callable、ThreadFactory、 ExecutorService、ScheduledExecutorService对象。

ExecutorService   newSingleThreadExecutor()  ---返回一个单线程池

ExecutorService   newFixedThreadPool(intnThreads) --返回一个线程池

ScheduledExecutorService newSingleThreadScheduledExecutor() --- 返回一个具有延迟、定时执行功能的单线程池

ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize)--- 返回一个具有延迟、定时执行功能的线程池

 

java.util.concurrent.Executor接口

其中只有一个方法： void execute(Runnable command)，开启线程。

 

ScheduledExecutorService 类：

ScheduledFuture<?>scheduleAtFixedRate(Runnable command, long initialDelay, long period, TimeUnitunit)  

/*定义定时器以固定频率调度当前任务

 * 第一个参数:要执行的任务

 * 第二个参数：过多少秒以后第一次去执行当前任务

 * 第三个参数：过多少秒后继续接着干当前任务

 * 第四个参数：调度时间度量单位

*/

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