黃儒樂

[摘要]采用J2EE技術(shù)框架設(shè)計(jì)了編程類作業(yè)在線評(píng)判系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于網(wǎng)絡(luò)的程序作業(yè)自動(dòng)編譯和評(píng)判，減輕了教師的工作負(fù)擔(dān)，提高了程序作業(yè)的評(píng)判效率和準(zhǔn)確性。

[關(guān)鍵詞]作業(yè)評(píng)判；J2EE；網(wǎng)絡(luò)教學(xué)

[中圖分類號(hào)]G40—057

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[論文編號(hào)]1009—8097(2009)13—0184—03

引言

21世紀(jì)以來，隨著計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，極大的推動(dòng)了教育信息化的發(fā)展，尤其是高等院校的信息化工作。近幾年來，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)在各高校中得到了廣泛的應(yīng)用，為傳統(tǒng)教學(xué)開辟了新的途徑，提供了網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)與交互功能，其中網(wǎng)上作業(yè)管理功能也被引入到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)中，目前大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)都支持網(wǎng)絡(luò)作業(yè)提交以及簡(jiǎn)單的評(píng)判功能，如一些選擇題作業(yè)的自動(dòng)判分，給大部分課程作業(yè)的管理提供了方便，但是這一功能在計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)類作業(yè)的處理上效果卻不是很好，主要問題集中在程序作業(yè)的編譯與評(píng)判上，由于學(xué)生提交的程序可能會(huì)存在語法等各種錯(cuò)誤，語法正確的程序其輸出結(jié)果也不一定正確，因此，教師往往不得不手工對(duì)程序作業(yè)一一批閱，甚至在計(jì)算機(jī)上親自上機(jī)調(diào)試運(yùn)行，然后根據(jù)運(yùn)行后的輸出結(jié)果進(jìn)行評(píng)判，整個(gè)過程耗時(shí)費(fèi)力，效率低下，也容易出錯(cuò)，而且，一些程序運(yùn)行的性能指標(biāo)人工很難獲取，如運(yùn)行時(shí)間、消耗內(nèi)存大小等。因此，如何讓編程類作業(yè)在線自動(dòng)評(píng)判是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)過程中非常重要的問題，它的解決將大大減輕教師的工作負(fù)擔(dān)，提高程序作業(yè)的評(píng)判效率和準(zhǔn)確性。

一系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

隨著Internet技術(shù)的日益成熟，瀏覽器器／務(wù)器(B／S)結(jié)構(gòu)以其所具有的開放性、易使用、易維護(hù)等特點(diǎn)廣受歡迎，逐漸成為Web軟件系統(tǒng)開發(fā)的首選結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)也采用B／S結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，但在程序編譯、評(píng)判等局部環(huán)節(jié)也采用客戶機(jī)／服務(wù)器(C／S)結(jié)構(gòu)作為補(bǔ)充，從而提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

2功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的使用者涉及系統(tǒng)管理員、教師、學(xué)生以及教學(xué)管理者，根據(jù)不同使用角色，提供相應(yīng)的業(yè)務(wù)處理和管理功能。

3模塊說明

(1)系統(tǒng)管理模塊

①用戶管理：主要是對(duì)參與系統(tǒng)使用的各類用戶進(jìn)行管理，包括用戶的添加、修改、刪除、停用。以及用戶的權(quán)限設(shè)置、密碼維護(hù)等。

②查詢統(tǒng)計(jì)：該功能是面向教學(xué)管理者，為其提供系統(tǒng)的高層面、綜合性查詢與統(tǒng)計(jì)功能，為教學(xué)管理工作提供數(shù)據(jù)與決策支持。

(2)作業(yè)管理模塊

①作業(yè)布置：為教師提供作業(yè)的添加、修改、刪除等功能。布置一個(gè)作業(yè)時(shí)，需同時(shí)設(shè)置作業(yè)的基本信息和評(píng)判參數(shù)信息，基本信息包括作業(yè)名稱、作業(yè)類型、作業(yè)描述、截至?xí)r間、允許提交的最大次數(shù)等，評(píng)判參數(shù)信息用于作業(yè)自動(dòng)評(píng)判時(shí)使用，主要包括文件類型、文件大小限制、編譯器類型、程序最大內(nèi)存限制、程序最大運(yùn)行時(shí)間、測(cè)試數(shù)據(jù)與測(cè)試結(jié)果、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)等。

②作業(yè)查詢：為教師和學(xué)生提供作業(yè)的查詢功能，包括教師查詢學(xué)生的作業(yè)提交情況，學(xué)生查詢自己作業(yè)的評(píng)分結(jié)果等。

(3)作業(yè)處理模塊

該模塊是本系統(tǒng)的核心功能模塊，完成學(xué)生所提交作業(yè)的預(yù)處理、編譯和評(píng)分，這也是編程作業(yè)自動(dòng)評(píng)判的三部曲，每一步都是以上一步的成功執(zhí)行為前提的。

①作業(yè)預(yù)處理：該操作在學(xué)生提交作業(yè)后立即執(zhí)行，主要是檢查作業(yè)的的文件類型以及文件大小是否符合教師布置作業(yè)時(shí)所設(shè)定的參數(shù)值。

②作業(yè)編譯：該操作在作業(yè)預(yù)處理后執(zhí)行，程序編譯后，編譯結(jié)果會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。

③作業(yè)評(píng)分：該操作在作業(yè)成功編譯后執(zhí)行，通過系統(tǒng)預(yù)設(shè)的作業(yè)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)程序進(jìn)行測(cè)試，然后將輸出結(jié)果與作業(yè)預(yù)設(shè)的測(cè)試輸出結(jié)果進(jìn)行比較，并以此為依據(jù)進(jìn)行評(píng)分。

二開發(fā)環(huán)境與工具

1J2EE技術(shù)

J2EE是一個(gè)基于組件的體系結(jié)構(gòu)，用于構(gòu)建N層的、基于Web的、以服務(wù)端計(jì)算為核心的、模塊化的企業(yè)級(jí)應(yīng)用。由于使用Java語言進(jìn)行開發(fā)，可以很輕松的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的跨平臺(tái)部署，即“一次編寫，處處運(yùn)行”。

2Linux+MySQL

Linux是一個(gè)基于Posix和Unix的多用戶、多任務(wù)、多CPU并支持多線程的類Uinx的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。Linux以它的開源、高效能和靈活性著稱，其模塊化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得它能運(yùn)行在工作站上，也能夠在普通計(jì)算機(jī)上。在網(wǎng)絡(luò)病毒日益風(fēng)行的今天，使用Linux操作系統(tǒng)可以提供更好的安全性與穩(wěn)定性。

MySQL是最受歡迎的開源SQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，它由MySQLAB開發(fā)、發(fā)布和支持。MySQL是一個(gè)快速的、多線程、多用戶和健壯的SQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。MySQL服務(wù)器支持關(guān)鍵任務(wù)、重負(fù)載生產(chǎn)系統(tǒng)的使用。

3開發(fā)工具

本系統(tǒng)選擇Eclipse作為J2EE開發(fā)工具，數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)采用了Sybase公司的PowerDesigner軟件，Web開發(fā)工作均在安裝WindowsXP操作系統(tǒng)的PC上完成，每完成一個(gè)階段目標(biāo)就將階段性成果部署到Linux服務(wù)器上測(cè)試。

三關(guān)鍵問題的實(shí)現(xiàn)

1后臺(tái)評(píng)判模塊

(1)編譯器選擇

對(duì)學(xué)生上傳的程序作業(yè)在服務(wù)器上進(jìn)行編譯是一個(gè)重要且耗時(shí)的過程，由于程序類作業(yè)可能涉及到不同的語言類型，因此，編譯器必須具備廣泛的兼容性和極高的編譯性能，本系統(tǒng)我們采用了gcc編譯器，Linux系統(tǒng)下的gcc(GNU C Compiler)是GNU推出的功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的多平臺(tái)編譯器。gec是可以在多種硬體平臺(tái)上編譯出可執(zhí)行程序的超級(jí)編譯器，其執(zhí)行效率與一般的編譯器相比平均效率要高20％--30％，而且支持C，C++，Obiective-C，F(xiàn)ortran，Java，Ada等多種編程語言。

(2)評(píng)判過程

作業(yè)提交并通過預(yù)處理后，在服務(wù)器端對(duì)程序作業(yè)的代碼進(jìn)行編譯、運(yùn)行和測(cè)試，在此過程中，服務(wù)器要對(duì)程序作業(yè)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，主要包括如下幾項(xiàng)：

編譯錯(cuò)誤(Compile Error)

運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤(Runtime Error)

消耗CPU時(shí)間超出限制(Time Limit Exceeded)

使用內(nèi)存超出限制(Memory Limit Exceeded)程序輸出的信息量超出限制(Output Limit Exceeded)

出現(xiàn)以上任何一項(xiàng)問題都要立即中止評(píng)判，并反饋出錯(cuò)信息給學(xué)生。如果編譯運(yùn)行成功，則輸入預(yù)設(shè)的測(cè)試數(shù)據(jù)，并對(duì)程序輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，此時(shí)有以下情況：

程序輸出與期望的相同(AcceDced)

程序輸出與期望的不同(Wrong Answer)

程序輸出格式有誤(Presentation Error)

通過以上各項(xiàng)評(píng)判結(jié)果，系統(tǒng)最終根據(jù)每項(xiàng)的權(quán)重比率算出綜合評(píng)分作為作業(yè)的最終分?jǐn)?shù)。

(3)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

程序的編譯與評(píng)判過程均以守護(hù)進(jìn)程的方式進(jìn)行，程序

通過網(wǎng)頁提交后發(fā)送消息給守護(hù)進(jìn)程，由守護(hù)進(jìn)程從數(shù)據(jù)庫中取出待評(píng)判的程序進(jìn)行編譯，編譯時(shí)采用多進(jìn)程方式，使用Linux下C語言函數(shù)fork()分出一個(gè)子進(jìn)程，在子進(jìn)程中通過fexecle()函數(shù)調(diào)用gee命令進(jìn)行編譯，然后判斷其編譯結(jié)果。

程序成功編譯后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)可執(zhí)行的文件，由于要獲取其運(yùn)行中的一些資源消耗信息，需要對(duì)運(yùn)行的進(jìn)程進(jìn)行監(jiān)視、調(diào)試。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)程序運(yùn)行器，用來運(yùn)行編譯后所產(chǎn)生的可執(zhí)行文件，獲取程序執(zhí)行信息和運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)程序的運(yùn)行權(quán)限、資源占用等進(jìn)行限制，避免因非正常程序的執(zhí)行而影響服務(wù)器的性能與安全性。

程序運(yùn)行器在一個(gè)開源項(xiàng)目libsandbox的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)，libsandbox很好的應(yīng)用了Linux的系統(tǒng)函數(shù)ptrace。ptrace提供了一種使父進(jìn)程得以監(jiān)視和控制其它進(jìn)程的方式，它還能夠改變子進(jìn)程中的寄存器和內(nèi)核映像，因而可以實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)調(diào)試和系統(tǒng)調(diào)用的跟蹤。另外程序運(yùn)行器還提供了運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)與比對(duì)輸出結(jié)果的功能。

2編譯與評(píng)判的性能問題處理

由于程序的編譯與評(píng)判過程對(duì)服務(wù)器系統(tǒng)資源消耗較大，如果程序作業(yè)量較大，或者并發(fā)提交的量較大的話，服務(wù)器可能會(huì)因系統(tǒng)資源的過度消耗而運(yùn)行緩慢甚至死機(jī)，導(dǎo)致學(xué)生需等待很長時(shí)間才可看到評(píng)判結(jié)果。通過前面介紹的守護(hù)進(jìn)程可以在一定程度上解決網(wǎng)頁等待的問題，在后臺(tái)未完成程序評(píng)判前先快速返回一個(gè)信息提示頁面，但本質(zhì)上并未提高程序評(píng)判的性能，要解決這一問題，可以從兩個(gè)方面考慮：其一可以通過提高評(píng)判服務(wù)器硬件性能來提高其處理能力，如采用小型機(jī)等專業(yè)服務(wù)器，另外一種推薦的方式是采用多臺(tái)評(píng)判服務(wù)器協(xié)同工作，如在多臺(tái)PC級(jí)服務(wù)器上安裝評(píng)判程序，采用集群技術(shù)實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，從而實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)器與多臺(tái)評(píng)判服務(wù)器的協(xié)同工作，本文在系統(tǒng)實(shí)踐中采用了Linux Virtual Server(簡(jiǎn)稱LVS)集群技術(shù)來構(gòu)建一個(gè)高可Hj、可伸縮的集群系統(tǒng)。

3與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)的集成問題處理

編程類作業(yè)在線評(píng)判系統(tǒng)是對(duì)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)的補(bǔ)充，由于多數(shù)高校已擁有網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)，因此，將本系統(tǒng)集成到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)中是最佳選擇，一些網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)提供二次開發(fā)，這種情況下我們可以實(shí)現(xiàn)深度集成，對(duì)于不支持二次開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)，一般也可以從統(tǒng)一身份認(rèn)證的角度進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)SSO(單點(diǎn)登錄)集成。

四結(jié)論

本文根據(jù)編程類作業(yè)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了自動(dòng)評(píng)判系統(tǒng)，應(yīng)用了J2EE技術(shù)，實(shí)踐了Linux、Mysql、libsandbox等一系列開源項(xiàng)目，基于Web方式實(shí)現(xiàn)了編程類作業(yè)的網(wǎng)上自動(dòng)評(píng)判，適合多種程序設(shè)計(jì)語言，有效的減輕了教師的工作量，提高了工作效率，是對(duì)目前網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)的很好補(bǔ)充。但本文所討論的程序類作業(yè)僅限于有標(biāo)準(zhǔn)的輸入輸出數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)程序設(shè)計(jì)題，如一些算法類程序題等，對(duì)于其它類型程序題的自動(dòng)評(píng)判有待進(jìn)一步的研究。

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