java面向对象解决实际问题【母牛生产问题】

问题： 已知一只母牛4岁开始生产(人工受孕)，12岁停止生产，产下的母牛概率为50%，每只母牛每年只生一只牛, 生下来的牛视为0岁。15岁送入屠宰场，现有一只母牛(0岁)，请问25年后有多少只牛？

1. 使用程序进行模拟此场景，计算25年后牛数量的期望值（平均值）
2. 使用面向对象的思想去处理问题，会变得更加清晰明了
3. 问题分析：

• 核心对象： 牛
• 核心属性： 性别（影响是否可生育），年龄（影响是否可生育，是否能继续存活）
• 核心行为： 成长（随时间流逝牛会长大，影响其年龄），生育（产出新牛）

4. 根据上述分析编写牛类

public class Niu {
    /**
     * 性别 1==>母牛  0==>公牛
     */
    private int sex;
    /**
     * 年龄 生下来0岁,4岁开始生牛,12岁停止生产,15岁送屠宰场
     */
    private int age;

    Niu(int sex) {
        this.sex = sex;
        // 一只新生牛的初始化岁数
        this.age = 0;
    }

    public void grow() {
        this.age = this.age + 1;
    }

    public void produce(List<Niu> list) {
        if (sex != 1 || age < 4 || age > 11) {
            // 公牛不会生产 年龄限制不能生产
            return;
        }
        // 母牛开始生产了 生产的性别随机使用ThreadLocalRandom随机生成 0公牛  1母牛
        Niu newNiu = new Niu(ThreadLocalRandom.current().nextInt(2));
        // 将牛放入家
        list.add(newNiu);
    }
    // 省略getter方法
}

5. 程序模拟分析

• 开始时牛场只有一只母牛
• 时间经过一年，所有的牛都会成长1岁
• 部分满足条件的牛会被屠宰，部分满足条件的牛会进行生育
• 25年后，模拟结束

6. 根据上述分析，编写模拟程序

public class MuNiuProblem {

    public static void main(String[] args) {
        long start = System.currentTimeMillis();
        MuNiuProblem problem = new MuNiuProblem();
        // 展示每次模拟的详情记录
        boolean logEnable = false;
        // 模拟次数
        int simulate = 1000000;
        int max = -1;
        int min = -1;
        int sum = 0;
        // 开始模拟
        for (int i = 0; i < simulate; i++) {
            // 执行一次模拟,获取25年后牛的数量
            int temp = problem.answer(logEnable);
            // 累加到sum总
            sum += temp;
            // 初始化max min
            if (i == 0) {
                max = min = temp;
                continue;
            } else if ((i + 1) % 100000 == 0) {
                System.out.println("模拟进行中,已模拟" + (i + 1) + "次");
            }
            // 更新 max min
            max = max < temp ? temp : max;
            min = min > temp ? temp : min;
        }
        // 输出模拟结果
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.printf("%d次模拟用时%d s\r\n", simulate, (end - start) / 1000);
        System.out.println(simulate + "次模拟最大值" + max);
        System.out.println(simulate + "次模拟最小值" + min);
        System.out.println(simulate + "次模拟平均值" + sum*1.0 / simulate);
    }

    private int answer(boolean logEnable) {
        // 初始化牛场
        List<Niu> list = new ArrayList<>();
        // 初始化母牛
        Niu firstNiu = new Niu(1);
        list.add(firstNiu);
        // 25年光阴 每次循环过去了一年
        for (int i = 0; i < 25; i++) {
            // 所有的牛都增长了1岁,然后过滤年满15岁的牛  已送入屠宰场
            list.forEach(Niu::grow);
            list.removeIf(n -> n.getAge() > 14);
            // 新生牛的家
            ArrayList<Niu> home = new ArrayList<>();
            for (Niu niu : list) {
                niu.produce(home);
            }
            list.addAll(home);
            if (logEnable) {
                showState(list, i + 1);
            }
        }
        return list.size();
    }

    /**
     * 输出详情记录
     */
    private static void showState(List<Niu> list, int year) {
        int count1 = 0;
        int count2 = 0;
        for (Niu niu : list) {
            if (niu.getSex() == 0) {
                count1++;
            } else {
                count2++;
            }
        }
        System.out.printf("%d年后一共有牛%d只,其中母牛%d只,公牛%d只\r\n", year, list.size(), count2, count1);
    }

}

7. 通过程序模拟得出结果，25年后剩下牛数量的期望约为230只