设计要求：编程模拟交通信号灯的控制。问题描述：一个十字路口，共有四组红绿灯，每个路口的车辆都遵循“红灯停，绿灯行”的原则，假设将每一台汽车都作为一个进程，请设计良好的机制，展示出合理的“十字路口交通管理”情况。车辆通行设定：路口宽度不限，对一个路口而言，只有当一辆车通过路口（越过对面路口的交通灯后），其后续车辆才能继续通过交通灯，车辆通过路口的时间可以固定，可以自行计算。进程的互斥：交通灯进程实际上是互斥的，即不能同时为红或者同时为绿。进程的消息通信或其通信方式：对车辆进程而言，每一个车辆在通过路口前，必须确认前面的车辆已经通过了路口。进程的调度：停留在一个路口的车辆，决定其前进或等候的因素是交通灯和前面车辆的状态，需要设计一个良好的进程调度机制来控制所有车辆的通行，使用C++

这是一个典型的并发控制问题，需要使用互斥锁和条件变量来进行同步和通信。

首先，定义一个交通灯控制的类，包括红绿灯的状态和控制方法，使用互斥锁来实现对状态的访问控制。

class TrafficLight {
public:
    enum LightState {
        RED,
        YELLOW,
        GREEN
    };

    TrafficLight() : state_(RED) {}

    void TurnRed() {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        state_ = RED;
        cv_.notify_all();
    }

    void TurnGreen() {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        state_ = GREEN;
        cv_.notify_all();
    }

    void TurnYellow() {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        state_ = YELLOW;
        cv_.notify_all();
    }

    LightState GetState() const {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        return state_;
    }

private:
    std::mutex mutex_;
    std::condition_variable cv_;
    LightState state_;
};

然后，定义一个车辆类，包括车辆的状态和行驶方法，使用条件变量来实现车辆的等待和唤醒。

class Vehicle {
public:
    enum VehicleState {
        WAITING,
        RUNNING,
        FINISHED
    };

    Vehicle(int id, TrafficLight& light, int delay)
        : id_(id), light_(light), delay_(delay), state_(WAITING) {}

    void Run() {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        while (state_ != FINISHED) {
            // 等待前面的车辆通过
            while (prev_ && prev_->GetState() != FINISHED) {
                cv_.wait(lock);
            }

            // 等待交通灯
            while (light_.GetState() != GREEN) {
                cv_.wait(lock);
            }

            // 开始行驶
            state_ = RUNNING;
            std::cout << "Vehicle " << id_ << " is running" << std::endl;
            lock.unlock();
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(delay_));
            lock.lock();

            // 结束行驶
            state_ = FINISHED;
            std::cout << "Vehicle " << id_ << " has finished" << std::endl;
            cv_.notify_all();
        }
    }

    void SetPrev(Vehicle* prev) {
        prev_ = prev;
    }

    VehicleState GetState() const {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        return state_;
    }

private:
    int id_;
    TrafficLight& light_;
    int delay_;
    VehicleState state_;
    Vehicle* prev_ = nullptr;
    std::mutex mutex_;
    std::condition_variable cv_;
};

最后，定义一个路口类，连接交通灯和车辆，控制车辆的通行。

class Intersection {
public:
    Intersection() {
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            lights_[i] = TrafficLight();
        }
    }

    void Start() {
        std::vector<std::thread> threads;
        for (int i = 0; i < 16; i++) {
            vehicles_[i] = Vehicle(i, lights_[i % 4], std::rand() % 100 + 100);
            threads.emplace_back(std::thread(&Vehicle::Run, &vehicles_[i]));
        }

        while (true) {
            // 控制交通灯
            for (int i = 0; i < 4; i++) {
                if (lights_[i].GetState() == TrafficLight::RED) {
                    lights_[i].TurnGreen();
                } else {
                    lights_[i].TurnRed();
                }
            }
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(5));
        }

        for (auto& thread : threads) {
            thread.join();
        }
    }

private:
    TrafficLight lights_[4];
    Vehicle vehicles_[16];
};

在主函数中，创建一个路口对象并启动。

int main() {
    Intersection intersection;
    intersection.Start();
    return 0;
}