何文廣, 周 珂, 熊剛強(qiáng), 王耀民

(廣東醫(yī)科大學(xué) 信息工程學(xué)院,廣東 湛江 524023)

VB.NET程序設(shè)計(jì)題動態(tài)評閱技術(shù)研究

何文廣, 周 珂, 熊剛強(qiáng), 王耀民

(廣東醫(yī)科大學(xué) 信息工程學(xué)院,廣東 湛江 524023)

程序設(shè)計(jì)題的自動評閱能有效地輔助教師靈活開展實(shí)驗(yàn)教學(xué),進(jìn)而提升教學(xué)質(zhì)量。針對傳統(tǒng)動態(tài)評閱方法在處理人機(jī)交互和獲取控件句柄方面存在的不足，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種基于代碼預(yù)處理和代碼嵌入式的新型動態(tài)評閱方法。該方法包含代碼預(yù)處理、代碼嵌入、編譯運(yùn)行和結(jié)果評閱等4個環(huán)節(jié)，首先在代碼預(yù)處理環(huán)節(jié)對學(xué)生程序進(jìn)行功能替換，然后通過植入輔助代碼和功能測試代碼驅(qū)動程序運(yùn)行并產(chǎn)生結(jié)果數(shù)據(jù)，最后根據(jù)保存在臨時文件中的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行評定。實(shí)施結(jié)果表明,該方法很好地實(shí)現(xiàn)了程序的功能檢測，能準(zhǔn)確識別和處理編譯失敗以及運(yùn)行出錯或超時等問題，體現(xiàn)出良好的健壯性和正確性。

程序設(shè)計(jì); 動態(tài)評閱; 代碼預(yù)處理; 代碼嵌入功能檢測

0 引 言

程序設(shè)計(jì)是國內(nèi)高等院校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心課程，其教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生使用計(jì)算機(jī)分析問題和解決問題的思維能力。在日常教學(xué)和考核中，程序設(shè)計(jì)題是必不可少的[1]，其求解過程囊括了問題分析、模型構(gòu)造、算法設(shè)計(jì)和編碼調(diào)試等環(huán)節(jié)，對強(qiáng)化訓(xùn)練學(xué)生的計(jì)算思維具有重要意義。然而，作為一種主觀題型，程序設(shè)計(jì)題的評閱往往只能由教師人工閱卷完成，這不僅不利于減輕教師工作壓力，并且無法形成快速的反饋，嚴(yán)重影響教學(xué)質(zhì)量的提升。

1 自動評閱分析

程序設(shè)計(jì)題的自動評閱方法主要分靜態(tài)評閱和動態(tài)評閱。靜態(tài)評閱通過各種匹配方法將源程序與模板程序進(jìn)行相似度匹配得出評分[2]。因此，靜態(tài)評閱的準(zhǔn)確率完全依賴于模板程序的完備程度，常見方法主要有語義相似度匹配[3-6]和得分點(diǎn)匹配[7-9]。動態(tài)評閱則完全不依賴模板程序，它直接編譯和運(yùn)行程序，然后根據(jù)程序運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行評分。目前，主流的解決方案是結(jié)合動、靜態(tài)評閱[10-15]，即借助動態(tài)評閱忽略程序代碼的各異性；只有在程序編譯失敗或運(yùn)行出錯時，才通過靜態(tài)評閱對關(guān)鍵知識點(diǎn)進(jìn)行匹配產(chǎn)生得分補(bǔ)充，最終實(shí)現(xiàn)近似于人工閱卷的效果。

已有動態(tài)評閱方法主要利用了Windows消息機(jī)制[12-15]，其原理可描述如下：首先，借助VB集成開發(fā)環(huán)境打開學(xué)生程序，然后模擬啟動按鈕F5[14]編譯和運(yùn)行學(xué)生程序；其次，獲取程序子窗口句柄，并進(jìn)一步獲取窗體中所有控件的句柄[15]；最后，借助各句柄發(fā)送一系列Windows消息，模擬事件的發(fā)生驅(qū)動程序運(yùn)行并獲取程序運(yùn)行結(jié)果。上述方法的不足之處主要在于難以預(yù)先獲取所有控件的句柄，尤其是動態(tài)生成的控件。本文通過代碼預(yù)處理和代碼嵌入的方法得到了新的動態(tài)評閱實(shí)現(xiàn)方案。

2 新型動態(tài)評閱

新的動態(tài)評閱方法可劃分為代碼預(yù)處理、代碼嵌入、編譯運(yùn)行和結(jié)果評閱四大部分，其工作流程如圖1所示。

圖1 動態(tài)評閱流程

2.1 代碼預(yù)處理

代碼預(yù)處理的目的是處理人機(jī)交互行為以及程序自動行為，確保處理后的學(xué)生程序能被正確引導(dǎo)完成自動化功能測試。

常規(guī)人機(jī)交互包括輸入、輸出和選擇交互，對應(yīng)VB.NET的InputBox函數(shù)、MsgBox函數(shù)和MessageBox對話框。在確保不改變程序正確性或錯誤性的前提下，本文采用了正則表達(dá)式匹配替換的方法，用常量或全局變量實(shí)現(xiàn)功能替代。例如，下述代碼實(shí)現(xiàn)了圖2所示的輸入功能替換。

pat="(For )([wW]+?)( =[wW]+?To[wW]+?=[wW]+?)InputBox([wW]+?)([wW]+?Next)"

(a) 替換前 (b) 替換后

圖2 InputBox輸入替換

rep = "123"&"{4, 5, 6, 1}(2)"&"4"

Fvb= Regex.Replace(Fvb, pat, rep)

類似地，圖3和圖4顯示了使用全局變量實(shí)現(xiàn)輸出功能替換和選擇功能替換的結(jié)果。在圖3中，MsgBox函數(shù)的輸出將轉(zhuǎn)向存儲到全局變量glo。圖4中全局變量glo則替代了人工選擇，進(jìn)而通過改變glo的值來模擬不同的選擇。

(a) 替換前 (b) 替換后

圖3 MsgBox輸出替換

(a) 替換前 (b) 替換后

圖4 MsgBox選擇交互替換

程序自動行為主要是指計(jì)時器Timer。計(jì)時器能按某頻率反復(fù)觸發(fā)Tick事件，過程耗時較長不利于控制。為了模擬計(jì)時器行為，本文采用正則表達(dá)式匹配替換的方法識別、替代計(jì)時器啟動和停止行為，然后人工反復(fù)觸發(fā)Tick事件。后續(xù)“案例分析”小節(jié)將給出具體實(shí)現(xiàn)案例。

2.2 代碼嵌入

代碼嵌入是指在程序源代碼的指定位置插入自定義的代碼段，以實(shí)現(xiàn)以下目的：植入功能輔助代碼、植入功能測試代碼、驅(qū)動程序運(yùn)行、記錄程序運(yùn)行結(jié)果以及發(fā)送通知消息。

功能輔助代碼為動態(tài)評閱提供支持，包括聲明輔助全局變量、聲明Windows API函數(shù)、聲明閱卷程序主窗口句柄變量和導(dǎo)入命名空間。其中，Windows API函數(shù)主要指PostMessage函數(shù)，它用于支持學(xué)生程序運(yùn)行結(jié)束后向閱卷程序發(fā)生通知消息；此外，學(xué)生程序向閱卷程序發(fā)生通知消息還依賴閱卷程序主窗口句柄，因此需要聲明一個全局變量并寫入閱卷程序主窗口句柄；命名空間主要指System.IO，用于支持將程序運(yùn)行結(jié)果保存到指定臨時文件。

廣義的功能測試代碼包括程序驅(qū)動代碼，是驗(yàn)證學(xué)生程序正確性的關(guān)鍵代碼。本文將功能測試代碼嵌入到Form1_Load事件過程的最后，以確保程序在內(nèi)存中加載完成后自動執(zhí)行功能測試代碼。嵌入前如果檢測到學(xué)生程序尚未存在Form1_Load事件過程，則先嵌入Form1_Load事件過程，然后在其中嵌入功能測試代碼。

本文將學(xué)生程序運(yùn)行過程中的重要數(shù)據(jù)保存到臨時文件中，以作為程序運(yùn)行的結(jié)果。數(shù)據(jù)主要來自各控件和輔助全局變量，數(shù)據(jù)記錄使用了StreamWriter類將結(jié)果數(shù)據(jù)寫入指定臨時文件。寫入前如果檢查到文件已存在，則先刪除文件，然后重新建立文件并寫入。

完成所有功能測試和記錄運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)后，學(xué)生程序必須主動向閱卷程序發(fā)送消息，通知程序運(yùn)行結(jié)束。因此，最后嵌入一條發(fā)送消息的命令語句。

2.3 編譯和運(yùn)行

在依次經(jīng)歷代碼預(yù)處理和代碼嵌入之后，閱卷程序?qū)㈤_始編譯和運(yùn)行學(xué)生程序，以獲得運(yùn)行結(jié)果。因此，必須確保學(xué)生程序在功能測試代碼的引導(dǎo)下自動完成所有測試，并準(zhǔn)確處理學(xué)生程序語法錯誤、運(yùn)行出錯或超時等問題。

VB.NET集成開發(fā)環(huán)境(IDE)提供了從命令行編譯并運(yùn)行項(xiàng)目或解決方案的命令：Devenv，并且配合使用命令行開關(guān)/Runexit可以實(shí)現(xiàn)在編譯時最小化IDE，編譯完成后自動關(guān)閉IDE。本文使用的IDE為Visual Studio2010，在該環(huán)境下編譯命令為“Devenv project.sln /Runexit”。同時，為了更好地實(shí)現(xiàn)對學(xué)生程序的控制，本文結(jié)合使用了Process類來實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的訪問和控制，實(shí)現(xiàn)代碼如下：

Dim p As New Process()

p.StartInfo.FileName = "devenv.exe"

p.StartInfo.Arguments = "project.sln /RunExit"

p.Start()

在編譯完成之前，上述Process對象p指向IDE，編譯通過后IDE自動關(guān)閉，p指向?qū)W生程序。在編譯過程中，語法錯誤往往導(dǎo)致編譯失敗，而通過編譯的程序則會在內(nèi)存中加載。因此，可通過使用FindWindow方法查找學(xué)生程序進(jìn)程進(jìn)行編譯失敗或成功判斷。首先，在調(diào)用p.Start()方法的同時創(chuàng)建一個監(jiān)測子線程，在子線程內(nèi)實(shí)施不間斷查找。如果在限定時間內(nèi)查找成功，則判定編譯通過并隱藏學(xué)生程序界面，然后開始新的計(jì)時用于判斷程序運(yùn)行是否失敗。如果編譯失敗，則調(diào)用p.Kill()殺死進(jìn)程。

運(yùn)行超時和運(yùn)行時出錯都可歸結(jié)為運(yùn)行失敗，常見的如死循環(huán)會引起運(yùn)行超時，數(shù)組下標(biāo)越界會引起運(yùn)行時出錯。本文以是否接收到來自學(xué)生程序的通知消息作為判斷依據(jù)。監(jiān)測子線程如果在限定時間內(nèi)接收到通知消息，則判定運(yùn)行成功，否則為失敗。最后，調(diào)用p.Kill()殺死進(jìn)程。

3 案例分析

為了更直觀地理解動態(tài)評閱的原理，這里選取一道題目做進(jìn)一步分析講解。題目要求為：單擊“啟動”按鈕，按鈕標(biāo)題變?yōu)椤巴Ｖ埂?，同時Label1的字體顏色開始循環(huán)變換：紅、綠、藍(lán)、黃、橙、紫、黑、紅、綠、…。單擊“停止”按鈕，按鈕標(biāo)題變?yōu)椤皢印?，同時Label1的字體顏色停止變換。

圖5對比了原程序以及處理后的程序，處理過程包括代碼預(yù)處理和代碼嵌入。首先在預(yù)處理環(huán)節(jié)，借助全局變量glo替換了計(jì)時器Time1的啟動和停止功能。然后在代碼嵌入環(huán)節(jié)，嵌入了4行輔助代碼，依次是命名空間System.IO、全局變量glo、閱卷程序主窗口句柄以及PostMessage函數(shù)。最后嵌入Form1_Load事件過程和相關(guān)功能測試代碼。如此，一旦處理后的程序被編譯并運(yùn)行，系統(tǒng)將會自動新建臨時文件，然后一邊執(zhí)行功能測試代碼一邊記錄結(jié)果數(shù)據(jù)。

圖5 原程序與處理后的程序?qū)Ρ?/p>

圖6給出了學(xué)生程序運(yùn)行結(jié)束后臨時文件D: est esult.txt中的內(nèi)容，這是進(jìn)行結(jié)果評閱的唯一依據(jù)。按照功能測試代碼的設(shè)計(jì)，首行輸出“start”表示學(xué)生程序能正確啟動計(jì)時器，第二行輸出“停止啟動”表示學(xué)生程序能正確修改按鈕標(biāo)題，第三行輸出“stop”表示學(xué)生程序能正確停止計(jì)時器，最后一行用于判斷能否正確循環(huán)變換字體顏色。

圖6 學(xué)生程序運(yùn)行結(jié)果

4 結(jié) 語

動態(tài)評閱是程序設(shè)計(jì)題自動評閱中的關(guān)鍵技術(shù)，其特點(diǎn)在于能準(zhǔn)確反映學(xué)生程序是否達(dá)到指定的功能要求，不依賴模板程序且完全忽略程序代碼的各異性。本文通過結(jié)合代碼預(yù)處理和代碼嵌入，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了全“代碼化”的新型動態(tài)評閱方法，進(jìn)一步擴(kuò)展了動態(tài)評閱的適用題型范圍，有利于改進(jìn)日常教學(xué)和考核。

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ResearchontheDynamicMarkingTechnologyforVB.NETProgram

HEWenguang,ZHOUKe,XIONGGangqiang,WANGYaomin

(School of Information Engineering, Guangdong Medical University, Zhanjiang 524023, Guangdong, China)

Automatic marking for VB.NET program is of great significance to liberate teachers’ working and improve teaching quality. To overcome the deficiency of conventional dynamic marking in processing interaction and acquiring control’s window handle, a novel method based on code preprocessing and code embedding is designed and implemented in this paper. Four parts including code preprocessing, code embedding, compiling and running, result reviewing constitute this method. Firstly, function replacement is fulfilled on student’s program during the code preprocessing. Then auxiliary code and function testing code are embedded to run and output result data. Finally, the program is evaluated by the resulting data from temporary file. Practical results indicate that the function detection for specified program can be well achieved by this method. Moreover, it can accurately identify and deal with problems such as compiling failure, runtime error, timeout and so on. This shows that the proposed method is robust and accurate.

program design; dynamic marking; code preprocessing; code embedding function detection

TP 391

A

1006-7167(2017)11-0122-04

2017-02-15

廣東省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目(粵教高函[2016]260)；2015年度廣東醫(yī)科大學(xué)教育教學(xué)研究課題(201530)

何文廣(1984-)，男，廣東湛江人，碩士，講師，主要研究方向：圖形圖像處理。

Tel.:18718807350; E-mail:56207403@qq.com