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45 - Estructuras dinámicas: Listas tipo Cola - Problemas de aplicación


Planteo del problema:

Este práctico tiene por objetivo mostrar la importancia de las colas en las Ciencias de la Computación y más precisamente en las simulaciones.
Las simulaciones permiten analizar situaciones de la realidad sin la necesidad de ejecutarlas realmente. Tiene el beneficio que su costo es muy inferior a hacer pruebas en la realidad.

Desarrollar un programa para la simulación de un cajero automático.
Se cuenta con la siguiente información:
- Llegan clientes a la puerta del cajero cada 2 ó 3 minutos.
- Cada cliente tarda entre 2 y 4 minutos para ser atendido.

Obtener la siguiente información:
1 - Cantidad de clientes que se atienden en 10 horas.
2 - Cantidad de clientes que hay en cola después de 10 horas.
3 - Hora de llegada del primer cliente que no es atendido luego de 10 horas (es decir la persona que está primera en la cola cuando se cumplen 10 horas)

Programa:

public class Cola {
    
    class Nodo {
        int info;
        Nodo sig;
    }
    
    Nodo raiz,fondo;
    
    Cola() {
        raiz=null;
        fondo=null;
    }
    
    boolean vacia (){
        if (raiz == null)
            return true;
        else
            return false;
    }

    void insertar (int info)
    {
        Nodo nuevo;
        nuevo = new Nodo ();
        nuevo.info = info;
        nuevo.sig = null;
        if (vacia ()) {
            raiz = nuevo;
            fondo = nuevo;
        } else {
            fondo.sig = nuevo;
            fondo = nuevo;
        }
    }

    int extraer ()
    {
        if (!vacia ())
        {
            int informacion = raiz.info;
            if (raiz == fondo){
                raiz = null;
                fondo = null;
            } else {
                raiz = raiz.sig;
            }
            return informacion;
        } else
            return Integer.MAX_VALUE;
    }

    public void imprimir() {
        Nodo reco=raiz;
        System.out.println("Listado de todos los elementos de la cola.");
        while (reco!=null) {
            System.out.print(reco.info+"-");
            reco=reco.sig;
        }
        System.out.println();
    }
    
    public int cantidad() {
        int cant=0;
        Nodo reco=raiz;
        while (reco!=null) {
            cant++;
            reco=reco.sig;
        }
        return cant;
    }   
}





import javax.swing.*;
import java.awt.event.*;
public class Cajero extends JFrame implements ActionListener{
    private JLabel l1,l2,l3;
    private JButton boton1;
    public Cajero() {
        setLayout(null);
        boton1=new JButton("Activar Simulación");
        boton1.setBounds(10,10,180,30);
        add(boton1);
        boton1.addActionListener(this);
        l1=new JLabel("Atendidos:");
        l1.setBounds(10,50,300,30);
        add(l1);
        l2=new JLabel("En cola:");
        l2.setBounds(10,90,300,30);
        add(l2);
        l3=new JLabel("Minuto de llegada:");
        l3.setBounds(10,130,400,30);
        add(l3);
    }
    
    public void actionPerformed(ActionEvent e) {
        if (e.getSource()==boton1) {
            simulacion();
        }
    }

    public void simulacion () {
        int estado = 0;
        int llegada = 2 + (int) (Math.random () * 2);
        int salida = -1;
        int cantAtendidas = 0;
        Cola cola = new Cola ();
        for (int minuto = 0 ; minuto < 600 ; minuto++) {
            if (llegada == minuto)
            {
                if (estado==0) {
                    estado=1;
                    salida=minuto+2+(int)(Math.random()*3);
                } else {
                    cola.insertar(minuto);
                }
                llegada=minuto+2+(int)(Math.random()*2);
            }
            if (salida == minuto)
            {
                estado=0;
                cantAtendidas++;
                if (!cola.vacia()) {
                    cola.extraer();
                    estado=1;
                    salida=minuto+2+(int)(Math.random()*3);
                }
            }
        }
        l1.setText("Atendidos:"+String.valueOf(cantAtendidas));
        l2.setText("En cola"+String.valueOf(cola.cantidad()));
        l3.setText("Minuto llegada:"+String.valueOf(cola.extraer()));            
    }
    
    public static void main(String[] ar) {
        Cajero cajero1=new Cajero();
        cajero1.setBounds(0,0,340,250);
        cajero1.setVisible(true);
    }    
}

La clase Cola colabora con la clase Cajero. En la clase cola debemos definir como mínimo los métodos de insertar, extraer, vacía y cantidad.

La clase Cajero define tres objetos de la clase JLabel para mostrar los resultados de la simulación.

El método más importante es el de simulacion, veamos las distintas partes de dicho método:

        int estado = 0;
        int llegada = 2 + (int) (Math.random () * 2);
        int salida = -1;
        int cantAtendidas = 0;
        Cola cola = new Cola ();

La variable estado almacena un cero si el cajero está libre y un uno cuando está ocupado.
La variable llegada almacena en que minuto llegará el próximo cliente (debemos generar un valor entre 2 y 3)

La variable salida almacenará en que minuto terminará el cliente de ser atendido (como al principio el cajero está vacío inicializamos esta variable con -1.

Llevamos un contador para saber la cantidad de personas atendidas (cantAtendidas)

Luego definimos un objeto de la clase Cola para poder almacenar las personas que llegan al cajero y se lo encuentran ocupado.

Disponemos un for que se repita 600 veces (600 minutos o lo que es lo mismo 10 horas)

        for (int minuto = 0 ; minuto < 600 ; minuto++) {

Dentro del for hay dos if fundamentales que verifican que sucede cuando llega una persona o cuando una persona se retira:

            if (llegada == minuto)
            {
                ............
            }
            if (salida == minuto)
            {
                ............
            }

Cuando llega una persona al cajero primero verificamos si el cajero está desocupado:

            if (llegada == minuto)
            {
                if (estado==0) {

Si está desocupado lo ocupamos cambiando el valor de la variable estado y generando en que minuto esta persona dejará el cajero (un valor aleatorio entre 2 y 4 minutos):

                    estado=1;
                    salida=minuto+2+(int)(Math.random()*3);

Si el cajero está ocupado procedemos a cargar dicha persona en la cola (insertamos el minuto que llega):

                } else {
                    cola.insertar(minuto);
                }

Luego generamos el próximo minuto que llegará otra persona:

                llegada=minuto+2+(int)(Math.random()*2);

El otro if importante es ver que sucede cuando sale la persona del cajero:

if (salida == minuto) {

Si sale una persona del cajero cambiamos el valor de la variable estado, incrementamos en uno el contador cantAtendidos y si la cola no está vacía extraemos una persona, cambiamos a uno la variable estado y generamos en que minuto dejará esta persona el cajero:

                estado=0;
                cantAtendidas++;
                if (!cola.vacia()) {
                    cola.extraer();
                    estado=1;
                    salida=minuto+2+(int)(Math.random()*3);
                }
            }

Fuera del for actualizamos las tres JLabel:

        l1.setText("Atendidos:"+String.valueOf(cantAtendidas));
        l2.setText("En cola"+String.valueOf(cola.cantidad()));
        l3.setText("Minuto llegada:"+String.valueOf(cola.extraer()));            

Problemas propuestos

  1. Un supermercado tiene tres cajas para la atención de los clientes.
    Las cajeras tardan entre 7 y 11 minutos para la atención de cada cliente.
    Los clientes llegan a la zona de cajas cada 2 ó 3 minutos. (Cuando el cliente llega, si todas las cajas tienen 6 personas, el cliente se marcha del supermercado)
    Cuando el cliente llega a la zona de cajas elige la caja con una cola menor.

    Realizar una simulación durante 8 horas y obtener la siguiente información:
    a - Cantidad de clientes atendidos por cada caja.
    b - Cantidad de clientes que se marcharon sin hacer compras.
    c - Tiempo promedio en cola.

Solución
public class Cola {
    
    class Nodo {
        int info;
        Nodo sig;
    }
    
    Nodo raiz,fondo;
    
    Cola() {
        raiz=null;
        fondo=null;
    }
    
    boolean vacia (){
        if (raiz == null)
            return true;
        else
            return false;
    }

    void insertar (int info)
    {
        Nodo nuevo;
        nuevo = new Nodo ();
        nuevo.info = info;
        nuevo.sig = null;
        if (vacia ()) {
            raiz = nuevo;
            fondo = nuevo;
        } else {
            fondo.sig = nuevo;
            fondo = nuevo;
        }
    }

    int extraer ()
    {
        if (!vacia ())
        {
            int informacion = raiz.info;
            if (raiz == fondo){
                raiz = null;
                fondo = null;
            } else {
                raiz = raiz.sig;
            }
            return informacion;
        } else
            return Integer.MAX_VALUE;
    }

    public void imprimir() {
        Nodo reco=raiz;
        System.out.println("Listado de todos los elementos de la cola.");
        while (reco!=null) {
            System.out.print(reco.info+"-");
            reco=reco.sig;
        }
        System.out.println();
    }
    
    public int cantidad() {
        int cant=0;
        Nodo reco=raiz;
        while (reco!=null) {
            cant++;
            reco=reco.sig;
        }
        return cant;
    }   
}





import javax.swing.*;

import java.awt.event.*;
public class Supermercado extends JFrame implements ActionListener {
    private JButton boton1;
    private JLabel l1,l2,l3;
    public Supermercado() {
        setLayout(null);
        boton1=new JButton("Activar Simulación");
        boton1.setBounds(10,10,180,30);
        add(boton1);
        boton1.addActionListener(this);
        l1=new JLabel("Clientes atendidos por caja:");
        l1.setBounds(10,50,400,30);
        add(l1);
        l2=new JLabel("Se marchan sin hacer compras:");
        l2.setBounds(10,90,400,30);
        add(l2);
        l3=new JLabel("Tiempo promedio en cola:");
        l3.setBounds(10,130,400,30);
        add(l3);        
    }
    public void actionPerformed(ActionEvent e) {
        if (e.getSource()==boton1) {
            simulacion();
        }
    }

    public void simulacion () {
        int estado1=0,estado2=0,estado3=0;
        int marchan=0;
        int llegada = 2 + (int) (Math.random () * 2);
        int salida1=-1,salida2=-1,salida3=-1;
        int cantAte1=0,cantAte2=0,cantAte3=0;
        int tiempoEnCola=0;
        int cantidadEnCola=0;
        Cola cola1 = new Cola ();
        Cola cola2 = new Cola ();
        Cola cola3 = new Cola ();        
        for (int minuto = 0 ; minuto < 600 ; minuto++) {
            if (llegada == minuto) {
                if (estado1==0) {
                    estado1=1;
                    salida1=minuto+7+(int)(Math.random()*5);
                } else {
                    if (estado2==0) {
                        estado2=1;
                        salida2=minuto+7+(int)(Math.random()*5);
                    } else {
                        if (estado3==0) {
                            estado3=1;
                            salida3=minuto+7+(int)(Math.random()*5);
                        } else {
                            if (cola1.cantidad()==6 && cola2.cantidad()==6 && cola3.cantidad()==6) {
                                marchan++;
                            } else {
                                if (cola1.cantidad()<=cola2.cantidad() && cola1.cantidad()<=cola3.cantidad()) {
                                    cola1.insertar(minuto);
                                } else {
                                    if (cola2.cantidad()<=cola3.cantidad()) {
                                        cola2.insertar(minuto);
                                    } else {
                                        cola3.insertar(minuto);
                                    }
                                }
                            }
                        }
                    }
                    
                }
                llegada=minuto+ 2+ (int) (Math.random () * 2);
            }
            if (salida1 == minuto) {
                cantAte1++;
                estado1=0;
                if(!cola1.vacia()) {
                    estado1=1;
                    int m=cola1.extraer();
                    salida1=minuto+7+(int)(Math.random()*5);
                    tiempoEnCola=tiempoEnCola+(minuto-m);
                    cantidadEnCola++;                    
                }
            }
            if (salida2 == minuto) {
                cantAte2++;
                estado2=0;
                if(!cola2.vacia()) {
                    estado2=1;
                    int m=cola2.extraer();
                    salida2=minuto+7+(int)(Math.random()*5);
                    tiempoEnCola=tiempoEnCola+(minuto-m);
                    cantidadEnCola++;                    
                }
            }
            if (salida3 == minuto) {
                cantAte3++;
                estado3=0;
                if(!cola3.vacia()) {
                    estado3=1;
                    int m=cola3.extraer();
                    salida3=minuto+7+(int)(Math.random()*5);
                    tiempoEnCola=tiempoEnCola+(minuto-m);
                    cantidadEnCola++;                    
                }
            }            
        }
        l1.setText("Clientes atendidos por caja: caja1="+cantAte1+"  caja2="+cantAte2+"  caja3="+cantAte3);
        l2.setText("Se marchan sin hacer compras:"+marchan);
        if (cantidadEnCola>0) {
            int tiempoPromedio=tiempoEnCola/cantidadEnCola;
            l3.setText("Tiempo promedio en cola:"+tiempoPromedio);
        }
    }
    
    public static void main(String[] ar) {
        Supermercado super1=new Supermercado();
        super1.setBounds(0,0,390,250);
        super1.setVisible(true);
    }    
}

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