許永達(dá)

(1.湛江師范學(xué)院信息與教育技術(shù)中心，廣東 湛江 524048;2.重慶大學(xué)，重慶 400044)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)的不斷普及，計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，大規(guī)模數(shù)據(jù)庫的建立和維護(hù)日趨成熟，計(jì)算機(jī)考試已成為當(dāng)今高?？荚嚨闹匾绞剑?］。

現(xiàn)有考試系統(tǒng)，如果考生的數(shù)量相當(dāng)大，同時(shí)訪問服務(wù)器時(shí)就會(huì)產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)的情況，例如大量考生同時(shí)生成試卷或者同時(shí)交卷，就會(huì)引發(fā)服務(wù)器響應(yīng)緩慢甚至崩潰，導(dǎo)致考試無法正常進(jìn)行［2］。

為了實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的高效并發(fā)訪問，多線程技術(shù)是優(yōu)秀的解決方案。目前，主要有兩種模型:線程-請求模型和線程池模型?？荚囅到y(tǒng)的考生生成試卷、保存試卷、交卷等操作的特點(diǎn)是時(shí)間短暫，單個(gè)請求的數(shù)據(jù)量不大，但是多個(gè)請求的數(shù)量巨大且頻繁發(fā)生。線程-請求模型會(huì)為每個(gè)請求創(chuàng)建一個(gè)線程，完成后銷毀，當(dāng)線程被頻繁創(chuàng)建和銷毀，系統(tǒng)效率就會(huì)非常低;線程池模型會(huì)預(yù)先創(chuàng)建一定數(shù)量的線程，每個(gè)線程處理完用戶請求后狀態(tài)改回空閑，以響應(yīng)新的請求，這樣就避免了線程創(chuàng)建和銷毀的開銷，加快了系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間［3］。

因此，線程池技術(shù)可高效地解決考試系統(tǒng)中海量數(shù)據(jù)同時(shí)訪問服務(wù)器時(shí)效率低下的問題，并進(jìn)一步提高了考試系統(tǒng)的性能。本文介紹基于線程池的高并發(fā)訪問考試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架、主要功能及工作流程和線程池模塊的設(shè)計(jì)。

1 基于線程池的高并發(fā)訪問考試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 線程池技術(shù)

線程池技術(shù)的原理是:服務(wù)器在初始化階段，創(chuàng)建一定數(shù)量的線程放入到線程池中，讓這些線程處于空閑狀態(tài)，當(dāng)客戶端請求到來時(shí)，調(diào)用一個(gè)線程去處理客戶端的連接請求，任務(wù)完成后，線程狀態(tài)改回空閑，等待下一次任務(wù)的調(diào)用。

線程池可分為線程數(shù)量固定和線程數(shù)量可動(dòng)態(tài)變化兩種類型。

(1)線程數(shù)量固定的線程池，線程池在創(chuàng)建后，線程的數(shù)量不再變化。此類線程池在ATM機(jī)上取款操作等性能相對比較穩(wěn)定的場景應(yīng)用較多。然而其弊端也是顯而易見的，如果系統(tǒng)負(fù)載突然加大，就可能出現(xiàn)無空閑線程可調(diào)度的情況，新請求到來時(shí)只能等待;如果系統(tǒng)負(fù)載較小，就會(huì)有大量的線程空閑，浪費(fèi)系統(tǒng)資源。

(2)線程數(shù)量可動(dòng)態(tài)變化的線程池，其線程的數(shù)量隨負(fù)載變化而變化。如果系統(tǒng)負(fù)載加大到無空閑線程可調(diào)度時(shí)，線程池會(huì)按照一定的算法增加線程數(shù)量。但線程數(shù)量不會(huì)無限增加，其上限會(huì)根據(jù)系統(tǒng)性能而定。當(dāng)系統(tǒng)空閑時(shí)，線程池會(huì)銷毀部分空閑線程，釋放系統(tǒng)資源，使系統(tǒng)保持高效運(yùn)行［4］。

1.2 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

基于線程池的高并發(fā)訪問考試系統(tǒng)通過使用B/S三層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用動(dòng)態(tài)變化的線程池控制業(yè)務(wù)邏輯層對數(shù)據(jù)訪問層的操作，采用分考場的監(jiān)考機(jī)分擔(dān)考生端對總服務(wù)器訪問的負(fù)載，實(shí)現(xiàn)考試系統(tǒng)的高并發(fā)、穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)的總體框架設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 考試系統(tǒng)框架

1.3 系統(tǒng)主要功能及工作流程

基于線程池的高并發(fā)訪問考試系統(tǒng)根據(jù)B/S模式設(shè)計(jì)為三層:用戶界面層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層。在業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層之間新增了線程池，控制此二層之間的通信。

(1)用戶界面層:共有教務(wù)員、管理員、監(jiān)考員、考生、教師5個(gè)界面，用戶在系統(tǒng)主界面輸入正確的帳號(hào)密碼后，系統(tǒng)根據(jù)用戶的權(quán)限，打開相應(yīng)的界面。

(2)業(yè)務(wù)邏輯層:用于實(shí)現(xiàn)考試系統(tǒng)的主要功能，包括考生信息管理、教師信息管理等模塊，如圖1所示。下面將詳細(xì)介紹此層各模塊的主要功能:

①考生信息管理、教師信息管理和考場信息管理:可直接從Excel電子表格中導(dǎo)入考生、教師、考場信息，也可在管理界面添加數(shù)據(jù)。以上數(shù)據(jù)及考試結(jié)束后在考生信息管理中生成的考試成績，可導(dǎo)出為Excel，方便教師管理和共享。

②考場安排:系統(tǒng)將根據(jù)考生、教師、考場信息自動(dòng)安排考場中的考生座位、監(jiān)考老師，之后教師可根據(jù)需要再調(diào)整。

③考卷管理:教師登錄系統(tǒng)后，進(jìn)入考卷管理，其功能有試題錄入、編輯、瀏覽，試題參數(shù)設(shè)定，組卷策略設(shè)定。試題參數(shù)主要有知識(shí)點(diǎn)、題型、難度、重要度。組卷策略主要有知識(shí)點(diǎn)范圍、題型、難度范圍、題目分值、題數(shù)［5］。

④智能組卷:該模塊應(yīng)用了遺傳算法，將根據(jù)試題參數(shù)和組卷策略自動(dòng)生成試卷，教師可根據(jù)需要再調(diào)整試卷內(nèi)容［6］。

⑤監(jiān)考下載試卷:開考前半小時(shí)，監(jiān)考員可登錄到考試系統(tǒng)，下載試卷到相應(yīng)考場的監(jiān)考機(jī)和備用監(jiān)考機(jī)，啟動(dòng)考場考試。

⑥考生下載試卷，考生答題:當(dāng)監(jiān)考員啟動(dòng)考試，考生登錄成功后，考生將從考場監(jiān)考機(jī)下載試卷，開始答題?？荚嚱缑嬗杏?jì)時(shí)提示。

⑦答卷同步:考生每完成一道題，答卷數(shù)據(jù)都自動(dòng)同步到監(jiān)考機(jī)和備用監(jiān)考機(jī)。若考生機(jī)發(fā)生故障，考生可更換機(jī)器，從監(jiān)考機(jī)下載其已作答的考試數(shù)據(jù)，計(jì)時(shí)從中斷處開始計(jì)算，并補(bǔ)時(shí)5分鐘。

⑧考生交卷:考試開始半小時(shí)后考生可交卷，若考試時(shí)間到，系統(tǒng)將自動(dòng)收卷。

⑨考卷上傳:考試結(jié)束后，監(jiān)考員收集所有答卷，校驗(yàn)考試數(shù)據(jù)，然后上傳答卷數(shù)據(jù)及考試情況到總服務(wù)器。

⑩客觀題評分:系統(tǒng)將自動(dòng)完成單選、多選、填空題的評分，且填空題可具有多個(gè)備選答案［7］。

?主觀題評分:系統(tǒng)將自動(dòng)完成計(jì)算題、編程題、簡答題的評分，且抽樣15%由教師評分，若人工評分與機(jī)器評分誤差不大，則評分完成，若誤差過大，則修改試卷答案，重復(fù)上述步驟，若誤差仍過大，則此題型改由人工評分［8-9］。

?考生成績管理:綜合主觀題和客觀題的分?jǐn)?shù)生成考生成績，并保存在考生信息中。然后，考生可登錄系統(tǒng)查成績，對成績有異議可申請復(fù)評［10］。

總的來說:監(jiān)考機(jī)從總服務(wù)器下載試卷后，考生從監(jiān)考機(jī)下載試卷，同步答題，交卷到監(jiān)考機(jī)，再由監(jiān)考機(jī)上傳試卷到總服務(wù)器，而不是讓考生機(jī)直接訪問總服務(wù)器，提高了考試系統(tǒng)的響應(yīng)速度和并發(fā)處理能力。

(3)線程池:業(yè)務(wù)邏輯層的用戶登錄、監(jiān)考下載試卷、考生下載試卷、答卷同步、考生交卷、考卷上傳的操作，通過線程池的控制高效地訪問數(shù)據(jù)訪問層，其設(shè)計(jì)將在1.4節(jié)中進(jìn)行詳細(xì)闡述。

(4)數(shù)據(jù)訪問層:根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯層的請求，對數(shù)據(jù)庫中的考生、教師等數(shù)據(jù)表進(jìn)行操作。

1.4 線程池模塊的設(shè)計(jì)

本考試系統(tǒng)采用的線程池是一種基于任務(wù)隊(duì)列的可擴(kuò)展線程池，它根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級和先后順序處理任務(wù)，它的線程數(shù)可根據(jù)任務(wù)的數(shù)量動(dòng)態(tài)變化。線程池運(yùn)行的流程圖如圖2所示。

圖2 線程池運(yùn)行流程圖

基于任務(wù)隊(duì)列的可擴(kuò)展線程池，由主線程、任務(wù)隊(duì)列、線程池、管理線程組成，其中線程池包括主線程池、擴(kuò)展線程池。

(1)主線程負(fù)責(zé)監(jiān)聽多路客戶端的請求，當(dāng)客戶端的請求到達(dá)后，將按照客戶請求的類型放到相應(yīng)的任務(wù)隊(duì)列的隊(duì)尾，并通知喚醒管理線程［11］。

(2)任務(wù)隊(duì)列，其中一共有6種不同類型的隊(duì)列，按優(yōu)先級由高到低排列如下:用戶登錄隊(duì)列、監(jiān)考下載試卷隊(duì)列、考生下載試卷隊(duì)列、考生交卷隊(duì)列、答卷同步隊(duì)列、考卷上傳隊(duì)列。同一隊(duì)列中的任務(wù)按照先進(jìn)先出(FIFO)原則出隊(duì)。

(3)線程池包括主線程池和擴(kuò)展線程池兩部份，由于線程池大小隨著任務(wù)數(shù)量而動(dòng)態(tài)變化，所以選用鏈表作為線程池的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

(4)主線程池是考試系統(tǒng)初始化時(shí)就創(chuàng)建的具有固定數(shù)量線程的線程池，其線程在系統(tǒng)運(yùn)行過程不會(huì)被銷毀。在線程池初始化時(shí)，可以使用內(nèi)存池來分配一整塊內(nèi)存給線程池鏈表，內(nèi)存的大小由主線程池中的線程數(shù)量決定，而線程數(shù)量由系統(tǒng)規(guī)模決定。主線程池中的線程將位于線程池鏈表的前端，這樣當(dāng)請求到來時(shí)，它們將被優(yōu)先選擇來處理請求。

(5)擴(kuò)展線程池是線程池鏈表中除了主線程池的那部分鏈表。當(dāng)線程池中已沒有空閑線程，而任務(wù)隊(duì)列非空時(shí)，就需要?jiǎng)?chuàng)建數(shù)量與任務(wù)隊(duì)列中所有等待處理的任務(wù)總數(shù)相同的擴(kuò)展線程，放到線程池鏈表的末端，并選用其中的擴(kuò)展線程來處理任務(wù)。擴(kuò)展線程數(shù)量的上限由系統(tǒng)性能決定，若已到達(dá)上限且線程池中無空閑線程，任務(wù)隊(duì)列中未處理的任務(wù)只能等待。每個(gè)擴(kuò)展線程都有一個(gè)計(jì)時(shí)器，從線程被創(chuàng)建時(shí)開始計(jì)時(shí)。當(dāng)擴(kuò)展線程在設(shè)定的時(shí)間閾值內(nèi)接受了任務(wù)，計(jì)時(shí)器就會(huì)停止計(jì)時(shí)。當(dāng)任務(wù)完成后，計(jì)時(shí)器重新開始計(jì)時(shí)。

(6)管理線程負(fù)責(zé)調(diào)度空閑線程處理任務(wù)及創(chuàng)建、銷毀擴(kuò)展線程。如果任務(wù)隊(duì)列非空，管理線程就會(huì)在線程池鏈表中按照從前端到末端的順序查找是否有空閑的線程。如果有空閑線程，管理線程會(huì)按照任務(wù)隊(duì)列的優(yōu)先級由高到低、同一隊(duì)列中從隊(duì)首至隊(duì)尾的順序，把符合條件的任務(wù)進(jìn)行出隊(duì)處理，讓此空閑線程處理此任務(wù)并改變此空閑線程的狀態(tài)，任務(wù)完成后，再把狀態(tài)改為空閑;如果沒有空閑線程，且擴(kuò)展線程的數(shù)量沒有超過上限，就按照擴(kuò)展線程池的說明中提到的算法創(chuàng)建擴(kuò)展線程;如果任務(wù)隊(duì)列為空，管理線程就會(huì)遍歷擴(kuò)展線程池，如果存在空閑的時(shí)間超過時(shí)間閾值的擴(kuò)展線程，就將這些擴(kuò)展線程銷毀［12-13］。

在本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的線程池的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下:

2 結(jié)束語

本文介紹了基于線程池的高并發(fā)訪問考試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架，主要功能及工作流程和線程池模塊的設(shè)計(jì)。該考試系統(tǒng)采取了基于任務(wù)隊(duì)列的可擴(kuò)展線程池控制業(yè)務(wù)邏輯層對數(shù)據(jù)訪問層的操作，分考場的監(jiān)考機(jī)分擔(dān)考生端對總服務(wù)器訪問的負(fù)載等措施，實(shí)現(xiàn)了考生機(jī)對考試系統(tǒng)的高并發(fā)訪問。

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