电梯使用起来非常的方便，只要按个按钮就可以去到想去的楼层。那么电梯是如何工作的，它内部的算法是如何起作用的呢？我们又如何编写电梯的程序呢？在写代码之前，我们先要知道电梯的工作原理。
如上图所示，电梯的工作是基于多线程的。它由消息线程，状态机线程，以及开关门子线程共同协调完成动作。消息线程产生消息队列（MsgQueue），普通消息（非开门关门消息）按产生的时间顺序依次进入消息队列，状态机线程按顺序不断的读取消息队列里的消息，每读取一条消息后，执行消息改变自身状态，然后读取下一条消息。而如果消息线程中产生了开、关门的消息（ExitFlag），那么此时先判断可行性（比如电梯在运行过程中无法开关门），若可行，则立即中断其它动作，执行此消息。
首先我们给电梯定义几个状态，然后定义各种消息，定义楼层的高度，最后写出状态改变的具体逻辑。如图，我们给消息和状态都编码。
TOP = 6
BOTTOM = 1
STATE = {0:"门停开着",1:"门停关着",2:"电梯上升",3:"电梯下降"}
DIR = {0:"向下", 1:"向上"}
# 消息编码：0 00关门 ，01 开门, 02 有人进
# 1 11去1L ，12去2L，13去三楼，14去4楼，15去五楼，16去六楼
# 2 21一楼有人按上，22二楼有人按上，23三楼有人按上，24四楼有人按上，25五楼有人按上
# 3 32二楼有人按下，33三楼有人按下，34四楼有人按下，35五楼有人按下，36六楼有人按下
状态机线程：
状态机就是状态转移图。举个最简单的例子。人有三个状态健康，感冒，康复中。触发的条件有淋雨（t1），吃药（t2），打针（t3），休息（t4）。所以状态机就是健康-（t4）->健康；健康-（t1）->感冒；感冒-（t3）->健康；感冒-（t2）->康复中；康复中-（t4）->健康，等等。就是这样状态在不同的条件下跳转到自己或不同状态的图。现在，我们来看看电梯的状态机：
消息线程：
真正生活中的电梯，它的消息来自于使用者按按钮，然后通过传感器设备采集信号传给中心处理系统，我们这里直接忽略硬件部分，用一些随机数字产生消息代码。首先定义一个消息的class，它包括消息类型type和消息值value。
class Msg:
def __init__(self,type,value):
self.type = type
self.value = value
exitFlag = []
MsgQueue = []
def Msgfunction():
global MsgQueue,exitFlag
for i in range(4):
type = random.randint(0, 3)
value = 0
if type == 0:
value = random.randint(0, 2)
if lock.acquire():
exitFlag.append(1)
lock.release()
if type == 2:
value = random.randint(BOTTOM,TOP-1)
if type == 3:
value = random.randint(BOTTOM+1,TOP)
if type == 1:
value = random.randint(BOTTOM, TOP)
TIME = random.randint(1, 8)
m = Msg(type, value)
if lock.acquire():
MsgQueue.append(m)
print("产生消息编码:"+ str([m.type,m.value]))
lock.release()
time.sleep(TIME)
注意到该函数最下面有一个锁死语句，即消息队列在增加消息时，锁死了消息队列，不让其它线程访问。这里主要是因为，状态机线程在完成一个消息动作后，会将已完成的消息弹出消息队列，而这个过程与上面添加消息是互斥的，因为他们都需要访问资源MsgQueue。
开门关门子线程：
相比上面的两个线程，这个线程相对难一点。主要是考虑到实时性。首先，要考虑两个问题。什么时候可以开关门，不能开关门要怎样。电梯只有处在状态“停门关着”才能开门，而只有处在状态 “门停开着”才能关门。如果此时电梯处于其它状态，则直接忽视掉开关门命令即可。但是又有问题了，通常我们会碰到这样的问题，比如门正在关闭中，电梯里面有人按了开门按钮，或者外面有人进来，那么此时电梯的状态要为“门停关着”，也就是说在执行动作关门前，提前将状态转换过去。
此外，开关门线程只在调用开关门函数时起作用，电梯下一次状态的转换必须等待开关门动作完成，而开关门线程运行时，还可以重启开关门线程，譬如“有人进”。
def closeThread():
global exitFlag
counter = 3
print("正在关门...")
while counter:
if exitFlag != [1]:
print("关门终止")
break
time.sleep(1)
counter -=1
if counter == 0:
print("已关门")
def closedoor():
t = threading.Thread(target=closeThread)
t.start()
t.join()
def openThread():
global exitFlag
counter = 3
print("正在开门...")
while counter:
if exitFlag != [1]:
print("开门终止")
break
time.sleep(1)
counter -=1
if counter == 0:
print("已开门")
def opendoor():
t = threading.Thread(target=openThread)
t.start()
t.join()
主线程：
主线程就简单了，只需要负责启动状态机线程和消息队列线程。运行主线程，电梯就开始运作啦。
if __name__ == "__main__":
thread1 = threading.Thread(target=Msgfunction)
thread2 = threading.Thread(target=statemachine)
thread1.start()
thread2.start()
好了，源码放在后面了。
源代码：
import time
import threading
import random
TOP = 6
BOTTOM = 1
STATE = {0:"门停开着",1:"门停关着",2:"电梯上升",3:"电梯下降"}
DIR = {0:"向下", 1:"向上"}
# 消息编码：0 00关门 ，01 开门, 02 有人进
# 1 11去1L ，12去2L，13去三楼，14去4楼，15去五楼，16去六楼
# 2 21一楼有人按上，22二楼有人按上，23三楼有人按上，24四楼有人按上，25五楼有人按上
# 3 32二楼有人按下，33三楼有人按下，34四楼有人按下，35五楼有人按下，36六楼有人按下
lock = threading.Lock()
class Msg:
def __init__(self,type,value):
self.type = type
self.value = value
exitFlag = []
MsgQueue = []
def Msgfunction():
global MsgQueue,exitFlag
for i in range(4):
type = random.randint(0, 3)
value = 0
if type == 0:
value = random.randint(0, 2)
if lock.acquire():
exitFlag.append(1)
lock.release()
if type == 2:
value = random.randint(BOTTOM,TOP-1)
if type == 3:
value = random.randint(BOTTOM+1,TOP)
if type == 1:
value = random.randint(BOTTOM, TOP)
TIME = random.randint(1, 8)
m = Msg(type, value)
if lock.acquire():
MsgQueue.append(m)
print("产生消息编码:"+ str([m.type,m.value]))
lock.release()
time.sleep(TIME)
def closed(state, cur, d):
if d == 1:
if startup(cur,d):
state = 2
else:
d = 0
if startup(cur,d):
state = 3
else:
return state,cur,d
else:
if startup(cur,d):
state = 3
else:
d = 1
if startup(cur,d):
state = 2
else:
return state,cur,d
return state,cur,d
def up(state,cur,d):
while True:
state = state
if stop(cur,d):
state = 1
print("当前状态:%s,当前楼层:%d,运行方向：%s" % (STATE[state], cur, DIR[d]))
break
cur +=1
print("正在前往第%d层..." % cur)
time.sleep(2)
return state,cur,d
def down(state,cur,d):
while True:
state = state
if stop(cur,d):
state = 1
print("当前状态:%s,当前楼层:%d,运行方向：%s" % (STATE[state], cur, DIR[d]))
break
cur -=1
print("正在前往第%d层..." % cur)
time.sleep(2)
#print("当前状态:%s,当前楼层:%d,运行方向：%d" % (STATE[state], cur, d))
#time.sleep(10)
return state,cur,d
def startup(cur,d):
global MsgQueue
tmp = False
if d == 1:
for m in MsgQueue:
if m.type == 1 and m.value > cur:
tmp = True
if m.type == 2 and m.value > cur:
tmp = True
if m.type == 3 and m.value > cur:
tmp = True
if d == 0:
for m in MsgQueue:
if m.type == 1 and m.value < cur:
tmp = True
if m.type == 2 and m.value < cur:
tmp = True
if m.type == 3 and m.value < cur:
tmp = True
return tmp
def stop(cur,d):
global MsgQueue
tmp = False
if d == 1:
if cur == TOP:
tmp = True
tmplist = MsgQueue[:]
for m in MsgQueue:
if m.type == 1 and m.value == cur:
tmp = True
tmplist.remove(m)
if m.type == 2 and m.value == cur:
tmp = True
tmplist.remove(m)
MsgQueue = tmplist[:]
if d == 0:
if cur == BOTTOM:
tmp = True
tmplist = MsgQueue[:]
for m in MsgQueue:
if m.type == 1 and m.value == cur:
tmp = True
tmplist.remove(m)
if m.type == 3 and m.value == cur:
tmp = True
tmplist.remove(m)
MsgQueue = tmplist[:]
return tmp
def closeThread():
global exitFlag
counter = 3
print("正在关门...")
while counter:
if exitFlag != [1]:
print("关门终止")
break
time.sleep(1)
counter -=1
if counter == 0:
print("已关门")
def closedoor():
t = threading.Thread(target=closeThread)
t.start()
t.join()
def openThread():
global exitFlag
counter = 3
print("正在开门...")
while counter:
if exitFlag != [1]:
print("开门终止")
break
time.sleep(1)
counter -=1
if counter == 0:
print("已开门")
def opendoor():
t = threading.Thread(target=openThread)
t.start()
t.join()
def statemachine():
global MsgQueue,exitFlag
state = 0
cur = 1
d = 0
while True:
time.sleep(0.3)
print("当前状态:%s,当前楼层:%d,运行方向：%s" % (STATE[state], cur, DIR[d]))
if MsgQueue == [] and state == 1:
continue
if exitFlag != []:
tmplist = MsgQueue[:]
for m in tmplist:
if m.type == 0 and m.value == 0:
if state == 0:
state = 1
closedoor()
exitFlag.pop(0)
tmplist.remove(m)
if m.type == 0 and m.value == 1:
if state == 1 or state == 0:
state = 0
opendoor()
exitFlag.pop(0)
tmplist.remove(m)
if m.type == 0 and m.value == 2:
if state == 1:
state = 0
opendoor()
exitFlag.pop(0)
tmplist.remove(m)
MsgQueue = tmplist[:]
continue
if state == 0:
counter = 4
while counter:
if exitFlag != []:
print("超时终止")
break
time.sleep(1)
counter -= 1
if counter == 0:
print("超时")
exitFlag.append(1)
closedoor()
exitFlag.pop(0)
state = 1
continue
if state == 1:
if MsgQueue == []:
continue
state, cur, d = closed(state, cur, d)
continue
if state == 2:
if MsgQueue == []:
continue
state,cur,d = up(state, cur, d)
if state == 1:
exitFlag.append(1)
opendoor()
exitFlag.pop(0)
state = 0
continue
if state == 3:
if MsgQueue == []:
continue
state,cur,d = down(state, cur, d)
if state == 1:
exitFlag.append(1)
opendoor()
exitFlag.pop(0)
state = 0
continue
if __name__ == "__main__":
thread1 = threading.Thread(target=Msgfunction)
thread2 = threading.Thread(target=statemachine)
thread1.start()
thread2.start()