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        “對拍”方法在程序驗證中的應(yīng)用

        2022-08-31 19:18:39謝玉韜徐劍李慶英
        電腦知識與技術(shù) 2022年18期

        謝玉韜 徐劍 李慶英

        摘要:在編程實踐中,如何驗證所寫程序是否正確有很多方法,“對拍”是常用的一種。介紹了“對拍”的基本概念、應(yīng)用場景,以兩個數(shù)求和為例詳細(xì)說明了“對拍”的過程,在此基礎(chǔ)上使用Java語言開發(fā)了圖形用戶界面的判題工具,該工具利用對拍原理,基于給定多組樣例數(shù)據(jù),對用戶提交的程序的正確性進(jìn)行驗證并給出反例,操作界面友好,操作方便,提高了程序驗證的效率。

        關(guān)鍵詞:程序驗證;對拍;Java語言;圖形化工具

        中圖分類號:TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

        文章編號:1009-3044(2022)18-0045-03

        開放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識碼(OSID):

        1 引言

        對拍是驗證人們寫出的程序是否正確的常用方法,特別是在編程競賽中,如果一個題目暴力算法容易寫,高效算法拿不準(zhǔn)時,常采用“對拍”檢驗高效算法的正確性,避免不必要的丟分[1-2]。本文介紹了對拍的概念、應(yīng)用場景、具體實現(xiàn)過程[3-4],在此基礎(chǔ)上基于Java語言[5]開發(fā)了圖形用戶界面的判題工具,操作界面友好,操作方便,提高了程序驗證的效率。

        2 “對拍”的基本概念

        “對拍”,就是針對相同的輸入數(shù)據(jù),對兩份程序的輸出結(jié)果進(jìn)行比對。其中一份是確定正確的程序(樸素算法實現(xiàn)或網(wǎng)絡(luò)上搜索的Accepted的程序),另一份是自己寫的正確性待驗證的程序,通過“對拍”可以較容易地得出自己程序是否正確的結(jié)論,如果不正確,“對拍”發(fā)現(xiàn)的反例也有助于程序的修正。在后面“對拍過程”一節(jié)會詳細(xì)介紹對拍的實現(xiàn)步驟。

        3 “對拍”的應(yīng)用場景

        3.1 通過“對拍”進(jìn)行程序檢錯

        平時在Online Judge上提交程序時,自己的程序無法通過,但又無法獲得測試數(shù)據(jù),可以編寫隨機(jī)數(shù)據(jù)生成程序,生成大量輸入數(shù)據(jù),再找一份正確的程序和自己的程序“對拍”,從而找到反例,找出程序錯誤。

        3.2 通過“對拍”進(jìn)行算法驗證

        參加編程比賽時,當(dāng)編寫出效率更高、算法更優(yōu)的程序,但無法確定程序算法正確性時,可以再寫一份用樸素算法實現(xiàn)的程序(通常時間復(fù)雜度高,思路簡單,不易出錯),將兩者對拍,以此判斷“高效算法”正確與否。

        3.3 通過“對拍”出題

        自己出題時,測試數(shù)據(jù)的生成、“標(biāo)程”的正確性驗證都需要運用“對拍”的方法。

        4 “對拍”的過程

        “對拍”可分為代碼準(zhǔn)備、編寫并執(zhí)行對拍腳本或?qū)ε某绦虻炔襟E,下面以Window環(huán)境為例,結(jié)合例題介紹“對拍”的過程。

        4.1 代碼準(zhǔn)備

        “對拍”是將大量測試數(shù)據(jù)分別交給兩份程序運行,比對兩份程序運行結(jié)果,并將結(jié)果輸出的過程。因此在“對拍”之前,通常需要編寫隨機(jī)數(shù)據(jù)生成、樸素算法程序和無法確定對錯的高分解法程序。下面以求兩個1~100的整數(shù)的和的C++源碼為例:

        1)編寫隨機(jī)數(shù)據(jù)生成程序(gen.cpp)

        #include

        #include

        #include

        using namespace std;

        //產(chǎn)生[0,n)的隨機(jī)整數(shù)

        int rand1(int n) {

        return (long long)rand()*rand()%n;

        }

        //產(chǎn)生[x,y]的隨機(jī)整數(shù)

        int rand2(int x,int y) {

        return rand1(y-x+1) + x;

        }

        int main() {

        srand((unsigned)time(0));

        cout<

        return 0;

        }

        2)編寫確定正確的程序(std.cpp)

        #include

        using namespace std;

        int main() {

        int a, b;

        cin >> a >> b;

        cout << a + b << endl;

        return 0;

        }

        3)編寫自己的程序(my.cpp)

        #include

        using namespace std;

        int main() {

        int a, b;

        cin >> a >>b;

        if (a > 80 && b > 80) {

        cout << a - b << endl;

        } else {

        cout << a + b << endl;

        }

        return 0;

        }

        在my.cpp中,當(dāng)兩個加數(shù)a和b都大于80時,輸出了它們的差,結(jié)果顯然是錯誤的,下面通過對拍找出該錯誤。

        4.2 “對拍”過程及實現(xiàn)

        在“對拍”之前,依次編譯上述三個程序,得到三個可執(zhí)行文件: gen.exe、std.exe和my.exe。然后編寫腳本或C++程序,循環(huán)執(zhí)行如下過程,達(dá)到“對拍”的目的:

        Step1:運行g(shù)en.exe產(chǎn)生輸入數(shù)據(jù)in.txt。

        Step2:以in.txt作為輸入運行std.exe產(chǎn)生輸出數(shù)據(jù)stdout.txt。

        Step3:以in.txt作為輸入運行my.exe產(chǎn)生輸出數(shù)據(jù)myout.txt。

        Step4:比對stdout.txt和myout.txt內(nèi)容是否一致。

        下面用批處理腳本和C++程序兩種方式實現(xiàn)上述步驟。

        1)批處理腳本(duipai.bat)實現(xiàn)對拍

        :loop

        @echo off

        gen.exe > in.txt

        my.exe < in.txt? > myout.txt

        std.exe < in.txt? > stdout.txt

        fc myout.txt stdout.txt

        if not errorlevel 1? ?goto loop

        pause

        上述腳本中,fc命令用于比較文件內(nèi)容是否相同,相同時輸出“找不到差異”,不同時會列出不同的內(nèi)容便于比對。

        雙擊腳本運行,當(dāng)找到例外,即兩份程序輸出結(jié)果不同時,循環(huán)結(jié)束,得到圖1所示結(jié)果:

        此時in.txt的內(nèi)容為:95 87,此時正確輸出值為182,自測程序輸出值為8,原因是兩個數(shù)都大于80時,程序處理邏輯有誤。

        2)C++程序?qū)崿F(xiàn)對拍

        編寫腳本需要熟悉其語法規(guī)則,而且不同操作系統(tǒng)腳本差別較大,為避免再學(xué)習(xí)新的語言規(guī)則或造成混淆,可以使用C++程序?qū)崿F(xiàn)同樣的功能。頭文件cstdlib中提供了System函數(shù),可用來執(zhí)行系統(tǒng)命令。源碼如下:

        #include

        #include

        using namespace std;

        int main() {

        while(true) {

        system("gen.exe>in.txt");

        system("std.exestdout.txt");

        system("my.exemyout.txt");

        if(system("fc stdout.txt myout.txt")){

        cout<<"wrong";

        break;

        }

        }

        return 0;

        }

        5 給定測試數(shù)據(jù)的程序驗證工具實現(xiàn)

        前面介紹了對拍原理及實現(xiàn)過程,程序的測試數(shù)據(jù)是隨機(jī)生成的,下面考慮另一種情形:n組程序測試數(shù)據(jù)已經(jīng)給出,如何判斷程序是否正確?這種情形常用于以下場合:比賽后官方發(fā)布了測試數(shù)據(jù)但不提供在線判題入口;做書上題目時,通過作者提供的樣例判斷程序是否正確等。

        將前面代碼中輸入數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)輸出數(shù)據(jù)生成過程省略,不難得到實現(xiàn)思路,下面給出字符界面和圖形界面兩種實現(xiàn)。

        5.1 字符界面實現(xiàn)(C++)

        在n組測試數(shù)據(jù)給出的情況下,需要提供n的值、程序文件名稱、樣例文件主名、樣例輸出和待測試輸出文件擴(kuò)展名等,源碼如下:

        #include

        #include

        #include

        #include

        using namespace std;

        int main() {

        string programName,fileName,ansName,solName;

        int n;

        cout<<"輸入測試數(shù)據(jù)組數(shù):";

        cin>>n;

        cout<<"輸入程序文件名稱:";

        cin>>programName;

        cout<<"輸入樣例文件主名:";

        cin>>fileName;

        cout<<"正確程序的輸出文件擴(kuò)展名:";

        cin>>ansName;

        cout<<"待測試程序的輸出文件擴(kuò)展名:";

        cin>>solName;

        for(int i=1; i<=n; i++) {

        ostringstream oss1,oss2;

        oss1<"<

        system(oss1.str().c_str());

        oss2<<"fc "<

        system(oss2.str().c_str());

        }

        return 0;

        }

        假設(shè)測試數(shù)據(jù)有10組,輸入文件為add1.in,add2.in...,add10.in,輸出文件為add1.out,add2.out...,add10.out,則在上面代碼中,n的值為10;程序文件是指待測試程序編譯后的exe文件,如自己寫的求和程序編譯后為my.exe;輸入樣例文件主名為add,正確程序輸出文件擴(kuò)展名為.out,待測試輸出文件擴(kuò)展名自己設(shè)定,如.my,將它們放到同一個目錄下。

        5.2 圖形界面實現(xiàn)(Java)

        在上一節(jié)字符界面程序中,程序使用較為煩瑣,表現(xiàn)在如下方面:源程序需要手工編譯、輸入數(shù)據(jù)較多、出現(xiàn)錯誤需要去測試文件中核對等?;谏鲜鲈?,使用Java語言設(shè)計了圖形用戶界面的驗證工具,用戶輸入樣例文件信息并直接在界面中輸入源程序,提交后就可以直觀地看到對拍結(jié)果,提高了驗證效率,程序界面如圖2所示:

        程序?qū)崿F(xiàn)思路與C++類似,核心步驟及源碼如下:

        1)編譯源程序

        FileWriter fw=new FileWriter("d:/duipai/1.cpp");

        fw.write(jta1.getText());

        fw.close();

        String cmd = "g++ d:/duipai/1.cpp -o d:/duipai/1.exe";

        Process pr1=Runtime.getRuntime().exec(cmd); // 執(zhí)行編譯指令

        pr1.waitFor();

        2)讀取樣例文件內(nèi)容函數(shù)

        public String rf(String fileName) throws Exception {

        File f=new File("d:/duipai/"+fileName);

        FileReader fr=new FileReader(f);

        char[] cs=new char[5000];

        int a=fr.read(cs);

        String css=new String(cs,0,a);

        fr.close();

        return css;

        }

        3)文件比對

        for(int i=1;i<=n;i++) {

        String s11=rf("a"+i+".out").trim();

        String s22=rf("a"+i+".my").trim();

        if(s11.equals(s22)) {

        jta2.append(i+":Accepted"+"\n");

        }

        else {

        jta2.append(i+":Error.輸入:"+rf("a"+i+".in")+";樣例輸出:"+s11+";你的輸出:"+s22+"\n");

        }

        }

        }

        6 結(jié)束語

        本文介紹了對拍工具在程序驗證中的應(yīng)用,首先介紹對拍的概念、應(yīng)用場景、具體實現(xiàn)過程,在此基礎(chǔ)上基于Java語言開發(fā)了給定測試數(shù)據(jù)的圖形用戶界面的判題工具,為給定樣例數(shù)據(jù)判定程序正確性提供了方便。將該工具設(shè)計為線上使用是下一步考慮的工作。

        參考文獻(xiàn):

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        [2] 王亞峰.信息學(xué)競賽解題過程研究[J].中小學(xué)電教(下),2011(2):152.

        [3] 賈小軍.C語言程序設(shè)計[M].北京:人民郵電出版社,2014.

        [4] 李柯景.淺析C語言中的隨機(jī)數(shù)問題[J].長春大學(xué)學(xué)報,2008,18(6):64-68.

        [5] 張繼軍.Java程序設(shè)計[M].北京:中國水利水電出版社,2019.

        【通聯(lián)編輯:謝媛媛】

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