Python 例項詳解：銀行 ATM 等待時間分析
這是一道 Python 面向物件程式設計的例項，包含面向物件程式設計、Class 類相關知識，請讀者先自行掌握。本文分析已有程式碼，主要理解其中邏輯，學習程式設計方法。程式碼乍看之下稍微複雜，拆解之後，弄通邏輯，還是很清晰明瞭的。
前部分為程式碼分析，可以重點看後面的程式執行部分哈，配合圖文，便於理解。
這是筆者第一次寫例項分析，內容詳細，篇幅較長，僅用於學習與交流。若有疏漏，請多包涵，歡迎各位指點和討論啊~
【需求分析】
假設銀行有 1 臺 ATM 機，共 n 位客戶來銀行操作 ATM 機器，求客戶平均的排隊等候時間。
【邏輯梳理】
ATM 機操作時間由客人選擇的辦理業務決定，符合隨機分佈。
客戶流到達銀行時間不定，符合隨機分佈。
累加每位客戶排隊等候的時間，再除以總客戶數，即可得出客戶的平均等候時間。
【前提假設】
實際應用中，ATM 機和客戶流時間均為隨機數，在本例項需做出一定條件限制以方便計算。
ATM 機操作時間：1-5 分鐘
下位客戶到達時間：1-10 分鐘
時間以整數為單位。
【程式碼總覽】
class ATM():
def __init__(self, maxtime = 5):
self.t_max = maxtime
def getServCompleteTime(self, start = 0):
return 程式碼可以分為 7 個部分：
設定 ATM 機物件，設定客戶流物件，設定初始資料，主程式（判斷客戶出場條件，統計客戶排隊等候時間，更新當前時間），輸出最終結果
【模組拆解】
設定ATM機物件
class ATM():
def __init__(self, maxtime = 5):
self.t_max = maxtime
def getServCompleteTime(self, start = 0):
return start + random.randint(1, self.t_max)
用類方法設定 ATM 物件，其中限定最長操作時間 maxtime 為 5 分鐘。
定義例項方法 getServCompleteTime()，作用是使用整數隨機函 random.randint()，返回在 ATM 當次操作結束的時間，累加下次 ATM 操作時長，範圍在 [1, maxtime] 之間。
設定客戶流物件
class Customers():
def __init__(self, n):
self.count = n
self.left = n
def getNextArrvTime(self, start = 0, arrvtime = 10):
if self.left != 0:
self.left -= 1
return start + random.randint(1, arrvtime)
else:
return 0
def isOver(self):
return True if self.left == 0 else False
用類方法設定 Customers 物件，代表客戶流，設定客戶庫中總數 self.count 為 n，初始時剩餘客戶數 self.left 相同。
定義例項方法 getNextArrvTime() ，作用是根據客戶庫存情況，提取客戶至銀行，返回從 某個時間點 start，累加下位客戶到達銀行需要的時間（可以理解為客戶使用步行、騎行或開車的方式從庫存轉移到銀行…），範圍在[1, arrvtime]之間。
定義例項方法 isOver()，作用是判斷客戶庫存是否清零。
設定初始資料
c = Customers(100)
a = ATM()
wait_list = []
wait_time = 0
cur_time = 0
cur_time += c.getNextArrvTime()
wait_list.append(cur_time)
設定 c 表示客戶，a 表示 ATM，wait_list 是等待列表，wait_time 是客戶總排隊等候時間，cur_time 為當前時間，時間初始時皆為 0。
提取使用者觸發程式，用 getNextArrvTime() 提取第一位來銀行的客戶，返回客戶到達時間，更新 cur_time。第一位客戶到達銀行後，預設自動加入排隊列表，實際等候時間為 0。
主程式
while len(wait_list) != 0 or not c.isOver():
當排隊列表不為空，或者客戶庫存未清零時執行操作。
初始時排隊列表有 1 位客人，而且有庫存。
*為何不只用庫存未清零做判斷條件呢？
當全部客戶提取值排隊列表後，庫存為零，可是排隊列表還有客戶，若只用庫存判斷，則不執行主程式，無法累計列表剩餘客戶的等候時間。
判斷客戶出場條件
這一塊包括 3 個 if 語句，分別進行這些操作：
-
將排第一的客戶移除排隊列表去操作 ATM ；
-
當沒人排隊並且還有客戶庫存時提取客戶至列表；
-
當列表中排最後的客戶到達時間與預計 ATM 操作完畢（閒置）時間之間有時間空檔，而這時客戶庫存仍有客戶，則提取客戶排隊，直至排最後的客戶到達時間比預計 ATM 操作完畢時間遲。（這一步就是避免 ATM 機處於閒置狀態，一直有人排隊…）
if wait_list[0] <= cur_time:
next_time = a.getServCompleteTime(cur_time) del wait_list[0]else:
next_time = cur_time + 1
如果排第一的客戶到達時間比當前時間早，或者等於當前時間，就將客戶移除列表去操作 ATM。呼叫 a.getServCompleteTime()，返回在 cur_time 上累加操作 ATM 時長，即 ATM 在 next_time 才閒置。
如果排第一的客戶在當前時間之後到達，那就是客戶還在路上，ATM 閒置，時間逐步 +1 推進程序，直至客戶抵達。
if not c.isOver() and len(wait_list) == 0:
next_arrv = c.getNextArrvTime(cur_time)
wait_list.append(next_arrv)
經過上一步 if 操作，排隊列表可能清零，這時如果還有客戶庫存，則將客戶提取至排隊列表。
if not c.isOver() and wait_list[-1] < next_time:
next_arrv = c.getNextArrvTime(wait_list[-1])
wait_list.append(next_arrv)
while next_arrv < next_time and not c.isOver():
next_arrv = c.getNextArrvTime(next_arrv)
wait_list.append(next_arrv)
當列表排最後的客戶到達時間比當次 ATM 操作完畢的時間早，而且還有客戶庫存時，提取客戶至佇列，直至排最後的客戶到達時間比當次 ATM 操作完畢的時間遲。這個做法是在還有客戶庫存時，讓排隊列表不為空，也避免了 ATM 閒置的情況。
*為什麼選擇當次ATM操作完畢的時間 next_time 為參照？
筆者思考是因為在真實情況中，在 ATM 被佔用而且有人排隊的情況下，路過的人看到可能會選別的時間再來辦事，從而節省等候時間。選用 next_time 參照，可能是模擬這種情況，並且推進整個程序。
統計客戶排隊等候時間
for i in wait_list:
if i <= cur_time:
wait_time += next_time - cur_time
elif cur_time < i < next_time:
wait_time += next_time - i
else:
pass
用遍歷迴圈統計排隊列表中每位客戶的等待時間。分段來統計客戶等候時間，後面會畫圖說明，更加直觀。
更新當前時間
cur_time = next_time #將 ATM 機器下次執行完畢時間 賦給 當前時間
將當次ATM操作完畢時間賦值給當前時間，下一位客戶由當前時間開始進行 ATM 操作。
輸出最終結果
print(wait_time/c.count) #當庫存清零，計算平均等待時間
庫存清零後，用總等候時間處以客戶總數得出平均等待時間。
【程式執行】
接下來模擬程式執行過程，預設客戶總數為 5 人，分別記為 A-E 並按順序出場。
可以用兩條平行的時間軸分別代表客戶流和 ATM 使用情況。
【1】
初始時 cur_time 為 0，通過呼叫 c.getNextArrvTime() 從庫存提取出第一位客戶 A，新增至排隊列表。
第 1 個 if 語句：由於 A 到達時間即是當前時間，也無其他客戶，此時 A 無需排隊，直接使用 ATM 機器。用 a.getServCompleteTime(cur_time) 獲取 A 操作完 ATM 的時間，即 next_time。將 A 移除佇列。
第 2 個 if 語句：當前排隊列表為空，從庫存提取客戶 B，用 c.getNextArrvTime(cur_time) 獲取 B 到達時間，即 next_arrv，並增加至排隊列表。
第 3 個 if 語句：根據判斷條件 wait_list[-1] < next_time，而佇列中 B 到達時間比當前 next_time 遲，故不執行操作。
for 迴圈：此時排隊列表只有客戶 B，且是在當前 next_time 之後達到，不滿足條件，故不執行操作。
更新當前時間，當前 next_time 即為 cur_time。
【2】
還有客戶庫存，繼續執行主程式。
第 1 個 if 語句：此時客戶 B 仍未到達，ATM 機器閒置，在當前時間基礎上 +1 分鐘，更新 next_time 以驅動程序。
第 2 個 if 語句：由於排隊列表不為空，不滿足條件，故不執行操作。
第 3 個 if 語句：判斷條件 wait_list[-1] < next_time，就算客戶 B 下一分鐘就到達，也只滿足 wait_list[-1] = next_time，不滿足條件，故不執行操作。
for 迴圈：此時排隊列表只有客戶 B，且是在當前 next_time 之後達到，不滿足條件，故不執行操作。
更新當前時間，當前 next_time 即為 cur_time。
此時重複執行至客戶 B 到達。上述情況如（圖 1）所示。
【3】
排隊列表不為空，且還有客戶庫存，繼續執行主程式。
第 1 個 if 語句：客戶 B 到達後無需等候，直接使用 ATM。獲取 B 操作完 ATM 的時間，即 next_time。將 B 移除佇列。
第 2 個 if 語句：排隊列表為空，提取庫存中客戶 C，獲取 C 到達時間 next_arrv，並加入排隊列表。
第 3 個 if 語句：排隊列表中最後一位客戶為 C，由圖可知 C 到達時間早於 next_time，滿足條件，執行操作。從庫存提取客戶 D，加入排隊列表。若客戶 D 到達時間仍早於 next_time，繼續提取客戶，直至最後一位客戶到達時間晚於 next_time 或者客戶庫存清零為止。情況如（圖2）所示。
本次預設總客戶數為 5 人，即再提取一位客戶 E 庫存清零。新增完畢後，情況如（圖 3）所示。
for 迴圈：排隊列表有 C、D、E 這 3 位 客戶。此時時間 cur_time 與 next_time 為綠色標識。
-
C 客戶到達時間滿足 elif 語句，設 C 等候時間 wait_time 為 C1，等於 next_time - C 到達時間。
-
D 客戶同理，設 D 等候時間 wait_time 為 D1，等於 next_time - D 到達時間。
-
而 E 客戶到達時間在 next_time 之後，不滿足條件，無等候時間。
更新當前時間，當前 next_time 即為 cur_time。
【4】
此時庫存已清零，但排隊列表不為空，仍然執行主程式。
第 1 個 if 語句：排第一的客戶是 C，獲取 C 操作完 ATM 的時間，即 next_time。將 C 移除佇列。
第 2 個 if 語句：此時庫存清零，無法新增客戶，故不執行操作。
第 3 個 if 語句：此時庫存清零，無法新增客戶，故不執行操作。
for 迴圈：此時時間 cur_time 與 next_time 為橙色標識。
-
D 客戶到達時間滿足 if 語句，設 D 等候時間 wait_time 為 D2，等於 next_time - cur_time。
-
E 客戶到達時間滿足 elif 語句，設 E 等候時間 wait_time 為 E1，等於 next_time - E 到達時間。
更新當前時間，當前 next_time 即為 cur_time。
【5】
此時庫存已清零，但排隊列表不為空，仍然執行主程式。
第 1 個 if 語句：排第一的客戶是 D，獲取 D 操作完 ATM 的時間，即 next_time。將 D 移除佇列。
第 2 個 if 語句：此時庫存清零，無法新增客戶，故不執行操作。
第 3 個 if 語句：此時庫存清零，無法新增客戶，故不執行操作。
for 迴圈：此時時間 cur_time 與 next_time 為玫紅標識。
E 客戶到達時間滿足 if 語句，設 E 等候時間 wait_time 為 E2，等於 next_time - cur_time。
更新當前時間，當前 next_time 即為 cur_time。
【6】
此時庫存已清零，但排隊列表仍有客戶 E，仍然執行主程式。
第 1 個 if 語句：剩餘客戶 E，獲取 E 操作完 ATM 的時間，即 next_time。將 E 移除佇列。
第 2 個 if 語句：此時庫存清零，無法新增客戶，故不執行操作。
第 3 個 if 語句：此時庫存清零，無法新增客戶，故不執行操作。
for 迴圈：排隊列表清零，故不執行操作。
更新當前時間，當前 next_time 即為 cur_time。
【7】
此時庫存已清零，排隊列表已清零，故不執行主程式。
跳到輸出語句 print，此時如（圖4）所示，總等候時間 wait_time = C1 + D1 + D2 + E1 + E2，總客戶數為 5，由 wait_time/c.count 即可算出平均等候時間。
程式結束。
【程式結果】
ATM: maxtime = 5
Customers: n = 100, arrvtime = 10
執行結果：
0.43
0.44
0.91
…
ATM: maxtime = 10
Customers: n = 100, arrvtime = 10
執行結果：
62.16
36.1
33.93
…
可以發現當ATM操作時間時長範圍擴大後，客戶平均等候時間更久。可以拷貝程式碼，修改引數執行，看看還能總結出什麼規律呢？