孔欽 葉長青 吳淳陽 姚斯源 王家輝

摘 要：Online Judge在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)作為提高學(xué)生基礎(chǔ)編程能力的重要途徑之一，在當(dāng)今十分強(qiáng)調(diào)編程能力的社會(huì)背景下顯得尤為重要。由于大一新生普遍存在編程能力不足的問題，在分析目前主流OJ平臺(tái)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了針對(duì)學(xué)校情況定制的OJ在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)，為程序設(shè)計(jì)賽事培訓(xùn)與課程實(shí)踐提供練習(xí)平臺(tái)。在詳細(xì)描述OJ平臺(tái)主要功能、技術(shù)架構(gòu)及具體實(shí)現(xiàn)方案的同時(shí)，也重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了對(duì)于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全性和并發(fā)性方面的優(yōu)化與創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：在線測(cè)評(píng);程序設(shè)計(jì);教學(xué)跟蹤

DOI： 10. 11907/rjdk.192263

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-7800（2020）001-0172-04

0 引言

在線評(píng)測(cè)（Online Judge，簡稱OJ）平臺(tái)是一個(gè)基于WWW的服務(wù)器端軟件系統(tǒng)，主要功能包括：用戶注冊(cè)與管理、題庫管理、在線提交與實(shí)時(shí)評(píng)測(cè)、網(wǎng)上考試、題目討論、郵件服務(wù)等[1]。早期的OJ平臺(tái)以競賽為目標(biāo)，能夠?qū)τ脩籼峤坏某绦蜻M(jìn)行“黑盒判定”并自動(dòng)生成判題結(jié)果。傳統(tǒng)Online Judge系統(tǒng)主要針對(duì)解題訓(xùn)練，并不針對(duì)課程教學(xué)輔助場(chǎng)景[2]。C語言是大學(xué)一年級(jí)學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)時(shí)廣泛使用的一種語言，通過學(xué)習(xí)C語言課程，學(xué)生不僅可以掌握該高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言的語法與語義，還可以掌握結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)“自頂向下、逐步求精”的思想及方法、常用算法及實(shí)現(xiàn)技術(shù)，以及分析與解決實(shí)際問題的語言應(yīng)用能力[3]。將Online Judge加入到日常教學(xué)中輔助教師授課，將會(huì)幫助學(xué)生更加容易地掌握C語言。因此，本校自主開發(fā)一個(gè)OJ平臺(tái)，不僅用于程序設(shè)計(jì)賽事培訓(xùn)，還可將其用于平時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過精心設(shè)置的多組測(cè)試用例反映出程序問題所在，方便教師及時(shí)找出漏洞（BUG）并作出解答，也便于學(xué)生課后復(fù)習(xí)與鞏固。在教學(xué)領(lǐng)域，OnlineJudge可以彌補(bǔ)人工評(píng)判的缺點(diǎn)，有效減輕教師負(fù)擔(dān)，使評(píng)測(cè)更加公平、合理，學(xué)生在課內(nèi)未完成的實(shí)驗(yàn)還可以利用系統(tǒng)在課外時(shí)間完成，從而使整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程得到延伸[4]。同時(shí)也能增強(qiáng)師生間的互動(dòng)交流，提高教學(xué)質(zhì)量，形成新的程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)模式。

Online Judge也為學(xué)生創(chuàng)造了一個(gè)模擬競賽環(huán)境的平臺(tái)。眾所周知，程序在線評(píng)測(cè)是ACM國際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競賽（ACM /ICPC）采用的訓(xùn)練與比賽評(píng)測(cè)方式[5]，ACM在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)是該項(xiàng)比賽的評(píng)判事務(wù)處理平臺(tái)，也是一個(gè)基于B/S結(jié)構(gòu)的多用戶在線系統(tǒng)，允許用戶在線提交自己的解題代碼，系統(tǒng)自動(dòng)編譯運(yùn)行給出裁判結(jié)果，并根據(jù)用戶解題數(shù)及用時(shí)進(jìn)行排名[6]。但剛接觸編程的學(xué)生能力不是很強(qiáng)，如果一開始就讓他們到各大學(xué)公網(wǎng)上的在線裁判系統(tǒng)上進(jìn)行練習(xí)，無疑會(huì)打擊其對(duì)編程的興趣及積極性，因此必須有一個(gè)循序漸進(jìn)、由淺入深的練習(xí)系統(tǒng)[7]。

1 研究背景

1.1 主流OJ介紹

國內(nèi)著名題庫有北京大學(xué)題庫、浙江大學(xué)題庫、電子科技大學(xué)題庫、杭州電子科技大學(xué)題庫等，國外題庫包括烏拉爾大學(xué)題庫、瓦拉杜利德大學(xué)題庫等[8]，以下舉例分析一些現(xiàn)有的知名Online Judge。

（1）POJ。POJ是北京大學(xué)ACM/ICPC在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)（ Peking University Judge Online for AC M/ICPC）的簡稱，也是許多ACMer最開始使用的OJ平臺(tái)。POJ以題目優(yōu)質(zhì)著稱，幾乎涵蓋了編程學(xué)習(xí)的各類經(jīng)典算法。北大為該系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供了硬件與網(wǎng)絡(luò)資源保障，所以其可以全天不間斷地為全球程序愛好者提供服務(wù)[9]。

（2）ZOJ。ZOJ是浙江大學(xué)在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)（Zhejiang Uni-versity Online Judge）的簡稱，是國內(nèi)最早也是最知名的OJ，有很多高手在上面練習(xí)。特點(diǎn)是數(shù)據(jù)比較刁鉆，經(jīng)常會(huì)有意想不到的邊界數(shù)據(jù)，十分考驗(yàn)答題人思維的全面性[10]。ZOJ相較于POJ，在首頁上有一個(gè)News項(xiàng)目，可以看到ZOJ的最新動(dòng)向。ZOJ非常簡潔、直觀，同時(shí)其前端界面也比POJ更加整齊、美觀。

（3）hihoCoder。相較于以上兩個(gè)OJ平臺(tái)，hihoCoder能提供更好的用戶體驗(yàn)。其有著最佳界面，并支持多種登錄方式。其宣傳語是“通過高水平的程序設(shè)計(jì)比賽提升編程水平，得到名企Offer”，這句話體現(xiàn)了OJ平臺(tái)的核心思想。hihoCoder主頁正下方即展示了3個(gè)正在進(jìn)行或?qū)⒁M(jìn)行的程序設(shè)計(jì)比賽，這些比賽都是由名校或名企舉辦的。平臺(tái)所有題目都以中文形式呈現(xiàn)，并且給出算法使用提示，還注明了難度，讓用戶能夠更加靈活地使用題庫。它還有欄目“hiho -下”，可推送“每日一題”，讓編程成為hihoCoder用戶的生活習(xí)慣。hihoCoder擁有自己的討論社區(qū)，讓用戶能在社區(qū)里相互交流、探討。因此，該平臺(tái)功能十分強(qiáng)大，而且為用戶考慮得非常全面。

1.2 0J平臺(tái)功能分析

本校的Online Judge平臺(tái)設(shè)計(jì)目的主要有兩點(diǎn)：一是為學(xué)校提供一個(gè)獨(dú)立的擁有龐大題庫的在線測(cè)試平臺(tái)以輔助教學(xué)實(shí)踐與賽事培訓(xùn)，以學(xué)生為中心，幫助學(xué)生樹立“算法”思想[11]。用戶瀏覽網(wǎng)頁選擇題目，通過網(wǎng)頁提交代碼，由服務(wù)器端調(diào)用編譯程序?qū)τ脩籼峤坏某绦蜻M(jìn)行編譯，然后由評(píng)測(cè)程序進(jìn)行評(píng)判，并返回相應(yīng)結(jié)果到網(wǎng)頁上供用戶查看[12];二是因?yàn)閭鹘y(tǒng)采用實(shí)驗(yàn)室FTP客戶端提交作業(yè)的方式，效率十分低下，且不利于學(xué)生利用課外時(shí)間練習(xí)，以及學(xué)生與教師之間的交流，影響了教學(xué)效果，因此通過搭建一個(gè)在線測(cè)試平臺(tái)以實(shí)現(xiàn)教師對(duì)學(xué)生練習(xí)情況的跟蹤監(jiān)督。

通過實(shí)現(xiàn)以上兩個(gè)核心功能可達(dá)到以下目的：①計(jì)算機(jī)類競賽訓(xùn)練。為藍(lán)橋杯、ACM等程序設(shè)計(jì)競賽提供一個(gè)訓(xùn)練平臺(tái)，通過提供一個(gè)完善且龐大的題庫，讓學(xué)生可通過該平臺(tái)不斷鍛煉自己的答題水平，提升競賽能力，為將來在競賽中取得優(yōu)異成績打下良好基礎(chǔ);②教學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試。為教學(xué)實(shí)驗(yàn)課提供一個(gè)功能齊全的實(shí)踐平臺(tái)，由教師提供課程需要的實(shí)驗(yàn)題目，系統(tǒng)即可快速制作一個(gè)實(shí)驗(yàn)題庫。教師能夠根據(jù)自己所教科目創(chuàng)建每次實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容，并按照不同難度設(shè)置每章節(jié)題目。該方式解決了目前學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課上只能通過FTP下載作業(yè)要求、上傳程序，教師也無法直接查看結(jié)果等諸多問題。

從程序設(shè)計(jì)跟蹤的角度，教師可通過系統(tǒng)查看最近幾日每日總體數(shù)據(jù)，包括學(xué)生總共提交次數(shù)、競賽題庫完成度、整個(gè)班或年級(jí)實(shí)驗(yàn)完成情況等，避免了課程設(shè)計(jì)中代碼量較大，導(dǎo)致教師檢查代碼工作量大的問題[13]。學(xué)生用戶可通過個(gè)人中心查看自己答題信息與打卡進(jìn)展，包括每個(gè)實(shí)驗(yàn)、章節(jié)及每道題完成情況、通過數(shù)、正確率等重要指標(biāo)信息。

從教學(xué)管理的角度，本系統(tǒng)可便于教師布置作業(yè)、管理實(shí)驗(yàn)進(jìn)度、控制教學(xué)進(jìn)度、監(jiān)督學(xué)生完成情況等。教師布置作業(yè)時(shí)可以設(shè)置截止時(shí)間，學(xué)生需要在截止時(shí)間之前完成，即使提交了作業(yè)，學(xué)生依然可以繼續(xù)復(fù)習(xí)作業(yè)中的題目并鞏固相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。在講授課程時(shí)可以與本系統(tǒng)結(jié)合進(jìn)行授課，例如教授C、C++、JAVA和C#等課程的教師可利用系統(tǒng)進(jìn)行課堂在線程序的編寫，并利用系統(tǒng)的在線評(píng)分功能，及時(shí)展示出編程過程中可能存在的編譯錯(cuò)誤及程序運(yùn)行中的常見問題，為學(xué)生深入理解程序設(shè)計(jì)思想提供了一個(gè)更加直觀的平臺(tái)[14]。我校OJ平臺(tái)功能模塊如圖1所示。

2 0J平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方案

2.1 網(wǎng)站設(shè)計(jì)

Online Judge是一種基于B/S結(jié)構(gòu)的多用戶在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)，允許用戶在線提交解題代碼，系統(tǒng)自動(dòng)編譯運(yùn)行并給出評(píng)測(cè)結(jié)果[15]。網(wǎng)站采用Vue+Spring Boot+MySQL框架進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。Vue和Spring Boot是當(dāng)前主流的前后端框架，其中Vue是一套用于構(gòu)建用戶界面的漸進(jìn)式框架，采用自底向上增量開發(fā)的設(shè)計(jì)方式，是一種更加靈活的解決方案，構(gòu)架更加簡單，適合開發(fā)人員快速掌握其全部特性并投入使用，還便于與第三方庫或既有項(xiàng)目整合[16]，因此將其作為一個(gè)前端項(xiàng)目，與后臺(tái)邏輯分開部署，只需請(qǐng)求相應(yīng)接口即可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)功能;使用undertow代替tomcat作為Web服務(wù)器，undertow與tomcat相比，并發(fā)狀態(tài)下差別不是很大，然而undertow負(fù)載能力明顯高于tomcat，擁有更高的吞吐量，同時(shí)結(jié)合ngmx技術(shù)實(shí)現(xiàn)反向代理與負(fù)載均衡;采用Linux作為服務(wù)器，提升系統(tǒng)的可操作性和可維護(hù)性。

2.2 判題核心

判題主程序是判題系統(tǒng)的核心子程序，其主要功能是負(fù)責(zé)接受與分派判題請(qǐng)求[17]，實(shí)現(xiàn)機(jī)制是使用Linux系統(tǒng)自帶的gcc和g++進(jìn)行編譯運(yùn)行，通過C語言執(zhí)行g(shù)cc、g++編譯命令，并將輸入的可執(zhí)行文件放到指定目錄下。C語言的MySQL庫函數(shù)可以直接對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行修改，實(shí)時(shí)改變數(shù)據(jù)庫狀態(tài)。

2.2.1 編譯部分

對(duì)于C程序，完整的調(diào)用類似system（”/usr/bin/geclOOO.e -0 1000 -ansi -Wall -Wextra Im 2>/tmp/oj_ gcc_err.txt”），使用的gcc選項(xiàng)如表1所示[18]。

2.2.2 執(zhí)行部分

為了解決學(xué)生在最初學(xué)習(xí)時(shí)會(huì)導(dǎo)致代碼進(jìn)入死循環(huán)，以及有人惡意上傳危害服務(wù)器系統(tǒng)的代碼等問題，保證服務(wù)器的安全性，使判題系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，本文采用當(dāng)今比較流行的Docker技術(shù)。

Docker是一個(gè)開源的應(yīng)用容器引擎，讓開發(fā)者可以打包其應(yīng)用及依賴包到一個(gè)可移植的容器中，然后發(fā)布到任何流行的Linux機(jī)器上，也可以實(shí)現(xiàn)虛擬化。容器完全使用沙箱機(jī)制，相互之間不會(huì)有任何接口。

在環(huán)境搭建時(shí)，通過Dockerfile創(chuàng)建出適用于判題的Docker鏡像，可以自由地在Dockerfile中寫入安裝命令，方便以后針對(duì)其它語言進(jìn)行判題。首先，在服務(wù)器上安裝gcc、g++、Java運(yùn)行環(huán)境，在程序運(yùn)行前先啟動(dòng)一個(gè)容器，并將實(shí)際文件路徑映射到docker容器的虛擬路徑中，運(yùn)行預(yù)先執(zhí)行的命令，緊接著在“沙箱”中執(zhí)行程序，最后將代碼輸出結(jié)果與測(cè)試結(jié)果相比較，即能獲得最后結(jié)果。

docker容器用完即銷毀，因而能完美地規(guī)避掉上面所提到的風(fēng)險(xiǎn)。倘若出現(xiàn)死循環(huán)的情況，則容器在運(yùn)行一定時(shí)間后會(huì)因檢測(cè)到異常而自動(dòng)關(guān)閉。對(duì)系統(tǒng)具有破壞性的代碼只會(huì)導(dǎo)致容器異常，而不會(huì)使服務(wù)器無法正常工作。

Docker命令：啟動(dòng)一個(gè)名為OJ的容器將本機(jī)/root/Test文件夾下的內(nèi)容映射到容器中的/Test下，執(zhí)行一c之后的命令：

docker

run --rm --cap-add=SYS_PTRACE -u

oj -v/root/Test： /Test oj /bin/sh -e“cd /Test./a.out$1$2 $3 $4 $5 $6”

在進(jìn)行判題時(shí)，首先通過pid（）創(chuàng)建一個(gè)子線程，判題前需要對(duì)線程進(jìn)行資源限制，以防止該線程出現(xiàn)。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1.while（1）的死循環(huán)

2.不停地malloc分配內(nèi)存，占用地址空間

3.不停地創(chuàng)建子線程

通過int setrlimit（ int resource，const struct rlimit *rlim）;函數(shù)限定時(shí)間和空間

struct rlimit{

rlim_t rlim—cur; /*軟限制，當(dāng)前限制*/

rlim_t rlim—max; /*硬限制，最大限制*/

};

通過判題，會(huì)根據(jù)判題結(jié)果返回不同信息，若通過則返回“通過”，若不通過，則會(huì)返回錯(cuò)誤信息如“答案錯(cuò)誤”、“編譯錯(cuò)誤”、“超時(shí)”等。其中若存在編譯錯(cuò)誤，返回信息中還會(huì)加入控制臺(tái)輸出的具體錯(cuò)誤信息。判題流程如圖2所示。

兩個(gè)函數(shù)的resource參數(shù)取下列值之一：

RLIMIT AS

進(jìn)程可用存儲(chǔ)區(qū)的最大總長度（字節(jié)）

RLIMIT CORE

core文件最大字節(jié)數(shù)

RLIMIT CPU

CPU時(shí)間最大量值（s）

RLIMIT DATA

數(shù)據(jù)段最大字節(jié)長度

RLIMIT FSIZE

可以創(chuàng)建的文件最大字節(jié)長度

RLIMIT LOCKS

一個(gè)進(jìn)程可持有的文件鎖最大數(shù)

RLIMIT MEMLOCK -個(gè)進(jìn)程使用mlock（2）能夠鎖定在存

儲(chǔ)器中的最大字節(jié)長度

RLIMIT NOFILE 每個(gè)進(jìn)程能打開的最大文件數(shù)

RLIMIT NPROC

每個(gè)實(shí)際用戶ID可擁有的最大子進(jìn)

程數(shù)

RLIMIT RSS

最大駐內(nèi)存集的字節(jié)長度（resident set

size in bytes，RSS）

RLIMITSBSIZE

用戶在任一給定時(shí)刻可占用的套接字

緩沖區(qū)最大長度（字節(jié)）

RLIMIT_STACK

棧的最大字節(jié)長度

RLIMIT_VMEM

RLIMIT—AS的同義詞（Linux 2.4.22不

支持）

3 主要模塊介紹

3.1 學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)K

學(xué)生在課堂練習(xí)模塊（見圖3）中選擇課程后，可看到課程每個(gè)實(shí)驗(yàn)完成情況和總體完成率。每個(gè)實(shí)驗(yàn)作為一組，展示每個(gè)實(shí)驗(yàn)截止日期以及該組中題目名稱，點(diǎn)擊題目即可進(jìn)入答題界面。如果一個(gè)實(shí)驗(yàn)所有題目都已完成，在頂部顯示完成標(biāo)志，沒有完成則顯示未完成。

3.2 答題模塊

點(diǎn)擊題目名稱進(jìn)入答題模塊，界面顯示題目難度及題目信息。提交答案之后，系統(tǒng)返回程序運(yùn)行需要的時(shí)間與內(nèi)存空間，以及程序編譯、運(yùn)行結(jié)果（見圖4），以便學(xué)生針對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行修改。

4 網(wǎng)站優(yōu)化

為了能夠在低成本條件下提供更加強(qiáng)大的性能，除之前提到的更換服務(wù)器外，還可以對(duì)Java啟動(dòng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，更改JVM內(nèi)存空間與堆的大小，使程序能夠承受更大壓力。因?yàn)閐ocker內(nèi)存消耗略大，可以將主要判題業(yè)務(wù)從后臺(tái)項(xiàng)目中剝離出來，部署在另一臺(tái)服務(wù)器上，形成分布式架構(gòu)。

Spring Cloud是基于Spring Boot推出的一系列框架、組件的有序集合，簡化了分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)[19]。通過Eureka注冊(cè)中心，將主要業(yè)務(wù)與其它業(yè)務(wù)一起注冊(cè)。使用Spring Cloud可以直接調(diào)用另一臺(tái)服務(wù)器的服務(wù)，相比之前都部署在一臺(tái)服務(wù)器上，可以大大減小服務(wù)器壓力。

5 結(jié)語

Online Judge系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生在程序設(shè)計(jì)初期的訓(xùn)練平臺(tái)，有著十分重要的意義。本文在調(diào)研主流OJ平臺(tái)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)描述了本校OJ平臺(tái)的功能模塊、技術(shù)架構(gòu)及實(shí)現(xiàn)方案。在具體實(shí)現(xiàn)上，采用Vue+Spring Boot+MySQL流行框架，并借助undertow Web服務(wù)器的優(yōu)越性與docker容器運(yùn)行的安全性，有效提升了系統(tǒng)性能。未來可在其基礎(chǔ)上進(jìn)一步添加競賽比拼、積分激勵(lì)等新功能，再與課程教學(xué)緊密結(jié)合，注重提升學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與創(chuàng)新性，鍛煉其編程能力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率[20]。同時(shí)還可在賽事培訓(xùn)、課程跟蹤、教學(xué)反饋、教學(xué)分析等若干教學(xué)管理環(huán)節(jié)中發(fā)揮更大作用，提高教學(xué)質(zhì)量，形成程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)閉環(huán)，以期為社會(huì)培養(yǎng)更多高質(zhì)量的計(jì)算機(jī)專業(yè)應(yīng)用型人才。

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（責(zé)任編輯：黃健）

基金項(xiàng)目：全國高等院校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育研究會(huì)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)研究與改革項(xiàng)目（AFCEC-2016-18）;南京大學(xué)金陵學(xué)院校級(jí)教改項(xiàng)目（ 0010521816）

作者簡介：孔欽（1983-），女，碩士，南京大學(xué)金陵學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院講師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用、數(shù)據(jù)分析。