房曉南， 徐功文，2， 孫云晨， 張化祥， 杜顏伶

(1.山東師范大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟南250014;2.山東建筑大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東濟南250101;3.山東中醫(yī)藥大學(xué)理工學(xué)院，山東濟南250355)

0 引言

高校程序設(shè)計類課程包括計算機相關(guān)專業(yè)開設(shè)的“C/C++程序設(shè)計”、“Java程序設(shè)計”、“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”和“算法設(shè)計”等專業(yè)課程和非計算機專業(yè)開設(shè)的一系列程序設(shè)計類計算機公共課程。這類課程的一個共同特點就是特別強調(diào)實踐動手環(huán)節(jié)，學(xué)生只有通過大量的編程練習(xí)，才能真正理解和掌握此類課程中的相關(guān)概念和技術(shù)并形成應(yīng)用開發(fā)能力［1-3］。

目前國內(nèi)大部分程序設(shè)計類課程采用的都是“課堂+實驗”的模式，即課堂教學(xué)和上機實驗分別進行。這種模式的優(yōu)點是實施簡單、有利于安排課程進度，但是也存在一些問題。首先，部分教師會形成“重課堂、輕實驗”的習(xí)慣，將大部分精力放到課堂講授，而實驗環(huán)節(jié)卻得不到應(yīng)有的重視;其次，該模式容易造成教學(xué)和實驗的脫節(jié)，學(xué)生在課堂所學(xué)和在機房練習(xí)的內(nèi)容往往存在一定距離，很難完全同步;最后，學(xué)生程序的評測環(huán)節(jié)存在較大缺陷。由于時間和精力所限，對于學(xué)生提交的實驗作業(yè)和考試程序很難做到一一批閱，也很難進行有效的作弊檢測，影響了教學(xué)效果評價的效率和準(zhǔn)確度［4，5］。

針對這種情況，本文設(shè)計并開發(fā)了基于.NET與在線評測的分布式程序設(shè)計教學(xué)實驗平臺。該平臺首先對程序設(shè)計類課程的教學(xué)、實驗和考試資源進行整合，并利用相關(guān)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)進行分類存儲。同時，該平臺選用Windows+IIS+Access/SQL Server+.NET CLR的平臺架構(gòu)，解決了目前大多數(shù)基于LAMP(Linux+Apache+MySQL+PHP)平臺的在線評測系統(tǒng)的安裝部署困難，不易使用等問題。同時采用了高效的分布式架構(gòu)，使得平臺伸縮性更好，并可以支持更多的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

程序設(shè)計類課程的教師和學(xué)生可以通過該平臺實現(xiàn)題目分類上傳、用戶管理、在線練習(xí)(實驗)、在線比賽(考試)、在線評測、作弊檢測和成績排名等多種功能。平臺可以縮短此類課程教學(xué)與實驗環(huán)節(jié)的距離，提高教學(xué)成果檢驗的準(zhǔn)度和效度;同時平臺的使用增加了程序設(shè)計學(xué)習(xí)過程中的互動性和趣味性，雙向調(diào)動了教師教和學(xué)生學(xué)的積極性，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 在線評測系統(tǒng)及其應(yīng)用

在線評測系統(tǒng)［6，7］(Online Judge System，簡稱 OJ)是已經(jīng)在ACM-ICPC國際大學(xué)生程序設(shè)計競賽中得到廣泛使用的自動判題和排名系統(tǒng)。用戶將代碼提交給系統(tǒng)進行編譯和執(zhí)行，系統(tǒng)利用預(yù)先設(shè)定好的評測數(shù)據(jù)進行測試，即通過比較提交程序的輸出的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果，判定提交代碼的正確性。用戶提交的代碼在OJ中執(zhí)行時還會受到運行時間、內(nèi)存使用、安全等各方面嚴(yán)格的限制。最后OJ反饋的評測結(jié)果包括:通過(Accepted，簡稱 AC)、錯誤答案(Wrong Answer，簡稱WA)、時間超限(Time Limit Exceed，簡稱 TLE)、輸出超限(Output Limit Exceed，簡稱 OLE)、內(nèi)存超限(Memory Limit Exceed，簡稱 MLE)、運行時間錯誤(Runtime Error，簡稱RE)等。此外，系統(tǒng)還可以按照通過的題目數(shù)量和累計用時等指標(biāo)來對用戶進行排名。當(dāng)前許多高校都建立起自己的在線評測系統(tǒng)，其中比較有影響了的有北京大學(xué)在線評測系統(tǒng)(簡稱POJ)［8］、杭州電子科技大學(xué)在線評測系統(tǒng)(簡稱HDOJ)［9］、華 中 科 技 大 學(xué) 在 線 評 測 系 統(tǒng) (簡 稱HUSTOJ)［10］等。

近幾年，國內(nèi)外高校的ACM-ICPC教練和程序類課程教師開始嘗試將在線評測系統(tǒng)用于程序設(shè)計類課程的教學(xué)、實驗和考試環(huán)節(jié)，并取得了較好的效果。其中新加坡國立大學(xué)2000年時就開始在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課的教學(xué)評價環(huán)節(jié)中使用在線評測系統(tǒng)［11］。北京大學(xué)在 POJ的基礎(chǔ)上開發(fā)了“百練”系統(tǒng)［12，13］，主要服務(wù)于ACM-ICPC競賽隊員的日常訓(xùn)練和程序類課程的在線考試。此外，基于HUSTOJ開發(fā)的九度 Online Judge［14］主要針對計算機專業(yè)考研和求職的學(xué)生，匯總了國內(nèi)重點院校計算機專業(yè)研究生復(fù)試階段的上機題和包括谷歌、微軟等知名軟件企業(yè)的面試階段上機題?；凇熬幾g原理”課程的教學(xué)實踐，尤楓等［15］開發(fā)了編譯程序在線評測系統(tǒng)，對該課程的教學(xué)改革起到了積極的推動作用。華南師范大學(xué)的 Zhu等［16］將ACM-ICPC的訓(xùn)練和比賽模式引入了軟件工程的學(xué)習(xí)過程，提供了一種將編程實踐和理論學(xué)習(xí)結(jié)合的新途徑。中山大學(xué)廣泛開展ACM-ICPC課外活動，實現(xiàn)了計算機本科生能力的培養(yǎng)和素質(zhì)的提高［17，18］。以上系統(tǒng)在使用過程中也出現(xiàn)了一定的問題，如有的支持的程序語言種類較少，有的只是針對某一門固定課程等。

2 平臺設(shè)計

2.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

本教學(xué)實驗平臺主要由以下幾部分組成，如圖1所示:

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

(1)客戶端應(yīng)用程序與應(yīng)用程序服務(wù)器。用來與用戶交互及處理用戶交互的部分，包括題目的查看、程序的提交以及后臺管理等。該部分常見的有B/S架構(gòu)和C/S架構(gòu)，由于C/S架構(gòu)需要用戶安裝特定的應(yīng)用程序才能使用系統(tǒng);而對于B/S架構(gòu)，由于目前幾乎所有操作系統(tǒng)都自帶瀏覽器，用戶僅需要打開瀏覽器即可以使用，大大降低了用戶的使用和學(xué)習(xí)成本，所以該部分通常使用B/S架構(gòu)構(gòu)建。

當(dāng)前在線評測系統(tǒng)普遍使用LAMP平臺來開發(fā)該部分，由于國內(nèi)大部分高校通常使用Windows作為服務(wù)器以及日常使用的系統(tǒng)，所以對于Linux而言學(xué)習(xí)和部署成本都較高，所以在這里使用Windows+IIS+Access/SQL Server+.NET CLR的平臺。

(2)評測服務(wù)模塊。用來評測用戶提交的代碼，包括將用戶提交的程序代碼進行編譯，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的題目數(shù)據(jù)和限制條件對程序進行評測。評測服務(wù)模塊與應(yīng)用程序服務(wù)器常見的通信方式有Web Service或者Socket通信等，由于Socket通信需要評測服務(wù)器開放特定端口，而Web Service不但不需要開放端口，可移植性也更好，所以通信方式選擇 Web Service。

在線評測系統(tǒng)通常使用C++來開發(fā)評測服務(wù)模塊，并將其運行在Linux的環(huán)境中。但是由于C++不具有跨平臺性，所以在Linux下編譯的C++程序往往無法直接在Windows下編譯使用，為了統(tǒng)一平臺，在這里同樣使用.NET平臺開發(fā)評測服務(wù)模塊。

(2)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。用來存儲在線評測系統(tǒng)所有的數(shù)據(jù)，包括題目數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)以及管理數(shù)據(jù)等。對于未接觸過在線評測系統(tǒng)的學(xué)校而言，配置和維護數(shù)據(jù)庫比較麻煩。由于使用.NET開發(fā)整套系統(tǒng)并且數(shù)據(jù)庫只通過應(yīng)用程序服務(wù)器訪問，所以比較容易能支持多數(shù)據(jù)庫。在這里應(yīng)用程序服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫連接模塊通過使用微軟企業(yè)庫(Microsoft Enterprise Library)連接數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫連接模塊處理不同數(shù)據(jù)庫之間的SQL語句差異來實現(xiàn)對不同數(shù)據(jù)庫的無縫支持。

當(dāng)前很多個人電腦以及學(xué)校的服務(wù)器都未安裝SQL Server等數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，如果只支持單一大型數(shù)據(jù)庫，則個人測試或部署小型在線評測系統(tǒng)變得非常復(fù)雜。由于 Windows操作系統(tǒng)自帶了 JET Database Engine，在32位系統(tǒng)下甚至無需任何配置就直接可以訪問Access數(shù)據(jù)庫，同時由于Access的易維護性，所以支持Access使得上述操作變得容易，而同時支持SQL Server數(shù)據(jù)庫也為日后提升系統(tǒng)性能以及平臺遷移留下了空間。

2.2 分布式系統(tǒng)設(shè)計

對于本系統(tǒng)，當(dāng)請求較少時，可以將應(yīng)用程序服務(wù)器、評測服務(wù)模塊、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)三者放置于同一臺服務(wù)器中，用戶通過訪問應(yīng)用程序服務(wù)器來訪問系統(tǒng)，應(yīng)用程序服務(wù)器則與本機的數(shù)據(jù)庫文件或數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的交換，評測服務(wù)模塊則通過應(yīng)用程序服務(wù)器獲取待評測列表，并將用戶程序編譯為可執(zhí)行文件并通過執(zhí)行程序進行測試以及將最終結(jié)果返回給應(yīng)用程序服務(wù)器。

由于單臺服務(wù)器的處理能力是有限的，所以當(dāng)請求過多時，需要將不同的服務(wù)拆分到不同的服務(wù)器中，甚至當(dāng)流量更大時，還應(yīng)當(dāng)增添更多的服務(wù)器并使用負(fù)載平衡。

2.2.1 分布式評測服務(wù)模塊

當(dāng)用戶同時提交的程序過多時，評測服務(wù)模塊最先無法處理過多的請求，即發(fā)生延時評測的情況。由于評測服務(wù)模塊通過Web Service請求應(yīng)用程序服務(wù)器，所以評測服務(wù)模塊只要能夠通過局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)訪問應(yīng)用程序服務(wù)器即可。而如果單獨使用一臺評測服務(wù)器也無法滿足用戶提交的程序時，還可以按照同樣方法添置更多臺評測服務(wù)器，由于評測服務(wù)模塊都是采取主動請求的方式，所以添加評測服務(wù)器的過程都是動態(tài)的。

由于多臺評測服務(wù)器可能同時請求應(yīng)用程序服務(wù)器，所以還在應(yīng)用程序服務(wù)器中設(shè)置了唯一鎖，使評測服務(wù)器的并發(fā)請求變?yōu)榱岁犃姓埱?，使得同時只能有一臺評測服務(wù)器獲取待評測列表及提交評測信息。

2.2.2 分布式應(yīng)用程序服務(wù)器

當(dāng)同時訪問的用戶過多時，應(yīng)用程序服務(wù)器可能無法同時處理如此多的請求，同時由于評測服務(wù)模塊也需要請求應(yīng)用程序服務(wù)器，為了保證所有請求快速響應(yīng)，應(yīng)當(dāng)設(shè)置多臺應(yīng)用程序服務(wù)器。由于應(yīng)用程序服務(wù)器的數(shù)據(jù)均來自數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，所以只需要將應(yīng)用程序服務(wù)器拆分為多個請求統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的應(yīng)用程序服務(wù)器即可，例如評測服務(wù)模塊訪問應(yīng)用程序服務(wù)器#0，其他用戶訪問另一個應(yīng)用程序服務(wù)器#1，甚至于當(dāng)請求更多時可以設(shè)置負(fù)載平衡服務(wù)器，而負(fù)載平衡服務(wù)器之下再設(shè)置多個應(yīng)用程序服務(wù)器，見圖2。

由于不同服務(wù)器可能會存儲不同的用戶狀態(tài)，所以這里使用ASP.NET平臺中的Forms認(rèn)證，其原理是當(dāng)服務(wù)器端第一次認(rèn)證完用戶后由ASP.NET服務(wù)器將用戶身份憑證根據(jù)服務(wù)器的Machine Key加密存儲在Cookies中。用戶每次執(zhí)行請求時將加密后的身份憑證一并附帶，服務(wù)器使用自身的Machine Key將加密后的用戶身份憑證解密，然后驗證是否是合法用戶。由于Machine Key默認(rèn)是服務(wù)器端根據(jù)服務(wù)器信息自動生成的，所以在配置多臺應(yīng)用程序服務(wù)器時，只需要將每臺的Machine Key配置為相同的即可使用戶在各臺服務(wù)器上都能通過身份驗證。同時，由于系統(tǒng)中的內(nèi)容大量使用了緩存，并且由于部分緩存僅當(dāng)時間超時后才重新獲取，所以當(dāng)配置多臺服務(wù)器后，必須同步各臺服務(wù)器中的緩存，這里由于使用了微軟企業(yè)庫的緩存模塊，僅需要配置緩存的后端存儲為數(shù)據(jù)庫即可，如果系統(tǒng)存儲內(nèi)容的數(shù)據(jù)庫負(fù)載過高，則可以另外啟用獨立的緩存數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

圖2 分布式平臺架構(gòu)

此外，為了加快評測服務(wù)模塊的請求速度，使用JSON(JavaScript Object Notation)作為傳輸信息的媒介，并將題目數(shù)據(jù)包打包為Zip壓縮文件，以減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。同時，將評測服務(wù)模塊與應(yīng)用程序服務(wù)器的通信方法簡化為登陸、獲取題目數(shù)據(jù)、獲取待評測列表以及更新評測狀態(tài)等4種，并且在獲取待評測列表時允許單次獲取多條評測數(shù)據(jù)，來盡可能減少服務(wù)器間通訊的次數(shù)，以減少應(yīng)用程序服務(wù)器的負(fù)擔(dān)。

3 平臺應(yīng)用

作為一個程序設(shè)計教學(xué)實驗平臺，最重要的是在教學(xué)、實驗和考試等環(huán)節(jié)中應(yīng)用。所以除了實現(xiàn)在線評測系統(tǒng)的基本功能，本平臺還支持可擴展的題庫管理模塊，任課教師或管理員可以方便的增添題目并對題目進行分類。此外，平臺還提供了在線競賽、排名、討論、課程作業(yè)、在線考試以及互動交流等功能模塊。山東師范大學(xué)程序設(shè)計課程教學(xué)與實驗平臺［19］的主界面如圖2所示:

其中平臺的主要功能模塊包括在線評測、在線練習(xí)、在線比賽(考試)、以及用戶面板四個主要模塊。通過這些模塊，教師就可以將教學(xué)與實驗相關(guān)題目布置在平臺上，也可以直接在在線考試模塊組織進行隨堂測試或?qū)W業(yè)考試，無需準(zhǔn)備任何紙質(zhì)資料。而學(xué)生只需要一臺能夠連接Internet的個人計算機，就可以不受任何時間地點限制的使用平臺提供的所有資源。

圖2 平臺主界面

圖3 顯示的是平臺的系統(tǒng)管理員界面。在這個界面中，系統(tǒng)管理員可以進行常規(guī)管理、題目管理、競賽(考試)管理、用戶管理、論壇管理和評測管理等操作。同時圖中的題目分類管理功能可以將不同課程或主題的題目分類存放管理，比如建立“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”和“C++程序設(shè)計”兩個不同的課程分類，這樣任課教師就可以對自己負(fù)責(zé)課程的題目進行管理，不同科目的學(xué)生也可以進入各自的課程模塊進行練習(xí)。

圖3 系統(tǒng)管理員界面

4 結(jié)語

山東師范大學(xué)程序設(shè)計教學(xué)實驗平臺(在線評測系統(tǒng))自2010年6月部署以來，已有大約2000余名學(xué)生通過該平臺進行程序?qū)W習(xí)、提交和競賽等活動，并為5門程序設(shè)計相關(guān)課程提供了實驗和考試環(huán)境。通過課題組針對“Java程序設(shè)計”課程中該平臺的使用效果進行的問卷調(diào)查，有92%的同學(xué)認(rèn)為該平臺可以有效的幫助自己學(xué)習(xí)程序設(shè)計相關(guān)課程。在2010年至2013年的山東省ACM-ICPC程序設(shè)計競賽中，我校參賽同學(xué)獲得金獎1項、銀獎2項、銅獎4項，并且在2012年10月的ACM-ICPC亞洲區(qū)域賽(長春賽區(qū))獲得銅獎1項。在今后的工作中，我們將在非程序代碼評測、代碼查重、云IDE和即時交流功能的實現(xiàn)等方面進行進一步的研究和改進，使該平臺能夠更好的為高校程序設(shè)計類課程的實踐教學(xué)服務(wù)。

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