java面试题之一：交通灯管理系统

背景介绍：
软件开发公司现在都越来越精明和狡猾了，他们把日后工作中要解决的问题、并且是他们自己都很难解决的问题拿出来让面试求职者去搞， 不管面试求职者的水平怎样，他们都说谁能搞定，谁就来上班，这样至少求职者在进公司之前就已经为公司做了贡献。 软件公司这招够狠、够高！
题目来源：
前一阵子的某一天中午，有一个学员打电话给我说：“他去国内某大型的软件外包公司应聘了，要求的薪水是7k，该公司给了他一道面试题，就是要做一个模拟的交通灯管理系统， 并说公司外包了一个法国交通系统的项目，现在就是在替做这个交通系统的项目组招人，这个交通灯管理系统就是招聘进来的人上班后要开发的项目模型，如果他在家三天内能够做出来，他就可以入职上班了，并且他要求的薪水则不是任何问题，还可以更高一些。”这个同学做了两天，感到很困难，于是打电话向我求助，我让他把题目发到我的邮箱。晚上，又有一个学员给我打电话，说是去某公司面试了，该公司让他做一个交通灯管理系统， 三天内做出来就可以直接去上班，我马上告诉他，已经有一个同学先他一步来找我了，我只能满足他们两人中的一人，否则，他们就会出现答案雷同，最后对他们两人都造成不利影响。 后来，又有几个学员拿着不同公司的面试题找我，题目如出一辙，都是公司要求把日后的项目拿回家做，什么时候做好就什么时候上班。看来以后靠背我们的面试宝典来突击找工作的方式越来越困难了，软件公司把他们项目中的复杂问题拿出来让面试者做，如果面试者正好是传智播客的学员，他们必将求助于我们，我们这批老师也就顺理成章地成为这些公司免费使用的超级劳工。
这些软件公司精心策划的项目题确实都有很强的技术性和实用价值，在此感谢奉献了这些题目的学员，在征得这些学员们的同意后，我将逐步公布和讲解这些项目面试题，下面是某公司的交通灯管理系统的需求。
交通灯管理系统
模拟实现十字路口的交通灯管理系统逻辑，具体需求如下：
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
。。。
信号灯忽略黄灯，只考虑红灯和绿灯。 应考虑左转车辆控制信号灯，右转车辆不受信号灯控制。 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。 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。
解题思路
首先，为了较好地理解和分析问题，切不可空想，一定要画图！画图非常有助于理解和分析问题，你还有比画图更好的办法吗？
我画的交通灯路线图如下：

接着进行面向对象的分析和设计：
（一）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。
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。
类的编码实现
（一）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。
源码如下：
package org.it315.interview.traffic;import java.util.ArrayList;import java.util.List;import java.util.Random;import java.util.concurrent.Executors;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 IBM**/public class Road {private String direction;private List vehicles = new ArrayList();public Road(String dir){this.direction = dir;//模拟车辆不断上路的过程Executors.newSingleThreadExecutor().execute(new Runnable(){public void run(){for(int i=1;i<1000;i++){vehicles.add(direction + ":" + i);//System.out.println("add " + direction + ":" + i);try {Thread.sleep(new Random().nextInt(2000));} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}});//每隔一秒检查对应的灯是否为绿，是则放行一辆车Executors.newScheduledThreadPool(1).scheduleAtFixedRate(new Runnable(){public void run(){Lamp lamp = Lamp.valueOf(direction);if(lamp.isLighted()){if(vehicles.size() >0)System.out.println(vehicles.remove(0) + " is traversing ");}}},1,1,TimeUnit.SECONDS);}}（二）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对象之前，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。
源码如下：
package org.it315.interview.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，一组等同时变绿或变红，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。* @author IBM**//**/public enum Lamp{/*每个枚举元素各表示灯控制的一个方向*/S2N("N2S",false,"S2W"),S2W("N2E",false,"E2W"),E2W("W2E",false,"E2S"),E2S("W2N",false,"S2N"),/*由南向东和由西向北不受红绿灯的控制，所以，可以假想它们总是绿灯*/S2E("N2W",true,"S2E"),E2N("W2S",true,"E2N"),/*下面元素表示与上面的元素的相反方向的灯，其中所有的参数值不重要，应忽略不计！*/N2S(null,false,null),N2E(null,false,null),W2E(null,false,null),W2N(null,false,null),N2W(null,true,null),W2S(null,true,null);/*灯是否为绿*/private boolean lighted;/*与灯同时为绿的对应方向*/private String opposite;/*灯变红时下一个变绿的灯*/private String next;private Lamp(String opposite,boolean lighted,String next){this.opposite = opposite;this.lighted = lighted;this.next = next;}/*** 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 lampOpposite = Lamp.valueOf(opposite);lampOpposite.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！");}public boolean isLighted(){return lighted;}/*** 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 lampOpposite = Lamp.valueOf(opposite);lampOpposite.blackOut();}Lamp nextLamp = null;if(next != null){nextLamp = Lamp.valueOf(next);nextLamp.light();System.out.println("绿灯从" + name() + "-------->切换为" + next);}return nextLamp;}}（三）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将当前灯变红和将下一个灯变绿。
源码如下：
package org.it315.interview.traffic;import java.util.concurrent.Executors;import java.util.concurrent.TimeUnit;public class LampController {private static LampController instance = new LampController();public static LampController getInstance(){return instance;}private Lamp currentLamp = null;private LampController(){//刚开始让由南向北的灯变绿;currentLamp = Lamp.S2N;}public void start(){currentLamp.light();/*每隔10秒将当前绿灯变为红灯，并让下一个方向的灯变绿*/Executors.newScheduledThreadPool(1).scheduleAtFixedRate(new Runnable(){public void run(){currentLamp = currentLamp.blackOut();}},10, 10, TimeUnit.SECONDS);}}（四）MainClass类
1.用for循环创建出代表12条路线的对象。
2.接着再获得LampController对象并调用其start方法
源码如下：
package org.it315.interview.traffic;public class MainClass {/*** @param args*/public static void main(String[] args) {/*产生12个方向的路线*/String [] directions = {"S2N","N2S","S2W","N2E","E2W","W2E","E2S","W2N","S2W","N2W","E2N","W2S"};for(int i=0;i提示：我们将于2010.07.01专门讲解此项目面试题的破解之道，广大网友们可以通过传智播客的远程网络平台实时收看本讲座，相信您必定能从中能学到很多技巧和设计思想，网络直播讲座详情请参看http://www.itcast.cn/itcast_static/javajz1.htm。
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