LLD 案例：图书馆管理系统

图书馆管理系统考的是建模：哪些是“书”，哪些是“书架上那一本”，借阅和预约分别挂在谁身上。模型一旦理顺，借书、还书、预约排队、罚款这些流程写起来都很直接。

需求澄清

功能需求

1. 馆藏目录：一种书（ISBN、书名、作者）可以有多本实体副本，每本有自己的条码。
2. 读者借书：同时最多借 5 本，借期 14 天；有未缴罚款超过 10 元的不能借。
3. 还书：超期按天罚款，每天 0.5 元，单本封顶 20 元。
4. 预约：所有副本都借出时可以预约；同一本书的预约按先来后到排队。有副本归还时，留给队首读者 3 天，过期就轮到下一位。
5. 按书名、作者、ISBN 检索。

非功能需求

• 同一本副本不能同时借给两个人。
• 预约公平：严格按先来后到。

核心类

classDiagram
  accTitle: 图书馆类图：书目、副本、借阅与预约
  class Book {
    -String isbn
    -String title
    -List authors
  }
  class BookCopy {
    -String barcode
    -CopyStatus status
    -Member heldFor
    -LocalDate holdUntil
  }
  class Member {
    -String id
    -long unpaidFines
    +activeLoans() int
  }
  class Loan {
    -LocalDate dueDate
    -LocalDate returnedOn
  }
  class Hold {
    -LocalDateTime placedAt
  }
  class LibraryService {
    +checkout(Member m, BookCopy c) Loan
    +returnCopy(BookCopy c)
    +placeHold(Member m, Book b)
  }
  class FinePolicy {
    <<interface>>
    +fine(LocalDate due, LocalDate returned) long
  }
  Book "1" *-- "many" BookCopy
  Loan --> BookCopy
  Loan --> Member
  Hold --> Book
  Hold --> Member
  LibraryService ..> FinePolicy
  LibraryService ..> Notifier : hold ready

建模的关键：Book 和 BookCopy 分开

这一步做对了，后面的问题都好回答：

• 书名、作者属于 Book，所有副本共享；状态、条码、应还日期属于某一本实体副本。
• 借阅挂在副本上：读者借走的是“条码 0042 的那一本”。
• 预约挂在书上：读者要的是“任意一本《算法导论》”，哪本先还回来就给他哪本。如果预约挂在副本上，一本迟迟不还，读者就会一直等，而另一本早就回来了。

Loan 是独立的类，而不是 BookCopy 上的几个字段：一本书会被借很多次，借阅历史、逾期统计都需要它。

用到的设计模式

• 策略模式：FinePolicy 把罚款规则抽出来，学生和教师、普通书和期刊可以用不同的规则。
• 观察者模式：预约的书到了，通过 Notifier 发邮件或短信；业务流程不关心具体怎么通知。
• 服务层：LibraryService 负责编排流程，实体类只管自己的数据和不变量。

核心代码

class LibraryService {
    private final Map<String, Deque<Hold>> holds = new HashMap<>();   // isbn -> FIFO queue
    private final Map<String, Loan> loans = new HashMap<>();          // barcode -> open loan
    private final FinePolicy fines;
    private final Notifier notifier;
    private final Clock clock;

    LibraryService(FinePolicy fines, Notifier notifier, Clock clock) {
        this.fines = fines; this.notifier = notifier; this.clock = clock;
    }

    synchronized Loan checkout(Member m, BookCopy copy) {
        if (m.activeLoans() >= 5 || m.unpaidFines() > 1_000)
            throw new IllegalStateException("Member may not borrow now");
        boolean heldForThem = copy.status() == CopyStatus.ON_HOLD_SHELF && m.equals(copy.heldFor());
        if (copy.status() != CopyStatus.AVAILABLE && !heldForThem)
            throw new IllegalStateException("Copy not available");
        copy.lend();                                                  // status = ON_LOAN, hold cleared
        Loan loan = new Loan(copy, m, today().plusDays(14));
        loans.put(copy.barcode(), loan);
        m.addLoan(loan);
        return loan;
    }

    synchronized void returnCopy(BookCopy copy) {
        Loan loan = loans.remove(copy.barcode());
        if (loan == null) throw new IllegalArgumentException("Copy is not on loan");
        loan.close(today());
        long fine = fines.fine(loan.dueDate(), today());
        if (fine > 0) loan.member().charge(fine);
        shelve(copy);
    }

    /** A free copy goes to the first hold in line, else back to the shelf. Also run for expired holds. */
    synchronized void shelve(BookCopy copy) {
        Hold next = holds.getOrDefault(copy.book().isbn(), new ArrayDeque<>()).poll();
        if (next == null) {
            copy.makeAvailable();
            return;
        }
        copy.holdFor(next.member(), today().plusDays(3));             // status = ON_HOLD_SHELF
        notifier.holdReady(next.member(), copy);
    }

    private LocalDate today() { return LocalDate.now(clock); }
}

class DailyFine implements FinePolicy {
    public long fine(LocalDate due, LocalDate returned) {
        long late = Math.max(0, ChronoUnit.DAYS.between(due, returned));
        return Math.min(late * 50, 2_000);                            // 0.50 a day, at most 20.00
    }
}

还书时有一个容易漏掉的分支：有人在排队，这本书就不能回到书架，而是进预约架，并且只留给队首那个人。checkout 里的 heldForThem 判断保证别人借不走它。

预约过期的处理复用 shelve：每天跑一次定时任务，找出预约架上过了期限的副本，对每一本调用 shelve，它会自动轮到下一位，没人排队就回到书架。

并发

上面用 synchronized 把整个服务锁住，一个图书馆的借还频率很低，这完全够用。如果数据存在数据库里，就把“检查状态再修改”写成一条条件更新：

UPDATE book_copies SET status = 'ON_LOAN'
WHERE barcode = ? AND status = 'AVAILABLE';

受影响行数为 1 才算借书成功，为 0 说明别人抢先一步。这和停车场那一章（LLD 案例 1）里“取出即占用”是同一个思路。

扩展讨论

• 续借：没人预约时可以续借一次，应还日期顺延 14 天；有人预约就不能续借。
• 检索：按书名或作者模糊搜索，数据量小用数据库的全文索引，大了再上搜索引擎。
• 多个分馆：BookCopy 加上所在分馆；预约可以指定取书地点，副本在馆际之间调拨。
• 电子书：许可证数量就是“副本数”，借期到了自动归还，不会产生罚款。