Java程序设计——模拟行星运动

待我称王封你为后i 2022-06-11 05:48 231阅读 0赞

期待了很久的Java语言程序设计也拉下了帷幕，在几个月的时间里基本掌握了java的简单用法，学习了java的主要基础知识，面向对象思想，多线程并发控制，swing界面设计，动画制作等，最后结课了也打算制作一个课程设计能够尽可能多的涵盖所学知识，将其进行串联，因此考虑实现了一个简单的模拟行星运动的小软件，主要思路如下：

利用动画实现行星运动的模拟，主面板里有一个中心行星，同时绘制了椭圆轨道，有一颗运动的行星围绕着中心行星运动。同时右下角设置的有四个按钮，即“Start”、“Pause”、“accelerate”和“decelerate”分别可以使行星运动、暂停、加速、减速。

一、类的设计：

Star继承自JPanel。Star类是行星的基类，所有运动的行星都是继承自Star类。内部draw()方法主要绘制了一个实心圆形，目的是在每次绘制时，可以保证中心行星始终显示。paintComponent()方法重写了JPanel的绘制方法，目的是保证继承自Star类的Stars类的实例对象可以绘制出自己的行星。如下：

package Star;
    
    import java.awt.Color;
    import java.awt.Graphics;
    import javax.swing.JPanel;
    
    public class Star extends JPanel{
    	/**
    	 * 基本的行星类
    	 */
    	private static final long serialVersionUID = 1L;
    	
    	int x,y;
    	int width,height;
    	
    	public Star() {
    		width = 10;
    		height = 10;
    	}
    	
    	public Star(int x, int y){
    		this.x = x;
    		this.y = y;
    		width = 10;
    		height = 10;
    	}
    	
    	public void draw(Graphics g){
    		g.setColor(Color.blue);
    		g.fillOval(x, y, width, height);
    	}
    	protected void paintComponent(Graphics g){
    		super.paintComponent(g);
    		g.fillOval(x, y, width, height);
    	}
    }

Stars类继承自Star类，是对Star类的进一步细化，表示运动的行星。Stars类中的alfa表示运动行星的运动起始角度，speed表示运动速度，可对其进行修改。Long，Short分别表示椭圆轨迹的长轴与短轴。center表示其实例化对象的中心行星。paintComponent()函数重写了paintComponent()，内部引用了父类的draw()函数，并且根据Long,，Short绘制了椭圆轨道，Long、Short由实例化对象调用构造方法来决定。move()函数描述了x，y的变化方程，即围绕着椭圆轨道变化，同时规定了alfa的变化方式。start()函数表示线程开始，pause()函数表示线程暂停，accelerate()函数表示对行星的加速操作，decelerate()函数表示对行星减速的操作。

Pthread类目的是控制线程，即通过对Pthread类的实例化可以控制行星的开始运动，暂停运动，加速，减速。Pthread类继承自Thread类，且包含于Starts类中，因而，PThread类不能被定义为共有类。PThread类提供了run()方法，不断调用repaint()方法，对画面进行重新绘制。setsuspend()方法利用改变boolean变量对线程进行暂停操作（调用notifyall()方法）。因为Pthread类是Starts的内部类，所以之后Starts类中将生成一个PThread类的对象，并且利用该对象，对线程进行操作。

设计如下：

package Star;
    
    import java.awt.Color;
    import java.awt.Graphics;
    
    public class Stars extends Star{
    	/**
    	 * 运动的行星
    	 */
    	private static final long serialVersionUID = 1L;
    
    	double alfa ;
    	double speed ;
    	Star center;
    	int Long ; //长轴
    	int Short;//短轴
    	
    	public Stars(int Px,int Py,Star center){
    		super(Px,Py);
    		this.center = center;
    		Long = (Px - center.x)*2;
    		Short = (Py - center.y)*2;
    		this.setOpaque(true);
    //		move();
    		alfa = 0;
    		speed = 0.001;
    	}
    	
    	protected void paintComponent(Graphics g){
    		super.paintComponent(g);
    		center.draw(g);//画出中心点
    		move();
    		g.setColor(Color.GREEN);
    		g.drawOval(center.x-Long/2, center.y-Short/2, Long, Short);
    	}
    	
    	public void move(){
    		x = center.x + (int)(Long/2*Math.cos(alfa));
    		y = center.y + (int)(Short/2*Math.sin(alfa));
    		//沿椭圆轨迹运行
    		alfa += speed; 
    		//角度不断变化
    	}
    	
    	class PThread extends Thread{ 
    	//重画线程类
    		private boolean suspend = true;
    		private String control = "";
    		public void run(){
    			while(true){
    				synchronized (control) {
    					if(suspend){
    						//move();
    						repaint();
    					}
    				}
    				
    			}
    		}
    		
    		public void setsuspend(boolean s){
    			//设置线程暂停方法
    			 if (!suspend) {
    	             synchronized (control) {
    	                 control.notifyAll();
    	             }
    	         }
    			this.suspend = s;
    		}
    		
    	}
    	
    	public PThread pt = new PThread();
    	
    	public void start(){
    		pt.setsuspend(true);
    		pt.start();
    	}
    	
    	public void pause(){
    		pt.setsuspend(false);
    	}
    	
    	public void accelerate(){
    		//加速的方法
    		if(speed > 0){
    			//角度每次加速0.0002
    			speed += 0.0002;
    		}
    		else 
    			speed = 0.001;
    	}
    	
    	public void decelerate(){
    		//减速的方法
    		if(speed > 0){
    			speed -= 0.0002;
    			//角度每次减速0.0002
    		}
    		//若减速到0，则不能继续减速，另速度为0，停止运动
    		else speed = 0;
    	}
    }

StarFrame类是本程序的启动面板，通过实例化该类，生成主程序界面，并且将行星部件，按钮，标签添加进面板。内部的getPanel()方法对两个按钮进行了设置，并且返回一个JPanel（将四个按钮添加进该JPanel中）。getLabel()方法返回一个文字描述的JLabel。Center对象是Star类的实例化，p1是Stars类的实例化，分别表示中心行星与环绕行星。jb1，jb2，jb3，jb4分别是行星的启动，暂停，加速，减速的控制按钮。image表示界面背景图，LayeredPanel是界面的层次面板，方便背景图的设置。jp,jl是设置背景图的部件。设计如下：

import java.awt.BorderLayout;
    import java.awt.Color;
    import java.awt.Font;
    import java.awt.event.ActionEvent;
    import java.awt.event.ActionListener;
    
    import javax.swing.ImageIcon;
    import javax.swing.JButton;
    import javax.swing.JFrame;
    import javax.swing.JLabel;
    import javax.swing.JLayeredPane;
    import javax.swing.JPanel;
    
    public class StarFrame extends JFrame{
    	
    	/**
    	 *行星模拟启动面板 
    	 */
    	private static final long serialVersionUID = 1L;
    	
    	Star center = new Star(300,200);//定义中心行星
    	Stars p1 = new Stars(300+230,200+130,center);//环绕中心的行星
    	Stars p2 = new Stars(300+230+20,200+130+20,p1);
    	JButton jb1 = new JButton("start");
    	JButton jb2 = new JButton("pause");
    	JButton jb3 = new JButton("accelerate");
    	JButton jb4 = new JButton("decelerate");
    	ImageIcon image=new ImageIcon("timg.jpg");//背景图，利用相对路径定义
    	JLayeredPane layeredPane; //定义一个层次面板，用于放置背景图片
    	JPanel jp;  
        JLabel jl;  
    	
    	
    	public StarFrame(){
    		//为p1设置位置，与大小
    		p1.setBounds(40,40,600,400);
    //		p2.setBounds(40,40,600,400);
    		//定义背景图，将背景图放于JLabel中，将JLabel放于JPanel中
    		layeredPane = new JLayeredPane();        
            jp = new JPanel();  
            jp.setBounds(0,0,image.getIconWidth(),image.getIconHeight());  
            jl=new JLabel(image);  
            jp.add(jl);
            
            //将jp放到最底层。
            layeredPane.add(jp,JLayeredPane.DEFAULT_LAYER);  
            //将jb放到高一层的地方  
            layeredPane.add(p1,JLayeredPane.MODAL_LAYER);  
    //      layeredPane.add(p2,JLayeredPane.MODAL_LAYER);  
            layeredPane.add(getPanel(),JLayeredPane.MODAL_LAYER);
            layeredPane.add(getLabel(),JLayeredPane.MODAL_LAYER);
    		//分别为jb1、jb2、jb3、jb4设置相关动作
            jb1.addActionListener(new ActionListener(){
    
    			public void actionPerformed(ActionEvent e) {
    				// TODO Auto-generated method stub
    				p1.start();
    			}
    		}
    		);
    		
    		jb2.addActionListener(new ActionListener(){
    
    			public void actionPerformed(ActionEvent e) {
    				// TODO Auto-generated method stub
    				p1.pause();
    			}
    			
    		});
    		
    		jb3.addActionListener(new ActionListener(){
    
    			public void actionPerformed(ActionEvent e) {
    				// TODO Auto-generated method stub
    				p1.accelerate();
    			}
    			
    		});
    		
    		jb4.addActionListener(new ActionListener(){
    
    			public void actionPerformed(ActionEvent e) {
    				// TODO Auto-generated method stub
    				p1.decelerate();
    			}
    			
    		});
    		
    		this.setLayeredPane(layeredPane); 
    		this.setTitle("Star");
    		this.setBounds(100,100,1000, 600);
    		this.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
    		this.setVisible(true);
    	}
    	
    	private JPanel getPanel(){
    		//返回定义的四个按钮
    		JPanel jp = new JPanel();
    		jp.add(jb1);
    		jp.add(jb2);
    		jp.add(jb3);
    		jp.add(jb4);
    		jp.setBounds(750,450,200,70);
    		return jp;
    	}
    	
    	private JPanel getLabel(){
    		//返回文字描述
    		JLabel jl = new JLabel("行星模拟");
    		jl.setForeground(Color.RED);//设置字体颜色
    		jl.setFont(new Font("Dialog",0,20));//设置字体
    		JPanel jp = new JPanel();
    		jp.add(jl,BorderLayout.CENTER);
    		jp.setBounds(800,0,150,40);
    		return jp;
    	}
    	
    	public static void main(String[] args) {
    		@SuppressWarnings("unused")
    		StarFrame f = new StarFrame();
    		
    	}
    	
    }

二、对象：

因为java是面向对象的语言，当然不能像c语言一样，仅仅靠函数实现，课设里岂能没有对象？

主要对象：

对象center，即中心行星

对象p1，即环绕行星

对象pt，即负责控制线程的对象

对象f，即程序启动面板

三、对象之间的关系（交互）

p1与center的关系：Star类是行星的基类，继承自JPanel，其内部定义了基本的半径与坐标，其实例化对象center即是运动行星的中心行星。而继承自Star的Stars类表示运动行星，是其进一步的细化，因此其实例化对象p1表示运动的行星1，且围绕着center运动，同时center作为参数传递给p1的构造方法，完成二者交互。对象p1与center便是这样的关系。实例化对象center后，便会在指定坐标下绘制实心圆形，center对象的x，y坐标不会变化。而对象p1在实现绘制实心圆形的基础上，又根据center的坐标绘制了指定长轴，短轴的椭圆轨道，同时其内部实现了Thread类，不中断的执行线程。相互的继承关系，使得center和p1可以互不干扰的绘制图形，值得一提的是，在Stras类中的paintComponent()方法中，仍需要调用center对象的draw()方法，因为线程开始时会调用repaint()方法，如果不实现center的draw()方法，那么最终结果将不会显示中心行星。

pt与p1的关系：PThread类继承自Thread类，定义了run()方法，通过其实例化对象p1，可以调用start()方法启动线程，而PThread类在Starts类内部，因而通过p1内的方法可以控制线程，即控制其速度，加速减速，控制其运行与否。

f与各对象的关系：StarFrame继承自JFrame，其实例化对象f将各对象添加进绘画布里，制作了界面，并控制了每个部件的大小、位置，是程序运行的关键。

四、面向对象的理解：

万物皆对象，有些同学问我到底什么才是对象，我回答说有new的都是对象，对象便是类的实例化，本程序中，可以通过对Stars类进行实例化从而创造出无数多个行星（理论上是的），但是内部函数的实现有些问题难以解决，主要便在paintComponent()方法的重写上，再次创建对象后，便会再次重写该方法，于是会出现不可避免的问题，也是无法解决的一个遗憾！