语言程序在线提交系统设计与实现

王怡康 吴非凡 罗佳 沈祖伟 刘安琪 朱小锐

摘 要：本系统采用B/S架构，前端利用JavaScript，CSS等语言编写，后端数据库利用MySQL关系型数据库，评测机利用C#编写。主要实现了代码评测、线上考试、线上竞赛、自我评测等功能。本系统的设计目的是减轻教师教学压力，增加学生学习趣味性，帮助学生及时作出自我评价。

关键词：计算机辅助评价；程序设计；程序自动评测

在教学方面，传统的以人力检查学生学习成果的教学模式难以跟上时代的发展。对于教师，人工检查代码耗时耗力巨大，且难免有判断错误的情况。在学生广泛地参与各类程序设计竞赛的背景下，学生需要一款能够随时检测自己学习成果，提高学习积极性的系统。因此，设计一款解决以上问题，且适用于学校的OnlineJudge系统显得十分重要。本文着重介绍OnlineJudge系统的设计过程和使用的技术。

1 设计方案

1.1 开发平台

采用MySQL数据库用来存储用户、题目、比赛、班级、作业、提交记录等信息，开发工具为Navicat 11.1.13。网站分为前端和后端，开发工具为VS Code1.12.1。网站后端基于ThinkPHP 3.2.3框架实现，用来处理业务逻辑，读写数据库，并和前端界面进行数据的传输。网站前端基于HTML和jQuery技術实现，为用户界面，有统一的页首页尾和侧边栏。评测机为Windows平台的图形界面软件，使用C#语言，基于WindowsForms框架实现，通过POST方式与网站的API接口通信，开发工具为Visual Studio 2017。

1.2 硬件结构

本系统需要部署Web服务器和程序评测机。

系统采用B/S结构，Web服务器与评测机均为安装了Windows Server操作系统的服务器，两台服务器同时接入校园网，也可只部署一台Web服务器，在Web服务器上安装虚拟机软件，在虚拟机中部署评测机服务器。

Web服务器包含网站程序和数据库，网站程序包含模型、视图和控制器。评测机通过API接口与Web服务器通信，下载测试数据和用户提交的程序代码，自动编译、链接、执行，测评完成后上传结果。

1.3 主要功能

本系统完成主要功能如下：题库，提交记录，比赛，班级，测试。

其中，题库中放置了可公开的编程题目，学生可在其中挑选感兴趣的题去攻克，页面右端放有题目分类，学生也可以根据题目分类来找自己薄弱点加强练习。提交记录可以看到用户的提交记录。在班级功能中，老师创建班级并添加学生信息、学生查看班级信息等。比赛功能可以进行编程比赛。测试功能中，管理员端可以选择自动抽题组卷，学生端可以加入测试。

除此之外，本平台在登录管理员账号后可以实现增删题库、代码查重、数据统计、用户管理等功能。

1.4 评测机设计

评测机是此程序的灵魂，其实现为平台奠定了基础。评测机整体使用微软公司推出的C#语言和.NET Framework平台。

评测机分为离线模式和在线模式，评测机的软件为exe格式。评测程序需要用户手动安装各种语言的编译运行环境，评测机通过调用预先设定好的批处理来编译和执行程序，评分方式为通过对比运行结果和事先给出的样例来评分。

如图1所示，当处于在线工作模式时，评测机运行一个后台的异步工作线程，不断地向网站的API请求数据，如果有返回待评测的程序数据就调用本地评测功能，等待评测完毕后，再将评测结果发回API。

如图2所示，当处于离线工作模式时，评测机需要用户手动填写程序代码、测试数据、文件名、程序语言、时间内存限制等信息，填好后手动点击“立即评测”按钮，评测机评测完程序后输出评测结果。

1.5 Web网站设计

Web是整个系统与用户的交互界面，也是核心功能实现的途径。Web界面需要兼具美观和功能性，因此，Web的设计十分重要。图3展示Web界面实现的部分功能。

Web端为用户交互界面，绝大部分功能依附于Web实现，核心功能为作业发布与提交、竞赛、考试功能。工作流程如图4所示。教师在发布作业或创建试题时，需要提前设置题目、应用语言范围、创建班级、所需时间、试卷题型等，所有所在班级成员均可收到作业。

学生登录，进入班级可收到最新作业。学生在网站做完作业可提交代码，调用评测机评测。系统将选取学生最高分进行记录。若场景为考试或练习，系统将学生答案与数据库标准答案进行比对，通过计算得出学生本场考试分数并记录在用户中心，管理员账号可以对学生提交代码进行查重，并根据查重率要求学生作出相应解释。

1.6 API接口

网站和评测机之间的通信通过API接口实现，评测机不断地向API发送数据请求，网站端根据请求作出相应的操作。

接口的HTTP请求方法为POST，分为“读请求”和“写请求”两种请求。网站接收到“读请求”时，将还没有完成评测的程序和对应题目的测试数据返回给评测机；接收到“写请求”时，将评测机发过来的具体评测结果写入数据库[1]。

评测程序需要使用专用的评测机账号登录。

2 网站后端框架

2.1 ThinkPHP框架

TinkPHP可以支持Windows/Unix/Linux等服务器环境，正式版需要PHP5.0以上版本支持，支持MySQL，PgSQL，Sqlite多种数据库以及PDO扩展，ThinkPHP框架本身没有特别模块要求，具体的应用系统运行环境要求视开发涉及的模块决定[2]。此系统用了MySQL关系型数据库，用以存放相应的数据。

2.2 数据库相关

数据库表、视图、存储过程、函数等创建过程这里不进行详细讨论。E-R模式如图5所示。

建议慎用触发器，触发器功能固然强大，但是它如同一把双刃剑，过分依赖触发器，会使数据库逻辑受到影响。又因为本系统会长期供学校使用，触发器数目过多势必增加数據库维护的难度。因此，触发器在本系统中应谨慎使用。

3 其他相关

3.1 代码查重

“代码查重”中，支持计算本作业提交的程序代码相似度，可查询整个作业的所有学生互相之间的相似度，统计出最高值，也可单独查询某一个学生与其他学生之间的代码相似度。代码相似度算法如下：

（1）找出两个字符串中相同部分最长的一段。

（2）再用同样的方法在剩下的两段中分别找出相同部分最长的一段，以此类推，直到没有任何相同部分。

（3）相似度=所有相同部分的长度之和×2/两个字符串的长度之和。相似度以百分比的形式展示，达到95%自动标为红色，点击百分比的链接可查看具体提交记录[3]。

3.2 安全性考虑

由于本系统需要原样执行用户提交的程序，就不可避免地会遇到有用户提交恶意程序代码的情况，轻则使评测机停止工作，重则破坏网站的文件和数据。

解决这类问题有两种方案，一是在执行程序之前检测程序行为加以防范，二是在程序对评测机破坏之后自动恢复。前者由于程序的描述方式千变万化，提前预防的方法不现实，只能采用后者。因此，评测机和Web服务器应部署于两台不同的计算机上，两台计算机同时接入校园网，评测机所在的计算机上应安装硬盘还原卡。如果硬件设备条件不够，也可在Web服务器上安装虚拟机软件，在虚拟机中部署评测机，虚拟机开启还原卡功能。

为实现自动恢复功能，系统应每隔一段时间（暂定为2 min）检测一下评测机是否正在工作，如果不工作就说明评测机发生故障，自动向评测机所在的计算机发送重新启动指令，由于安装有还原卡，重启后评测机会恢复原状，即可实现评测机出错后自动恢复的功能。

4 结语

互联网时代正在改变传统教学体系，以计算机为代表的新型课程越来越受到广大高校重视。与这门学科产生的原因一样，本套系统也是为了降低人工成本而生。目前，本套系统已应用于学校C语言程序设计课程教学、C语言程序设计竞赛，也可为ACM竞赛、天梯赛等赛事做培训相关工作。我们未来的设计方向是UI界面更人性化，支持更多程序语言（已有包括C，C++，Java，Python在内的多门语言），支持更多人同时在线评测等。

[参考文献]

[1]沃森，内格尔.C#入门经典[M].4版.齐立波，译.北京：清华大学出版社，2008.

[2]ThinkPHP文档中心.ThinkPHP 3.2.3完全开发文档[EB/OL].（2018-05-06）[2018-11-13].http：//document.thinkphp.cn/manual_3_2.html.

[3]吉尔摩.PHP与MySQL程序设计[M].4版.朱涛江，译.北京：人民邮电出版社，2017.