許雯

（西安航空學院計算機學院，陜西西安710077）

基于Web的選課系統(tǒng)的設計與性能優(yōu)化

許雯

（西安航空學院計算機學院，陜西西安710077）

設計了基于Web系統(tǒng)的學生選課系統(tǒng)，分析了當前一般院校采用的選課系統(tǒng)大都存在著在選課時期出現(xiàn)系統(tǒng)響應過慢甚至服務器宕機的問題，并分析出引起這種問題的主要因素在于大量請求時并發(fā)的內(nèi)存壓力，以及磁盤IO壓力。針對該問題提出了采用排隊機制，以及引入緩存服務的架構(gòu)方案來解決。最后通過仿真實驗可以看出，所提出的方案是可行并且有效的。

選課系統(tǒng)；Web；排隊模塊；Redis

通過網(wǎng)絡進行選課是教學管理現(xiàn)代化建設的重要標志和應用之一[1]。很多高校都在開展促進教務體制改革，一些重點高校都在開發(fā)自己的教務系統(tǒng)[2]。選課系統(tǒng)是教務系統(tǒng)重要的一部分，文獻[3-4]都討論了針對自己高校的選課系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。

選課系統(tǒng)由于其特殊性，往往在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量的并發(fā)業(yè)務，過多的并發(fā)會對正常的業(yè)務造成影響沖擊。為了解決高校選課系統(tǒng)在選課時階段性高負載造成的“峰值堵塞”問題，眾多高校都開始研發(fā)自己的選課系統(tǒng)。文獻[5]從選課規(guī)則和選課算法、應用程序和數(shù)據(jù)庫設計以及引入服務器集群技術(shù)等方面對高校選課系統(tǒng)進行優(yōu)化，但是對于選課系統(tǒng)而言，服務器集群技術(shù)成本過高；文獻[6]提出了使用專用工具量化系統(tǒng)性能，并通過分析數(shù)據(jù)制訂相應的優(yōu)化策略，取得一定的效果，但是這個系統(tǒng)本身邏輯較為復雜，并且引入的第三方組件較多。本文完成了一種簡單的選課系統(tǒng)的設計方案，在不引入過多第三方組件，以及不增加硬件設備的條件下，通過使用Redis內(nèi)存數(shù)據(jù)庫及軟件設計出排隊模塊，以保證選課系統(tǒng)的正常運行。

1 選課系統(tǒng)的設計

選課系統(tǒng)由用戶管理模塊、課程管理模塊、學生選課模塊和排隊模塊構(gòu)成。

1.1 用戶管理模塊

用戶管理模塊的作用包含負責學生、管理員用戶的創(chuàng)建與維護，負責Web系統(tǒng)中所有用戶的登錄管理2個方面。管理員用戶由超級用戶來指定，學生用戶由管理員用戶創(chuàng)建維護。所有用戶登錄，都由該模塊進行登錄權(quán)限校驗。

1.2 課程管理模塊

課程管理模塊只是開發(fā)給管理員，由管理員進行課程的增刪改查。

1.3 學生選課模塊

學生選課包括以下功能：查詢當前所有課程的詳細情況，查詢指定課程的具體選擇情況，對指定一門課程進行選取，對自己所選課程進行增刪改查。

1.4 排隊模塊

排隊模塊用于解決在選課時由于大量學生同時發(fā)出選課請求造成系統(tǒng)癱瘓的問題。該模塊將用戶的每個請求放在一個隊列里面排隊，并給用戶返回一個估算的排隊時間。等到該用戶排到的時候，才進行真正的選課動作。

2 關(guān)鍵技術(shù)解決方案

一個Web站點的性能瓶頸大都是在用戶大量請求同時發(fā)出時產(chǎn)生的，大量的請求導致Web后臺工作繁忙，因此用戶發(fā)出請求的響應時間會大大延長。而用戶在感受到請求響應延遲過長時，往往會多次刷新頁面，重新發(fā)出請求，這樣一來，再一次增加Web服務器的壓力。這種壓力初期會造成響應過慢，而嚴重時會導致服務器宕機。Web服務器的壓力，實際就是CPU、網(wǎng)絡IO、內(nèi)存及硬盤IO的壓力。對于校園選課系統(tǒng)來講，由于其業(yè)務主要為對所選課程的增刪改查，并沒有大量的數(shù)據(jù)運算，對CPU的性能影響并不會太大，而一般情況下，Web系統(tǒng)的CPU都是處于欠飽和狀態(tài)。同時，由于校園網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)因素，千兆網(wǎng)卡及學生規(guī)模，網(wǎng)絡IO也不會很容易出現(xiàn)問題。但是由于選課業(yè)務會頻繁觸發(fā)，每一個請求實際上都是一次與數(shù)據(jù)庫的交互，進一步講就是磁盤的IO操作，磁盤IO實際上也往往是大多數(shù)應用場景的瓶頸所在。另外，每一次請求都會消耗內(nèi)存，大量的請求同時發(fā)出，內(nèi)存已經(jīng)不堪重負，而磁盤IO的瓶頸，所有處理被延時，導致內(nèi)存出現(xiàn)更大的壓力直至內(nèi)存溢出。因此，本文設計的系統(tǒng)主要解決以下2個問題。

2.1 大量的并發(fā)請求

大量的并發(fā)請求單機服務器本身并不能完全處理。對于選課系統(tǒng)的特殊性，每年只有2個選課峰值時段，其他時段并沒有多少流量，因此也沒有必要通過擴張硬件來解決。因此，通過設計一個軟件模塊來解決該問題是最好的方案。對于選課業(yè)務來講，本身業(yè)務請求的總量并不多，按照1萬個學生，每人10次PV（Page View）來算，總共是10萬次PV，請求總量并不大，但是這10萬次PV要是發(fā)生在1 min內(nèi)，每秒1 666次PV，對于單機服務器來講自然是一個很大的規(guī)模。但是考慮到將這些請求放在10 min內(nèi)完成，那么每秒166次PV，完全是可行的。因此，設計出排隊模塊，每個用戶發(fā)出請求后會返回之前排隊的請求個數(shù)及等待時間，排隊期間不允許刷新頁面，否則會重新排隊。這樣一來，把1 min的請求峰值平均到10 min或者更久來解決這類問題。

2.2 磁盤的IO

磁盤IO在高負荷下運作時，會導致數(shù)據(jù)庫的工作性能急劇下降。因此，考慮如何減少選課業(yè)務本身造成的數(shù)據(jù)庫讀寫，將是解決問題的關(guān)鍵。對于每一個學生來講，其所關(guān)心的就是可選的課程有哪些，每一門課程的老師是誰，以及當前選了多少人。實際上，對于每一個學生來講，在查看公共課程選取狀態(tài)時，在沒有人確定觸發(fā)選課前，每個人得到的結(jié)果都是一樣的，如果我們將這部分信息放在內(nèi)存中，不進行磁盤IO操作，那么必然會大大提高性能。另外，學生發(fā)出的請求主要是反復讀取課程數(shù)據(jù)及選課數(shù)據(jù)，并不會頻繁寫入，寫入操作我們交給關(guān)系型數(shù)據(jù)庫Mysql。我們引入Redis高性能內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，它是一個key-value存儲系統(tǒng)，我們設計每個課程名字作為key，課程選擇的結(jié)果作為value。用戶發(fā)出讀寫的請求都經(jīng)過Redis，并且由Redis自身的機制來保證線程安全。

3 仿真結(jié)果

本文設計的選課系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為Html+Tomcat+Servlet+ Mysql+Redis，運行在4核CPU、16G內(nèi)存的服務器上，用apache-ab工具來進行壓力測試，用命令ab-n 10000-c 300 http：//localhost/index.html，總共訪問http：//localhost/index.html這個頁面10 000次，300次并發(fā)同時執(zhí)行，請求通過率為98.2%.可見，本文提出的方法是可行并且有效的。

4 總結(jié)

本文設計了一個高校學生選課的Web系統(tǒng)，詳細分析了該系統(tǒng)當前存在的問題，并提出了通過排隊系統(tǒng)來解決單位時間內(nèi)大量請求可能出現(xiàn)的并發(fā)問題，通過延長請求處理周期，保證了服務器能夠正常、穩(wěn)定運行。同時，引入Redis緩存服務技術(shù)，用來減少磁盤的IO操作，從而大大縮減請求時間，提高了用戶體驗。通過仿真可見，該設計方案是十分有效的，并且這種通過增加軟件模塊，而不增加硬件設備成本的設計方案是非常值得推薦的。

［1］葉飛.Internet網(wǎng)絡選課系統(tǒng)設計與實現(xiàn)［J］.沈陽師范大學學報（自然科學版），2004，22（4）.

［2］宣華，王映雪.清華大學綜合教務系統(tǒng)在教務管理中的應用［J］.計算機工程與應用，2002，38（12）.

［3］李帥，黃克敏，楊義，等.高校學生選課系統(tǒng)的研究與設計［J］.電腦知識與技術(shù)，2017（9）.

［4］范會聯(lián)，張玉芳.基于JSF+Spring+Hibernate集成架構(gòu)的Web信息系統(tǒng)設計［J］.計算機技術(shù)與發(fā)展，2007，17（3）.

［5］潘旭武，陳啟華，張建勇.高校選課系統(tǒng)性能優(yōu)化研究［J］.中國教育信息化，2013（5）.

［6］文捷，吳慶杰，陳翼，等.復旦大學選課系統(tǒng)的性能優(yōu)化策略研究和實踐［J］.中山大學學報（自然科學版），2009，48（s1）.

〔編輯：劉曉芳〕

G647；TP311.52

：A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.16.127

2095－6835（2017）16－0127－02

許雯（1988—），女，陜西乾縣人，碩士，研究方向為計算機圖形學。