面向对象程序设计课程设计实验报告 • LZWcc's Blog

课题：在线图书管理系统#

1. 系统需求分析#

1.1 系统设计目的与意义#

随着信息化时代的发展，传统的图书管理方式已经无法满足现代图书馆的需求。本系统旨在设计一个基于 Java 的在线图书管理系统，实现图书信息的电子化管理，提高图书馆的工作效率和服务质量。

设计目的：

掌握 Java 语言的基本语法和面向对象编程思想
掌握类与对象、继承、封装、多态等面向对象特性
掌握异常处理、集合框架、文件读写等 Java 高级语法
培养分析问题和解决问题的能力

设计意义：

实现图书信息的统一管理，便于查询和维护
实现借阅流程的规范化，提高管理效率
支持多角色用户管理，满足不同用户的需求
数据持久化存储，保证数据安全可靠

1.2 系统功能需求#

1.2.1 用户角色需求#

系统支持两种用户角色：

普通用户（User）：可以查询图书、借阅图书、查看和管理个人借阅记录
管理员（Admin）：可以对图书进行增删改查操作，管理用户信息

1.2.2 功能需求列表#

功能模块	普通用户	管理员
用户登录/注册	✓	✓
查询图书	✓	✓
借阅图书	✓	✗
查看借阅记录	✓	✗
归还图书	✓	✗
添加图书	✗	✓
删除图书	✗	✓
修改图书信息	✗	✓
用户管理	✗	✓

1.2.3 系统流程图#

1766568194338

1.3 输入输出要求#

输入要求：

用户名和密码：字符串类型，用于登录验证
图书信息：包括 ID、书名、作者、分类、数量等
操作选择：通过数字或关键字进行菜单选择

输出要求：

操作结果提示：成功或失败信息
图书信息列表：格式化显示图书详情
借阅记录：显示借阅状态、日期等信息

2. 总体设计#

2.1 系统功能分析#

本系统采用分层架构设计，主要分为以下几个层次：

表示层（Presentation Layer）：负责用户交互，接收用户输入并显示结果
业务逻辑层（Business Logic Layer）：处理核心业务逻辑，如登录验证、借阅管理等
数据访问层（Data Access Layer）：负责数据的持久化存储和读取
模型层（Model Layer）：定义系统中的数据实体类

2.2 系统功能模块划分与设计#

2.2.1 系统功能模块图#

1766568450622

2.2.2 模块功能说明#

模块名称	功能描述
用户管理模块	负责用户的登录、注册、权限验证，区分普通用户和管理员角色
图书管理模块	管理员对图书进行增删改查操作，支持关键字模糊搜索
借阅管理模块	处理图书借阅和归还业务，管理借阅记录
数据持久化模块	使用 JSON 格式将数据存储到文件，支持数据的读取和保存
工具模块	提供 ID 生成、输入处理等通用功能

3. 详细设计#

3.1 类层次图#


                    ┌─────────────┐

                    │   Object    │

                    └──────┬──────┘

                           │

         ┌─────────────────┼─────────────────┐

         │                 │                 │

    ┌────▼────┐      ┌─────▼─────┐     ┌─────▼─────┐

    │  User   │      │   Book    │     │BorrowRecord│

    └────┬────┘      └───────────┘     └───────────┘

         │

    ┌────▼────┐

    │  Admin  │

    │(extends │

    │  User)  │

    └─────────┘


  ┌─────────────────┐       ┌─────────────┐

  │ LibrarySystem   │       │ IdGenerator │

  │   (service)     │       │   (utils)   │

  └─────────────────┘       └─────────────┘

plaintext

3.2 各类详细设计#

3.2.1 Book 类（图书类）#

包路径： model.Book

类图：


┌────────────────────────────────────┐

│              Book                  │

├────────────────────────────────────┤

│ - id: String        // 图书ID      │

│ - title: String     // 书名        │

│ - author: String    // 作者        │

│ - category: String  // 分类        │

│ - copies: int       // 可借副本数   │

├────────────────────────────────────┤

│ + Book()                           │

│ + Book(id, title, author,          │

│        category, copies)           │

│ + getId(): String                  │

│ + getTitle(): String               │

│ + setTitle(title): void            │

│ + getAuthor(): String              │

│ + setAuthor(author): void          │

│ + getCategory(): String            │

│ + setCategory(category): void      │

│ + getCopies(): int                 │

│ + setCopies(copies): void          │

│ + toString(): String               │

│ + equals(o): boolean               │

│ + hashCode(): int                  │

└────────────────────────────────────┘

plaintext

关键代码：


packagemodel;


publicclass Book {

privateString id;        // 图书唯一标识

privateString title;     // 书名

privateString author;    // 作者

privateString category;  // 分类

privateint copies;       // 可借副本数


// 构造方法

publicBook(Stringid, Stringtitle, Stringauthor, Stringcategory, intcopies) {

        this.id = id;

        this.title = title;

        this.author = author;

        this.category = category;

        this.copies = copies;

    }


// 格式化输出

    @Override

publicStringtoString() {

return String.format("[%s] %s — %s | %s | 可借: %d",

                id, title, author, category, copies);

    }

}

java

3.2.2 User 类（用户基类）#

包路径： model.User

类图：


┌────────────────────────────────────┐

│              User                  │

├────────────────────────────────────┤

│ # id: String        // 用户ID      │

│ # username: String  // 用户名      │

│ # password: String  // 密码        │

│ # role: String      // 角色        │

├────────────────────────────────────┤

│ + User()                           │

│ + User(id, username, password,     │

│        role)                       │

│ + showMenu(): void                 │

│ + searchBooks(system): void        │

│ + borrowBook(system): void         │

│ + viewBorrowRecords(system): void  │

│ + matchesKeyword(book, key):       │

│                         boolean    │

│ + getter/setter methods...         │

└────────────────────────────────────┘

plaintext

关键代码：


packagemodel;


publicclass User {

protectedString id;

protectedString username;

protectedString password;

protectedString role;


// 显示用户菜单，子类可重写

publicvoidshowMenu() {

        System.out.println("\n=== 普通用户菜单 ===");

        System.out.println("1. 查询图书");

        System.out.println("2. 借阅图书");

        System.out.println("3. 查看借阅记录");

        System.out.println("0. 退出登录");

    }


// 借阅图书方法

publicvoidborrowBook(LibrarySystemsystem) {

// 处理借阅逻辑，支持关键字搜索

// 创建借阅记录并保存

    }

}

java

3.2.3 Admin 类（管理员类）#

包路径： model.Admin

类图：


┌────────────────────────────────────┐

│         Admin extends User         │

├────────────────────────────────────┤

│ (继承User的所有属性)                │

├────────────────────────────────────┤

│ + Admin(username, password)        │

│ + Admin(id, username, password)    │

│ + showMenu(): void    // 重写      │

│ + addBook(system): void            │

│ + removeBook(system): void         │

│ + updateBook(system): void         │

└────────────────────────────────────┘

plaintext

关键代码：


packagemodel;


publicclass Admin extendsUser {


publicAdmin(Stringid, Stringusername, Stringpassword) {

        super(id, username, password, "ADMIN");

    }


    @Override

publicvoidshowMenu() {

        System.out.println("\n=== 管理员菜单 ===");

        System.out.println("1. 添加图书");

        System.out.println("2. 删除图书");

        System.out.println("3. 修改图书信息");

        System.out.println("4. 查询图书");

        System.out.println("5. 管理用户");

        System.out.println("0. 退出登录");

    }


// 添加图书

publicvoidaddBook(LibrarySystemsystem) {

// 获取用户输入，创建新图书并保存

    }

}

java

3.2.4 BorrowRecord 类（借阅记录类）#

包路径： model.BorrowRecord

类图：


┌────────────────────────────────────┐

│          BorrowRecord              │

├────────────────────────────────────┤

│ - id: String         // 记录ID     │

│ - bookId: String     // 图书ID     │

│ - username: String   // 借阅用户   │

│ - borrowDate: String // 借阅日期   │

│ - dueDate: String    // 应还日期   │

│ - returnDate: String // 归还日期   │

│ - status: String     // 状态       │

├────────────────────────────────────┤

│ + BorrowRecord(...)                │

│ + getter/setter methods...         │

│ + toString(): String               │

│ + equals(o): boolean               │

│ + hashCode(): int                  │

└────────────────────────────────────┘

plaintext

关键代码：


packagemodel;


publicclass BorrowRecord {

privatefinalString id;          // 记录ID

privatefinalString bookId;      // 图书ID

privatefinalString username;    // 借阅用户

privatefinalString borrowDate;  // 借阅日期

privatefinalString dueDate;     // 应还日期

privateString returnDate;        // 归还日期，null表示未归还

privateString status;            // BORROWED或RETURNED


    @Override

publicStringtoString() {

return String.format("[%s] %s | 用户: %s | 借出: %s | 应还: %s | 归还: %s | 状态: %s",

            id, bookId, username, borrowDate, dueDate,

            returnDate ==null?"-": returnDate, status);

    }

}

java

3.2.5 LibrarySystem 类（系统核心类）#

包路径： service.LibrarySystem

类图：


┌──────────────────────────────────────────┐

│            LibrarySystem                 │

├──────────────────────────────────────────┤

│ - scanner: Scanner                       │

│ - books: Map<String, Book>               │

│ - records: Map<String, BorrowRecord>     │

│ - users: Map<String, User>               │

│ - booksFile: Path                        │

│ - recordsFile: Path                      │

│ - usersFile: Path                        │

│ - gson: Gson                             │

├──────────────────────────────────────────┤

│ + LibrarySystem()                        │

│ + start(): void                          │

│ + getScanner(): Scanner                  │

│ + getBooks(): Map<String, Book>          │

│ + getRecords(): Map<String, BorrowRecord>│

│ + listAllBooksAndWait(): void            │

│ + readIntOrDefault(def): int             │

│ + waitForEnter(prompt): void             │

│ - login(): void                          │

│ - adminLoop(admin): void                 │

│ - userLoop(user): void                   │

│ - loadBooks(): void                      │

│ + saveBooks(): void                      │

│ - loadRecords(): void                    │

│ + saveRecords(): void                    │

│ - loadUsers(): void                      │

│ + saveUsers(): void                      │

└──────────────────────────────────────────┘

plaintext

关键代码：


packageservice;


publicclass LibrarySystem {

privatefinalScanner scanner;

privatefinalMap<String, Book> books =newLinkedHashMap<>();

privatefinalMap<String, BorrowRecord> records =newLinkedHashMap<>();

privatefinalMap<String, User> users =newLinkedHashMap<>();

privatefinalGson gson;


publicLibrarySystem() {

        this.scanner =newScanner(System.in);

        this.gson =newGsonBuilder().setPrettyPrinting().create();

loadBooks();

loadRecords();

loadUsers();

// 确保至少有一个管理员

if (users.values().stream().noneMatch(u ->"ADMIN".equals(u.getRole()))) {

User admin =newAdmin("U-00000001", "admin", "admin");

            users.put(admin.getId(), admin);

saveUsers();

        }

    }


// 系统启动入口

publicvoidstart() {

while (true) {

            System.out.println("=================================");

            System.out.println("      欢迎使用在线图书管理系统      ");

            System.out.println("=================================");

// 显示主菜单并处理用户选择

        }

    }

}

java

3.2.6 IdGenerator 类（ID 生成器）#

包路径： utils.IdGenerator

类图：


┌────────────────────────────────────┐

│          IdGenerator               │

├────────────────────────────────────┤

│ - RANDOM: Random                   │

├────────────────────────────────────┤

│ + generateRandom8DigitString():    │

│                           String   │

│ + generateId(prefix): String       │

└────────────────────────────────────┘

plaintext

关键代码：


packageutils;


publicclass IdGenerator {

privatestaticfinalRandom RANDOM =newRandom();


// 生成8位随机数字字符串

publicstaticStringgenerateRandom8DigitString() {

return String.format("%08d", RANDOM.nextInt(100000000));

    }


// 生成带前缀的8位随机ID

publicstaticStringgenerateId(Stringprefix) {

return prefix +generateRandom8DigitString();

    }

}

java

3.3 数据持久化设计#

系统使用 JSON 格式进行数据持久化存储，主要包含三个数据文件：

文件名	存储内容	数据结构
`data/books.json`	图书信息	Book 对象数组
`data/users.json`	用户信息	User 对象数组
`data/records.json`	借阅记录	BorrowRecord 对象数组

数据文件示例：

books.json:

[
  {
    "id": "B-48291730",

    "title": "算法导论",

    "author": "Thomas H. Cormen",

    "category": "计算机",

    "copies": 5
  }
]

json

users.json:

[
  {
    "id": "U-00000001",

    "username": "admin",

    "password": "admin",

    "role": "ADMIN"
  }
]

json

records.json:

[
  {
    "id": "B-U-00000002-94083649",

    "bookId": "B-81407963",

    "username": "user",

    "borrowDate": "2025-12-24",

    "dueDate": "2026-01-07",

    "returnDate": "2025-12-24",

    "status": "RETURNED"
  }
]

json

3.4 面向对象特性应用#

3.4.1 封装#

所有实体类的属性都设置为 private，通过 getter/setter 方法访问

-LibrarySystem类封装了数据加载和保存的实现细节

-IdGenerator类封装了 ID 生成算法

3.4.2 继承#

-Admin类继承自 User类，复用了用户的基本属性和方法

子类 Admin 扩展了管理员特有的功能（添加、删除、修改图书）

3.4.3 多态#

-showMenu()方法在 User和 Admin类中有不同实现

系统根据用户角色动态调用相应的菜单显示方法

-searchBooks()方法在两个角色中共用，体现了多态的复用性

4. 系统调试#

4.1 编译问题及解决#

问题 1：Gson 库依赖缺失#

错误信息： error: package com.google.gson does not exist

解决方案： 在项目 lib 目录下添加 gson 库的 jar 包，并配置编译路径。

问题 2：类型擦除导致的泛型问题#

错误信息： 使用 TypeToken进行 JSON 反序列化时类型推断失败

解决方案： 使用匿名内部类方式创建 TypeToken：


Type listType =newTypeToken<ArrayList<Book>>(){}.getType();

List<Book> list = gson.fromJson(content, listType);

java

4.2 运行逻辑问题及调整#

问题 1：用户登录后角色判断不准确#

现象： 管理员登录后显示普通用户菜单

原因： 从 JSON 反序列化后，Admin 对象被还原为 User 类型

解决方案： 在 loadUsers()方法中，根据 role 字段重新构建 Admin 对象：


if ("ADMIN".equals(u.getRole())) {

    users.put(u.getId(), newAdmin(u.getId(), u.getUsername(), u.getPassword()));

} else {

    users.put(u.getId(), u);

}

java

问题 2：借阅时图书副本数未正确扣减#

现象： 借阅成功但图书可借数量未减少

原因： 修改后的 Book 对象未保存到文件

解决方案： 在借阅操作后立即调用 saveBooks()方法保存数据。

问题 3：关键字搜索大小写敏感#

现象： 搜索”Java”找不到标题为”java”的图书

解决方案： 在 matchesKeyword 方法中统一转换为小写进行比较：


keyword = keyword.toLowerCase();

return (book.getTitle() !=null&& book.getTitle().toLowerCase().contains(keyword));

java

问题 4：用户输入空字符串时系统崩溃#

现象： 直接回车导致 NullPointerException

解决方案： 添加空值判断和二次确认机制：


if (key.isEmpty()) {

    System.out.print("确定要显示全部图书吗？(y/n)：");

String confirm = scanner.nextLine().trim().toLowerCase();

if (!"y".equals(confirm)) {

        System.out.println("已取消，返回菜单。\n");

return;

    }

}

java

5. 结果分析#

5.1 设计特点#

良好的面向对象设计

采用继承实现用户角色管理，代码复用性高
使用多态实现不同角色的差异化功能
封装性好，各模块职责清晰

友好的用户交互

支持关键字模糊搜索图书
提供多选择项时支持序号和 ID 两种方式
关键操作有二次确认，防止误操作
输入 ls可随时查看所有图书列表

可靠的数据持久化

使用 JSON 格式存储，数据可读性强
采用 Gson 库处理序列化，代码简洁
系统启动时自动加载数据，退出时自动保存

完善的 ID 生成机制

使用 8 位随机数+前缀的方式生成唯一 ID
图书 ID 前缀为”B-”，用户 ID 前缀为”U-”
借阅记录 ID 包含用户 ID，便于追溯

借阅功能完善

自动计算应还日期（14 天后）
支持通过书名或 ID 借阅
归还时自动增加图书副本数

5.2 不足之处#

安全性不足

密码以明文存储，存在安全隐患
没有登录失败次数限制

功能待完善

用户管理功能暂未实现
缺少逾期提醒功能
不支持批量操作

界面局限性

仅支持命令行界面
没有图形化界面

并发问题

不支持多用户同时操作
没有事务处理机制

6. 使用说明书#

6.1 系统启动#

确保已安装 Java 运行环境（JDK 17 或以上）
将 gson 库放入 lib 目录
编译并运行 Main.java
系统显示主菜单

6.2 用户登录与注册#

在主菜单选择”1. 登录”
输入用户名和密码
如果用户不存在，系统询问是否注册新用户
输入”y”确认注册，系统自动登录

默认管理员账户：

用户名：admin
密码：admin

6.3 普通用户操作#

查询图书#

选择”1. 查询图书”
输入关键字（支持 ID、书名、作者、分类）
直接回车可显示全部图书（需二次确认）

借阅图书#

选择”2. 借阅图书”
输入图书 ID 或书名关键字
输入”ls”可查看所有图书
如果匹配多本，选择序号确认
系统显示借阅成功信息和应还日期

查看和归还图书#

选择”3. 查看借阅记录”
系统显示所有借阅记录
输入记录 ID 或书名可归还图书

6.4 管理员操作#

添加图书#

选择”1. 添加图书”
输入图书 ID（回车自动生成）
依次输入书名、作者、分类、数量

删除图书#

选择”2. 删除图书”
输入要删除的图书 ID
输入”ls”可查看所有图书

修改图书#

选择”3. 修改图书信息”
输入图书 ID
逐项输入新信息（回车保持原值）

查询图书#

选择”4. 查询图书”
操作同普通用户

6.5 退出系统#

在用户菜单选择”0. 退出登录”返回主菜单
在主菜单选择”2. 退出系统”

7. 总结#

7.1 课程设计感想#

通过本次课程设计，我对面向对象程序设计有了更深入的理解和实践。在设计在线图书管理系统的过程中，我学会了如何分析需求、设计系统架构、实现功能模块，并解决实际开发中遇到的各种问题。

7.2 主要收获#

面向对象思想的应用：通过 User 和 Admin 的继承关系，深刻理解了继承和多态的实际应用场景。使用封装保护数据安全，通过接口暴露必要的方法。
集合框架的使用：熟练使用了 Map、List 等集合类型管理数据，理解了 LinkedHashMap 保持插入顺序的特性。
文件 IO 与 JSON 处理：学会了使用 Gson 库进行 JSON 序列化和反序列化，掌握了文件读写的基本操作。
异常处理机制：在用户输入处理和文件操作中合理使用 try-catch，提高了程序的健壮性。
代码规范与设计模式：遵循了单一职责原则，将不同功能分离到不同的类中，代码结构清晰。

7.3 改进方向#

添加密码加密存储功能
实现完整的用户管理模块
添加图书预约和续借功能
开发图形化用户界面
添加日志记录功能
支持多线程并发操作

通过本次课程设计，我不仅巩固了 Java 编程技能，也培养了独立分析问题和解决问题的能力，为今后的软件开发打下了坚实的基础。

附录：项目结构#


LibraryManagementSystem/

├── data/

│   ├── books.json       # 图书数据

│   ├── users.json       # 用户数据

│   └── records.json     # 借阅记录

├── lib/

│   └── gson-2.x.jar     # Gson库

├── src/

│   ├── Main.java        # 程序入口

│   ├── model/

│   │   ├── Book.java        # 图书类

│   │   ├── User.java        # 用户基类

│   │   ├── Admin.java       # 管理员类

│   │   └── BorrowRecord.java # 借阅记录类

│   ├── service/

│   │   └── LibrarySystem.java # 系统核心类

│   └── utils/

│       └── IdGenerator.java  # ID生成器

└── LibraryManagementSystem.iml

plaintext