何愛華，戚曉明 （蚌埠學院計算機科學與技術系，安徽 蚌埠233030）

隨著計算機技術的廣泛應用，程序設計能力正日益成為各專業(yè)學生的必備技能之一。程序設計能力的提高需要大量的編程練習和大量難度適宜的題目。除此之外，一些反饋信息，包括程序錯誤信息 （如語法錯誤，邏輯錯誤）和程序運行信息 （如運行時間，內(nèi)存使用量，代碼長度，使用語言，提交時間等）也是必不可少的。程序運行信息在線評測系統(tǒng)原是為適應競賽的要求而開發(fā)的，不僅有利于選拔編程競賽人才，更有利于提高學生對計算機程序設計的興趣，從而有利于程序設計的輔助教學。下面，筆者描述了在Linux操作系統(tǒng)中如何在 .net平臺下實現(xiàn)一個B／S結構的輔助教學系統(tǒng)，以實現(xiàn)C／C++／VC等源代碼的在線自動評測。該系統(tǒng)采用黑盒測試技術，設計類似軟件功能測試的程序評判原理，改進以往評測系統(tǒng)限制程序運行時間精度不高、不能限制物理內(nèi)存等缺陷。學生通過上網(wǎng)在線提交他們的程序源代碼，由服務器對提交的程序自動進行評測，并對成績進行記錄和統(tǒng)計，不但可以提高評測的效率和正確率，而且可以極大地減輕教師的勞動強度，縮短了考試或競賽環(huán)節(jié)的周期，減少了人為的錯誤，學生的程序和評測結果都給予保留，這樣很容易就能夠查看成績、排名和統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)架構

系統(tǒng)采用B／S三層架構。表示層是用于與用戶交流，引導用戶操作，并反饋操作結果。業(yè)務邏輯層負責實現(xiàn)系統(tǒng)各模塊的功能邏輯，處理數(shù)據(jù)，數(shù)值計算，邏輯檢查，調(diào)用數(shù)據(jù)庫接口維護數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)訪問層用于對數(shù)據(jù)庫的具體增加、刪除、修改的操作。3層架構方便了后期維護與二次開發(fā)，哪里需要修改就修改哪里，各層之間各自獨立，實現(xiàn)了責、權、利分離。

系統(tǒng)的開發(fā)基于ASP.net，控制邏輯使用C＃語言編寫，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2005。

2 總體設計

系統(tǒng)主要角色有學生、普通用戶、教師、題庫管理員、系統(tǒng)管理員，分為教師作業(yè)發(fā)布和學生作業(yè)提交模塊以及學校內(nèi)外練習和比賽模塊2大主要模塊。

2.1 數(shù)據(jù)庫的設計

根據(jù)系統(tǒng)要求，系統(tǒng)主要由以下數(shù)據(jù)表組成：學生表包括學號、姓名、性別、E-mail、電話號碼、班級號、學校名；普通用戶表包括用戶號 （用戶名）、密碼、E-mail、電話號碼；教師信息表包括教師工號、密碼、名字、職稱、所在學校；班級信息表包括班級號、學校名；教師班級聯(lián)系表，包括教師工號、教授課程號、教授班級號；管理員信息表包括管理員號、密碼、權限；課程表包括課程表和課程名；項目表包括項目號、項目名稱、項目介紹、項目開始時間、結束時間、項目狀態(tài)、是否需要申請、課程號 （外碼）、題目數(shù)量；題目信息表包括題目號、題目標題、題目的詳細描述、輸入描述、輸出描述、輸入樣例、輸出樣例、內(nèi)存限制、運行時間限制、權值、總提交次數(shù)、總正確次數(shù)、項目號等；題目提交信息表包括用戶號 （學生學號／普通用戶號）、題目的編譯號、題目號、程序使用的語言、提交次數(shù)、代碼長度、提交結果、使用內(nèi)存、使用時間、編譯錯誤信息、源代碼等。

2.2 主要模塊設計

2.2.1 教師作業(yè)發(fā)布和學生作業(yè)提交模塊

圖1 教師作業(yè)發(fā)布和學生作業(yè)提交結構圖

該模塊分別設計教師模塊、學生模塊、系統(tǒng)管理員模塊、題庫管理員模塊等，并定義出了每個子系統(tǒng)之間的接口。模塊結構圖如圖1所示。

1）系統(tǒng)管理員 （教師的作業(yè)發(fā)布和學生作業(yè)的提交系統(tǒng)） ①課程管理。針對學校相關編程課程的需要進行課程的錄入以及修改刪除功能。同時為課程分配教師和該課程的學生 （學生一般是由老師錄入）。②教師管理。針對學校教師的情況，進行教師信息的錄入以及修改刪除功能，查看教師對應的課程。③學生管理。針對學校學生的情況，進行學生信息的錄入以及刪除修改功能，查看學生的具體選修的課程情況。

2）教師角色 ①布置作業(yè)。作業(yè)包括課程名、題目名稱、題目主干、時間限制、內(nèi)存限制、布置日期、截止日期。②查看作業(yè)。查看信息包括題目名稱、學號、題目狀態(tài)、耗時量、內(nèi)存占用量、提交日期。③公布答案。答案包括題目名稱、答案內(nèi)容 （注：答案在截止日期后才能被顯示）、耗時量、內(nèi)存占用量。④學生信息。學生信息包括學號、班級、作業(yè)正確率、聯(lián)系方式、未完成的作業(yè)。⑤題庫管理。題庫包括已有題目的各類信息，提供增加題目、刪除題目和公布答案等各項鏈接，以及查看對應題目的正確率，答對題目學生名單。⑥學生管理。針對所教班級的學生，進行學生信息的錄入和刪除。

3）學生角色 ①個人信息編輯功能。昵稱、密碼、郵箱、手機號碼等的信息修改。②查看作業(yè)。老師布置作業(yè)查看、完成和未完成題目查看。③提交作業(yè)。將源代碼粘貼至對應的提交窗口進行提交，對同一道題目可以多次提交，作業(yè)提交與作業(yè)編譯。④查看作業(yè)結果。如果題目已過期，則可以看標準的答案。同時可以觀看自己提交作業(yè)的正確率排名等情況。⑤比賽的報名和參賽。

4）題庫管理員 （與教師角色有部分重復） 包括題庫的增加、修改、刪除，以及查看對應題目的正確率，答對題目學生名單。

2.2.2 學校內(nèi)外比賽、練習系統(tǒng)模塊

該模塊主要實現(xiàn)學生競賽和平時模擬練習功能，模塊結構圖如圖2所示。

1）系統(tǒng)管理員 ①賽事管理。發(fā)布比賽，選擇比賽的題目。②用戶管理。對比賽管理員、題庫管理員、普通用戶的管理。③公告新聞的管理。發(fā)布比賽信息，公布比賽結果。

2）比賽管理員 ①發(fā)布比賽信息。②審核參加比賽的用戶。③從題庫中選擇比賽的題目。④對比賽的相關統(tǒng)計。

3）題庫管理員 添加修改刪除題庫中的題目。題庫包括：練習所需的題庫，作業(yè)題庫，比賽所用題庫。

4）普通用戶 ①平時題庫練習。②申請參加比賽。③參加比賽。

圖2 學校內(nèi)外比賽、練習系統(tǒng)結構圖

3 實現(xiàn)的關鍵技術

3.1 在線編譯關鍵技術

3.1.1 在asp.net中調(diào)用可執(zhí)行文件

評判過程中，需要2次調(diào)用可執(zhí)行文件，一次是調(diào)用編譯器手動編譯源代碼，一次是調(diào)用生成的可執(zhí)行文件。在C＃中的方法是System.Diagnostic.Process.Start，即創(chuàng)建一個進程。然后設置進程相關信息。

3.1.2 用命令行方式編譯源程序

對于用C++語言編寫的源程序，可用GCC編譯器 （Linux下最常用的），它的編譯基本行命令是g++-o file file.cpp，執(zhí)行可執(zhí)行文件的行命令是.／file。

C文件類似，編譯基本行命令是：gcc-o file file.c，執(zhí)行可執(zhí)行文件的行命令是.／file。

若使用VC6.0自帶的編譯器cl.exe編譯C或C++文件，首先運行cl.exe所在的文件夾里面的批處理VSVAR32.BAT，再使用cl命令行。

3.1.3 重定向輸出到文件

該系統(tǒng)以子進程方式運行編譯后的用戶程序，需要在非鍵盤交互方式下將輸入數(shù)據(jù)提交給用戶程序，并將運算結構和運行錯誤捕獲，這就需要將編譯的結果信息重定向到文件，以備讀取，給客戶端顯示。C＃中 “＞”為重定向符，語法如下：

p.StandardInput.WriteLine（“cl”+SrcPath+ “＞”+TextPath）；／／“＞”：文件重定向

將編譯結果寫入指定路徑的.txt文件中，詳細的錯誤信息可以從中讀取。

3.2 黑盒測試

3.2.1 源代碼評判原理

系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)驅動方式，測試時只需評判輸入的數(shù)據(jù)和確定的輸出數(shù)據(jù)即可，不必考慮源程序的具體內(nèi)容和算法。該系統(tǒng)實際運行中，待測源程序從控制臺輸入和輸出，提交程序時同時設置時空閾值，以便超限時終止程序的執(zhí)行并置錯誤標志。評判程序通過系統(tǒng)調(diào)用編譯后的可執(zhí)行文件 （二進制文件）為子進程，同時建立通向該子進程的標準輸入輸出管道，通過該管道寫入待測程序的標準輸入空間，待測程序讀到數(shù)據(jù)后計算并輸出。該過程中，操作系統(tǒng)在評判程序的控制下監(jiān)控待測程序進程的時空數(shù)據(jù)，若超過了時空閾值則終止待測進程并通知評判程序，將程序運行錯誤信息寫入到重定向的錯誤輸出文件中，最后分析輸出文件中的數(shù)據(jù)是否和標準答案數(shù)據(jù)完全一致，若一致則證明源程序是正確的。標準答案通常以正則表達式形式給出，以文本文件形式保存。

在黑盒測試方法中，采用窮舉輸入方法，輸入數(shù)據(jù)通常由多組測試數(shù)據(jù)構成一個數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集包含若干組典型測試數(shù)據(jù)和全部邊界測試數(shù)據(jù)。測試流程圖如圖3所示。

3.2.2 限制程序運行時間

限制運行時間主要用來防止程序出現(xiàn)死循環(huán)，避免CPU資源過度開銷。系統(tǒng)通過進程管理的方法將程序運行時間最少限制到1ms。限制程序流程圖如圖4所示。進程管理的核心是進程的執(zhí)行，內(nèi)核通過系統(tǒng)調(diào)用接口 （System call Interface，SCI）提供一個API來創(chuàng)建一個新進程 （frok（）方法），停止進程 （kill（）方法），并在它們之間進行通信和同步。進程管理實現(xiàn)了活動進程共享CPU的需求，內(nèi)核采用新型的調(diào)度算法，即O（1）調(diào)度算法，該算法可以在固定的時間內(nèi)進行操作，不管有多少個進程在競爭CPU。

圖4中，黑盒評測程序是父進程，它通過fork（）方法生成子進程，在子進程中通過excelp（）方法將用戶程序裝入子進程的內(nèi)存并開始獨立執(zhí)行，此過程中，父進程不斷檢測子進程是否死鎖，如果沒有死鎖則檢查相應進程信息中的運行總時間，若超時則通過kill命令結束子進程。獲取子進程的實際CPU時間是整個流程的重點，黑盒評測程序通過讀取Linux內(nèi)建的proc文件系統(tǒng)信息來檢測CPU的時間開銷和內(nèi)存開銷，proc文件系統(tǒng)是動態(tài)從系統(tǒng)內(nèi)核讀取的進程信息，它存在于內(nèi)存，應用以下命令來獲取進程信息：

進程信息中有進程開銷的用戶時間和內(nèi)核時間，目標程序的運行總時間= （stat第＜14＞項數(shù)據(jù)+第＜15＞項數(shù)據(jù)）×10（ms）。

3.2.3 限制物理內(nèi)存

為了防止一些程序過度開銷物理內(nèi)存而導致系統(tǒng)運行過慢或服務器崩潰，常常需要內(nèi)存的使用量。該系統(tǒng)實現(xiàn)了子進程駐留內(nèi)存的直接限制，而傳統(tǒng)的方法通過設置rusage結構體只能限制子進程的虛擬內(nèi)存量。

限制子進程物理內(nèi)存的流程圖如圖4所示，在用戶程序進入子進程運行空間開始運行后，父進程不斷從proc文件系統(tǒng)檢測子程序的物理內(nèi)存，若超過規(guī)定的用量，則通過kill命令終止子進程的執(zhí)行。應用以下命令來獲取目標進程的內(nèi)存信息：

內(nèi)存信息有目標進程的內(nèi)存數(shù)據(jù)，它是以頁為單位的整數(shù)，一般一頁的大小為4KB，目標進程的內(nèi)存總量= （statm第＜2＞項×4）KB。

圖3 黑盒測試流程圖

圖4 父進程限制子進程運行圖

4 結語

介紹了源代碼在線評測系統(tǒng)的設計思路和關鍵實現(xiàn)技術。不同于以往的已開發(fā)的在線評測系統(tǒng)，該系統(tǒng)從技術上實現(xiàn)了物理內(nèi)存限制、高精度控制程序運行時間等難點，從功能上將系統(tǒng)定位在教學、自學、競賽培訓及競賽這4個方面。在教學方面，該系統(tǒng)可以用于學生作業(yè)的電子提交，提交后對源代碼進行動態(tài)測試，并給出評價結果，以代替教師的人工測評。在自學方面，因為有規(guī)模較大的數(shù)據(jù)庫支持，可以實現(xiàn)大容量的題庫鏈接，以供有興趣的學生進行進一步學習。在競賽培訓方面，該系統(tǒng)可以模擬競賽時的真實環(huán)境，從而使學生更快地進入比賽狀態(tài)，提高比賽成績。在競賽方面，借助這一系統(tǒng)，學校可以定期舉辦比賽，以激發(fā)學生們的編程熱情，營造良好的學習氛圍。

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