亓雪冬

(中國石油大學(xué)(華東),信息化建設(shè)處，山東,青島 266580)

0 引言

程序設(shè)計類課程是大學(xué)通識類教育課程中的重要組成部分，課程特點(diǎn)是理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，上機(jī)編程練習(xí)對理解和消化課程內(nèi)容非常關(guān)鍵，同時為了更好地檢驗學(xué)生的實(shí)際編程能力，程序設(shè)計類課程的考試環(huán)節(jié)中采用上機(jī)考試形式已成為趨勢[1]。上機(jī)練習(xí)或考試均需要以程序自動評測系統(tǒng)作為支撐，目前常見的系統(tǒng)有Moodle和OJ。Moodle是一個課程管理系統(tǒng)，最初由澳大利亞教師Martin Dougiamas開發(fā)，初期不具有程序評測功能，后作為一個插件加入[2-3]。OJ是Online Judge系統(tǒng)的統(tǒng)稱，主要用于程序競賽時對程序進(jìn)行評測，國內(nèi)比較有影響力的主要有北京大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)的OJ系統(tǒng)[4]。

Moodle和OJ的程序評測原理基本類似，通過操作系統(tǒng)的輸入輸出重定向捕獲控制臺程序(也被稱為命令行程序)的輸入輸出，適合于對C、C++和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等程序算法類課程進(jìn)行自動評測[5-7]。然而在C#程序設(shè)計課程中，程序的表現(xiàn)形式主要以GUI(Graphic User Interface，圖形用戶界面)程序為主，Moodle和OJ均不能對該類程序進(jìn)行評測。此外Moodle和OJ均采用服務(wù)器集中評測架構(gòu)，易導(dǎo)致服務(wù)器負(fù)載過重，無法支撐大規(guī)模(1 000人以上)用戶同時使用。本研究以C#程序的自動評測為背景，研究了可支持大規(guī)模用戶的分散式程序評測架構(gòu)，分析GUI程序與控制臺程序的區(qū)別，提出針對GUI程序的管控模式評測方案，并討論評測過程中的關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)。

1 分散式程序評測架構(gòu)

在程序評測系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計上，Moodle和OJ都采用服務(wù)器集中評測架構(gòu)，如圖1(a)所示。這種架構(gòu)中，服務(wù)器通常由Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和程序評測服務(wù)器等部件組成，客戶端(學(xué)生機(jī)端)僅需安裝瀏覽器。這種架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是客戶端部署簡便，無須安裝專用的軟件,缺點(diǎn)是學(xué)生端僅充當(dāng)程序的編寫工具，而所有學(xué)生程序的編譯和評測均需在服務(wù)器端完成，服務(wù)器端負(fù)載壓力聚集易出現(xiàn)資源瓶頸。

(a)服務(wù)器端集中式評測架構(gòu)

為了分散負(fù)載壓力，支持大規(guī)模用戶量下的程序評測，調(diào)整了學(xué)生機(jī)和服務(wù)器的負(fù)載分配，提出了學(xué)生端分散式評測架構(gòu)，如圖1(b)所示。新的架構(gòu)中，服務(wù)器端程序評測服務(wù)器被移除，程序的編寫、編譯和評測等工作均在學(xué)生機(jī)中完成，僅需將評測結(jié)果發(fā)布到服務(wù)器保存，這使得所有學(xué)生機(jī)均分了原服務(wù)器中的程序評測工作量，分散了負(fù)載壓力，解除了資源瓶頸，提高了系統(tǒng)用戶承載規(guī)模。

2 GUI程序管控運(yùn)行評測方案

控制臺程序的特點(diǎn)是使用標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出流與操作系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。借助這個特點(diǎn)，使用操作系統(tǒng)輸入輸出重定向功能，將輸入輸出流對接到外部文件，在不干擾程序正常運(yùn)行的情況下，對比程序?qū)嶋H輸出和預(yù)設(shè)輸出，即可完成程序評測。

GUI程序具有圖形用戶界面，不使用標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出流而是通過界面元素(如文本框、按鈕等)與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，采用事件機(jī)制驅(qū)動程序執(zhí)行，與控制臺程序有本質(zhì)區(qū)別，因此原控制臺程序的評測方案對GUI程序并不適用。

在深入分析GUI程序運(yùn)行特點(diǎn)基礎(chǔ)上，提出基于管控模式的程序評測方案，如圖2所示。這種方案中，管控模塊和待評測的GUI窗體模塊組合為單一程序，管控模塊是自動評測的核心，管理和控制整個評測過程。評測過程由5個步驟組成：①程序啟動后首先執(zhí)行管控模塊，再由管控模塊引導(dǎo)啟動待評測的GUI窗體；②管控模塊根據(jù)評測用例將輸入數(shù)據(jù)填充到控件中；③管控模塊執(zhí)行控件的事件委托，實(shí)際效果相當(dāng)于觸發(fā)控件相關(guān)事件；④管控模塊讀取控件輸出數(shù)據(jù)并與預(yù)設(shè)的觸發(fā)事件后的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，輸出評測結(jié)果；⑤管控模塊關(guān)閉GUI窗體并結(jié)束自身程序，評測完成。

圖2 基于管控模式的程序評測方案

3 C#語言GUI程序自動評測關(guān)鍵技術(shù)

3.1 組合管控模塊與窗體模塊

C#程序設(shè)計課程中，一個基本的GUI程序包含F(xiàn)orm1.cs、Form1.Designer.cs和Program.cs等3個文件，其中,Form1.cs和Form1.Designer.cs為窗體模塊，F(xiàn)orm1.cs包含窗體的功能邏輯代碼，F(xiàn)orm1.Designer.cs包含窗體的布局代碼，Program.cs主要包含Main函數(shù)用于啟動Form1窗體。與學(xué)生相關(guān)的代碼全部集中在Form1.cs和Form1.Designer.cs中，與Program.cs無關(guān)。因此將管控模塊置入Program.cs中。編譯時，管控模塊與窗體模塊組合在一個程序中；運(yùn)行時，管控模塊管理和控制窗體模塊的評測過程。

3.2 管控模塊內(nèi)部邏輯

根據(jù)評測方案，管控模塊應(yīng)包含啟動和關(guān)閉窗體模塊、執(zhí)行評測處理以及窗體模塊運(yùn)行超時時強(qiáng)制關(guān)閉程序等功能。管控模塊內(nèi)部邏輯核心代碼如下。

01 System.Threading.Timer timer;//定義定時器變量

02 TestRule[]testRules;//定義存儲測試規(guī)則的數(shù)組

03 void Main(){

04 timer = new System.Threading.Timer(OnTimeOut,null,5 000,-1);

05 Form1 testForm = new Form1();//創(chuàng)建窗體對象

06 testRules = ReadTestRules();//讀取測試規(guī)則

07 foreach(TestRule rule in testRules)//循環(huán)處理每一個測試規(guī)則

08 TestForm(testForm, rule);

09 OutputResult(testRules);//輸出測試結(jié)果

10 Form1.Close();//關(guān)閉窗體對象

11 }

12 void OnTimeOut(object state){//定時器處理程序

13 Environment.Exit(1);//強(qiáng)制結(jié)束程序

14 }

①第5行和第10行中，管控模塊在評測前和評測后分別啟動和關(guān)閉窗體模塊。②第4行設(shè)置了定時器timer，用于對窗體模塊進(jìn)行超時檢測，避免學(xué)生程序進(jìn)入死循環(huán)干擾評測過程。此處設(shè)置時間閾值為5 s(5 000 ms)，超時后管控模塊調(diào)用第12行的OnTimeOut函數(shù)，強(qiáng)制結(jié)束程序。③第6行讀取測試用例集，每個測試用例包含輸入數(shù)據(jù)、觸發(fā)的事件、輸出數(shù)據(jù)、評測結(jié)果等數(shù)據(jù)項；第7、8行循環(huán)使用每一個測試用例對窗體進(jìn)行評測；第9行將捕獲的測試結(jié)果輸出。

3.3 管控模塊讀寫窗體模塊的數(shù)據(jù)

C#語言GUI程序通過界面控件(如文本框、按鈕等)與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。為了使評測過程自動化，管控模塊需要能夠按照評測規(guī)則讀取和寫入控件數(shù)據(jù)。然而管控模塊在窗體模塊外部，不能直接讀寫窗體模塊內(nèi)部的控件數(shù)據(jù)，需要借助C#反射功能實(shí)現(xiàn)。

以文本框控件textBox1為例，讀寫該控件數(shù)據(jù)主要包括以下2個步驟。

(1)管控模塊通過反射取得窗體模塊textBox1的引用。這里，F(xiàn)orm1為窗體模塊名，textBox1為控件名。因為窗體內(nèi)的控件均為窗體的私有變量，因此需要NonPublic和Instance樣式的綁定說明。

TextBox textBox1 =(TextBox)Form1.GetType()

.GetField("textBox1", BindingFlags.NonPublic|BindingFlags.Instance)

.GetValue(Form1);

(2)通過賦值語句讀寫控件數(shù)據(jù)

textBox1.Text = 寫入的數(shù)據(jù)

讀取的數(shù)據(jù) = textBox1.Text

3.4 管控模塊模擬觸發(fā)事件

GUI程序依賴事件機(jī)制驅(qū)動程序執(zhí)行，C#語言中觸發(fā)事件時會自動調(diào)用該事件對應(yīng)的委托函數(shù)。為了模擬觸發(fā)事件的行為，管控模塊通過C#反射功能直接提取事件對應(yīng)的委托函數(shù)并執(zhí)行。

以按鈕控件button1的鼠標(biāo)單擊事件為例，事件委托函數(shù)原型為

void button1_Click(object sender, EventArgs e)

模擬觸發(fā)該事件的過程主要包括以下3個步驟。

(1)獲取button1所有事件委托函數(shù)列表，這其中包含了鼠標(biāo)單擊事件的委托函數(shù)。

EventHandlerList events =(EventHandlerList)(typeof(Button)

.GetProperty("Events", BindingFlags.NonPublic|BindingFlags.Instance)

.GetValue(button1, null));

(2)在上述委托函數(shù)列表中，以鼠標(biāo)單擊事件名“EventClick”作為鍵值，得到鼠標(biāo)單擊事件的委托函數(shù)。處理后，handler變量即表示button1_Click委托函數(shù)。

object key = typeof(Control)

.GetField("EventClick", BindingFlags.NonPublic|BindingFlags.Static)

.GetValue(null);

Delegate handler = events[key];

(3)調(diào)用委托函數(shù)，模擬觸發(fā)鼠標(biāo)單擊事件。

handler.DynamicInvoke(button1, EventArgs.Empty);

4 應(yīng)用中出現(xiàn)的問題及改進(jìn)思路

評測系統(tǒng)在應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題及后續(xù)改進(jìn)思路總結(jié)如下。

(1)可評測控件種類不夠豐富。目前可評測的控件包括標(biāo)簽Label、文本框TextBox、單選按鈕RadioButton、復(fù)選框CheckBox、組合框ComboBox、列表框ListBox和進(jìn)度條ProgressBar等常用控件。下一步需要加入菜單MenuStrip、列表視圖ListView和樹形視圖TreeView等功能更復(fù)雜的控件，進(jìn)一步豐富題目類型。

(2)學(xué)生編寫的程序與測評的程序不一致。部分學(xué)生在評測前未對最新修改的程序進(jìn)行保存，導(dǎo)致評測結(jié)果與學(xué)生程序不匹配。下一步對評測系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，在評測前顯示提示信息，提醒學(xué)生對修改后的程序進(jìn)行保存。

(3)編寫評測規(guī)則較繁瑣、效率低。評測規(guī)則采用Json格式，每一道題目的評測規(guī)則由多個子規(guī)則構(gòu)成，每個子規(guī)則包含輸入數(shù)據(jù)、觸發(fā)的事件和輸出數(shù)據(jù)。目前評測規(guī)則由教師手工建立，繁瑣且效率低。下一步擬增加評測規(guī)則自動生成模塊，教師對題目進(jìn)行測試時自動捕獲測試數(shù)據(jù)用以生成評測規(guī)則，提高題目維護(hù)效率。

5 總結(jié)

評測系統(tǒng)采用學(xué)生端分散式評測架構(gòu)，充分利用機(jī)房中每一臺學(xué)生機(jī)的計算能力，分散了負(fù)載壓力，提高了系統(tǒng)可承載用戶規(guī)模，滿足了大規(guī)模上機(jī)考試的需要。在2018—2019學(xué)年第1學(xué)期，該系統(tǒng)僅使用一臺虛擬服務(wù)器(4個2.2GHz CPU、4G內(nèi)存)承擔(dān)全校程序設(shè)計上機(jī)考試，共3場考試，第1場共800人，第2場和第3場每場均為1 500人，總計3 800人。考試過程中，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，發(fā)題、評測和回收答案未出現(xiàn)任何異常，考試順利完成。系統(tǒng)運(yùn)行至今，累計超過10 000名學(xué)生使用該系統(tǒng)進(jìn)行程序設(shè)計的自測和考試，累計評測題目數(shù)百萬個。共承擔(dān)程序設(shè)計相關(guān)課程階段性測試和期末上機(jī)考試任務(wù)數(shù)十場次，系統(tǒng)效果好，利用率高，具有示范性和輻射性。