3. 交通信号灯状态机控制

任务说明

实现一个交通信号灯状态机控制器，管理红、黄、绿三种灯的正常时序切换，并支持紧急模式（紧急车辆通过时强制红灯，结束后恢复原状态）。本案例使用 Python 实现，不依赖第三方库，可直接运行验证。

状态定义与转换逻辑

• 正常模式：绿(5s) → 黄(2s) → 红(5s) → 绿，循环切换
• 紧急模式：任意状态收到紧急信号后立即进入红灯；紧急解除后回到紧急前的状态，并重新计时

完整实现

import time
from enum import Enum

class LightState(Enum):
    RED = "红灯"
    YELLOW = "黄灯"
    GREEN = "绿灯"

class TrafficLightFSM:
    def __init__(self):
        self.state = LightState.RED
        self.remaining_time = 5
        self.emergency = False
        self.prev_state = None
        self.prev_remaining = 0
        self._state_durations = {
            LightState.RED: 5,
            LightState.YELLOW: 2,
            LightState.GREEN: 5,
        }

    def _next_normal_state(self):
        order = [LightState.GREEN, LightState.YELLOW, LightState.RED]
        return order[(order.index(self.state) + 1) % 3]

    def tick(self, dt=1):
        """推进时间，dt为经过的秒数"""
        if self.emergency:
            return  # 紧急模式下不推进正常时序

        self.remaining_time -= dt
        if self.remaining_time <= 0:
            self.state = self._next_normal_state()
            self.remaining_time = self._state_durations[self.state]

    def trigger_emergency(self):
        """进入紧急模式：强制红灯"""
        if not self.emergency:
            self.emergency = True
            self.prev_state = self.state
            self.prev_remaining = self.remaining_time
            self.state = LightState.RED
            self.remaining_time = 999  # 紧急模式持续期间红灯常亮

    def release_emergency(self):
        """解除紧急模式：恢复紧急前状态并重新计时"""
        if self.emergency:
            self.emergency = False
            self.state = self.prev_state
            self.remaining_time = self._state_durations[self.prev_state]

    def get_status(self):
        return {
            "当前灯": self.state.value,
            "剩余秒数": self.remaining_time if not self.emergency else "紧急中",
            "紧急模式": self.emergency,
        }

# 最小验证闭环
if __name__ == "__main__":
    fsm = TrafficLightFSM()
    print("初始:", fsm.get_status())

    # 模拟正常时序：红灯5秒后变绿
    for _ in range(5):
        fsm.tick()
    print("5秒后:", fsm.get_status())

    # 触发紧急模式
    fsm.trigger_emergency()
    print("紧急触发:", fsm.get_status())

    # 紧急期间tick不应改变状态
    fsm.tick()
    fsm.tick()
    print("紧急2秒后:", fsm.get_status())

    # 解除紧急，应回到红灯并重新计时5秒
    fsm.release_emergency()
    print("紧急解除:", fsm.get_status())

    # 再走5秒应切换到绿灯
    for _ in range(5):
        fsm.tick()
    print("再5秒后:", fsm.get_status())

运行与验证

1. 将代码保存为 traffic_light_fsm.py
2. 运行 python traffic_light_fsm.py
3. 预期输出（确定性逻辑推导）：

初始: {'当前灯': '红灯', '剩余秒数': 5, '紧急模式': False}
5秒后: {'当前灯': '绿灯', '剩余秒数': 5, '紧急模式': False}
紧急触发: {'当前灯': '红灯', '剩余秒数': '紧急中', '紧急模式': True}
紧急2秒后: {'当前灯': '红灯', '剩余秒数': '紧急中', '紧急模式': True}
紧急解除: {'当前灯': '红灯', '剩余秒数': 5, '紧急模式': False}
再5秒后: {'当前灯': '绿灯', '剩余秒数': 5, '紧急模式': False}

通过标准：程序无异常退出，输出与上述顺序一致，且紧急模式期间状态不随 tick 变化，解除后正确恢复。

关键设计说明

• 状态枚举：使用 LightState 枚举限定合法状态，避免非法赋值。
• 紧急模式处理：通过 prev_state 和 prev_remaining 保存现场，解除时恢复并重置完整时长，保证时序正确。
• tick 驱动：外部每秒调用一次 tick() 模拟时间推进，紧急模式下 tick 不改变任何状态。