一、题目

这是两条路的交叉路口。第一条路是 A 路，车辆可沿 1 号方向由北向南行驶，也可沿 2 号方向由南向北行驶。第二条路是 B 路，车辆可沿 3 号方向由西向东行驶，也可沿 4 号方向由东向西行驶。

每条路在路口前都有一个红绿灯。红绿灯可以亮起红灯或绿灯。

绿灯表示两个方向的车辆都可通过路口。
红灯表示两个方向的车辆都不可以通过路口，必须等待绿灯亮起。
两条路上的红绿灯不可以同时为绿灯。这意味着，当 A 路上的绿灯亮起时，B 路上的红灯会亮起；当 B 路上的绿灯亮起时，A 路上的红灯会亮起.

开始时，A 路上的绿灯亮起，B 路上的红灯亮起。当一条路上的绿灯亮起时，所有车辆都可以从任意两个方向通过路口，直到另一条路上的绿灯亮起。不同路上的车辆不可以同时通过路口。

给这个路口设计一个没有死锁的红绿灯控制系统。

实现函数 void carArrived(carId, roadId, direction, turnGreen, crossCar) :

carId 为到达车辆的编号。
roadId 为车辆所在道路的编号。
direction 为车辆的行进方向。
turnGreen 是一个函数，调用此函数会使当前道路上的绿灯亮起。
crossCar 是一个函数，调用此函数会允许车辆通过路口。

当你的答案避免了车辆在路口出现死锁，此答案会被认定为正确的。当路口已经亮起绿灯时仍打开绿灯，此答案会被认定为错误的。

示例 1:

输入: cars = [1,3,5,2,4], directions = [2,1,2,4,3], arrivalTimes = [10,20,30,40,50]
输出: [
"Car 1 Has Passed Road A In Direction 2",    // A 路上的红绿灯为绿色，1 号车可通过路口。
"Car 3 Has Passed Road A In Direction 1",    // 红绿灯仍为绿色，3 号车通过路口。
"Car 5 Has Passed Road A In Direction 2",    // 红绿灯仍为绿色，5 号车通过路口。
"Traffic Light On Road B Is Green",          // 2 号车在 B 路请求绿灯。
"Car 2 Has Passed Road B In Direction 4",    // B 路上的绿灯现已亮起，2 号车通过路口。
"Car 4 Has Passed Road B In Direction 3"     // 红绿灯仍为绿色，4 号车通过路口。
]

示例 2:

输入: cars = [1,2,3,4,5], directions = [2,4,3,3,1], arrivalTimes = [10,20,30,40,40]
输出: [
"Car 1 Has Passed Road A In Direction 2",    // A 路上的红绿灯为绿色，1 号车可通过路口。
"Traffic Light On Road B Is Green",          // 2 号车在 B 路请求绿灯。
"Car 2 Has Passed Road B In Direction 4",    // B 路上的绿灯现已亮起，2 号车通过路口。
"Car 3 Has Passed Road B In Direction 3",    // B 路上的绿灯现已亮起，3 号车通过路口。
"Traffic Light On Road A Is Green",          // 5 号车在 A 路请求绿灯。
"Car 5 Has Passed Road A In Direction 1",    // A 路上的绿灯现已亮起，5 号车通过路口。
"Traffic Light On Road B Is Green",          // 4 号车在 B 路请求绿灯。4 号车在路口等灯，直到 5 号车通过路口，B 路的绿灯亮起。
"Car 4 Has Passed Road B In Direction 3"     // B 路上的绿灯现已亮起，4 号车通过路口。
]
解释: 这是一个无死锁的方案。注意，在 A 路上的绿灯亮起、5 号车通过前让 4 号车通过，也是一个正确且可被接受的方案。

提示：

1 <= cars.length <= 20
cars.length = directions.length
cars.length = arrivalTimes.length
cars 中的所有值都是唯一的。
1 <= directions[i] <= 4
arrivalTimes 是非递减的。

二、解决

1、synchronized

思路：

题意总结如下：

十字路口由两条路组成 Road1 和 Road2
只有路灯才允许车辆通过，红灯则不行

我们可以构建一个临界区，每次只允许在一条路上通过，设置一个布尔变量 road1GreenOn

当 road1GreenOn == true 表示 Road1 是路灯
当 road1GreenOn == true 表示 Road2 是路灯

这里介绍四种实现方式：Synchronized 、Lock、CAS、 Semaphore（信号量）

代码：

class TrafficLight {public TrafficLight() {}boolean road1IsGreen = true;public synchronized void carArrived(int carId,           // ID of the carint roadId,          // ID of the road the car travels on. Can be 1 (road A) or 2 (road B)int direction,       // Direction of the carRunnable turnGreen,  // Use turnGreen.run() to turn light to green on current roadRunnable crossCar    // Use crossCar.run() to make car cross the intersection ) {if ((roadId == 1) != road1IsGreen) {turnGreen.run();road1IsGreen = !road1IsGreen;}crossCar.run();}
}

class TrafficLight {private final Object LOCK = new Object();private boolean road1GreenOn = false;public TrafficLight() {}public void carArrived(int carId,           // ID of the carint roadId,          // ID of the road the car travels on. Can be 1 (road A) or 2 (road B)int direction,       // Direction of the carRunnable turnGreen,  // Use turnGreen.run() to turn light to green on current roadRunnable crossCar    // Use crossCar.run() to make car cross the intersection) {synchronized (LOCK) {try {if (roadId == 1 && road1GreenOn) {turnGreen.run();road1GreenOn = false;} else if (roadId == 2 && !road1GreenOn) {turnGreen.run();road1GreenOn = true;}crossCar.run();} catch (Exception e) {}}}
}

2、CAS

思路： 略。
代码：

class TrafficLight {private final AtomicInteger atomic = new AtomicInteger();private boolean road1GreeOn = false;public TrafficLight() {}public void carArrived(int carId,           // ID of the carint roadId,          // ID of the road the car travels on. Can be 1 (road A) or 2 (road B)int direction,       // Direction of the carRunnable turnGreen,  // Use turnGreen.run() to turn light to green on current roadRunnable crossCar    // Use crossCar.run() to make car cross the intersection) {try {while (!atomic.compareAndSet(0, 1)) Thread.sleep(1);if (roadId == 1 && road1GreeOn) {turnGreen.run();road1GreeOn = false;} else if (roadId == 2 && !road1GreeOn) {turnGreen.run();road1GreeOn = true;}crossCar.run();while (!atomic.compareAndSet(1, 0)) Thread.sleep(1);} catch (Exception e) {}}
}

3、Lock

思路： 略。
代码：

class TrafficLight {private final Lock lock = new ReentrantLock();private boolean road1GreenOn = false;public TrafficLight() {}public void carArrived(int carId,           // ID of the carint roadId,          // ID of the road the car travels on. Can be 1 (road A) or 2 (road B)int direction,       // Direction of the carRunnable turnGreen,  // Use turnGreen.run() to turn light to green on current roadRunnable crossCar    // Use crossCar.run() to make car cross the intersection) {lock.lock();try {if (roadId == 1 && road1GreenOn) {turnGreen.run();road1GreenOn = false;} else if (roadId == 2 && !road1GreenOn) {turnGreen.run();road1GreenOn = true;}crossCar.run();} catch (Exception e) {} finally {lock.unlock();}}
}

4、信号量

思路： 略。
代码-版本1：

class TrafficLight {private Semaphore greenLight;//红绿灯遥控器private boolean road1CanGo;//表示道路1是绿灯private boolean road2CanGo;//表示道路2是绿灯public TrafficLight() {this.greenLight = new Semaphore(1, true);this.road1CanGo = true;this.road2CanGo = false;}public void carArrived(int carId,           // ID of the carint roadId,          // ID of the road the car travels on. Can be 1 (road A) or 2 (road B)int direction,       // Direction of the carRunnable turnGreen,  // Use turnGreen.run() to turn light to green on current roadRunnable crossCar    // Use crossCar.run() to make car cross the intersection) {try {greenLight.acquire();//申请获取遥控器//如果当前车道已经是绿灯了，直接通过if ((roadId == 1 && road1CanGo) || (roadId == 2 && road2CanGo)) crossCar.run();else if (roadId == 1 && !road1CanGo) {//否则，如果道路1不是绿灯，用遥控器变成绿灯turnGreen.run();road1CanGo = true;road2CanGo = false;crossCar.run();} else if (roadId == 2 && !road2CanGo) {//如果道路2不是绿灯，用遥控器变成绿灯turnGreen.run();road2CanGo = true;road1CanGo = false;crossCar.run();}greenLight.release();//最后把遥控器归还} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}
}

代码-版本2：

class TrafficLight {private final Semaphore semaphore = new Semaphore(1);private boolean road1GreenOn = false;public TrafficLight() {}public void carArrived(int carId,           // ID of the carint roadId,          // ID of the road the car travels on. Can be 1 (road A) or 2 (road B)int direction,       // Direction of the carRunnable turnGreen,  // Use turnGreen.run() to turn light to green on current roadRunnable crossCar    // Use crossCar.run() to make car cross the intersection) {try {semaphore.acquire();if (roadId == 1 && road1GreenOn) {turnGreen.run();road1GreenOn = false;} else if (roadId == 2 && !road1GreenOn) {turnGreen.run();road1GreenOn = true;}crossCar.run();semaphore.release();} catch (Exception e) {}}
}

三、参考

1、4行代码 10ms
2、四种实现方式(cas、Lock、Semaphore、Synchronized)
3、Java 信号量思路

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