計算機編程課程在線評測系統的探究與設計

劉振超 孫娜 黃建昌

摘 要：目前計算機編程課程考試都是基于OJ系統的，評價一個OJ系統性能的標準，主要看它的判題效率及準確性。本文在對判題端的設計中，使用python來編寫判題邏輯，通過增加判題節點來提高判題效率，并將預先設計好的測試數據存儲到利用PostgreSQL和Redis構建的后臺數據庫中，用于測試用戶程序的正確性。

關鍵詞：OJ系統；判題邏輯；Python；PostgreSQL

隨著教育信息化的發展，OJ系統通常被用作練習編程和考試的平臺。它的出現增加了學習的靈活性，提高了學生的學習效率，減輕了教師的工作負擔。評價一個OJ系統性能的好壞，最關鍵的性能指標就是判題效率及準確性，所以在OJ系統的開發過程中，判題端的設計和開發顯得尤為重要。在判題端的設計部分，本文基于python來編寫判題邏輯，并對用戶程序的運行時間、占用內存進行了限制。還將預先設計好的測試數據存儲到了利用PostgreSQL和Redis提前構建好的后臺數據庫中，用于測試用戶程序的正確性，并通過增加判題節點的方法提高了判題效率。

一、 概述

OJ系統是通過對代碼進行編譯執行，使用預設數據進行測試，從而分析出用戶所提交代碼正確性的系統。它整體可以分為兩部分——web部分和judge部分。其中，judge就是判題機，它的核心被稱為judge-server，也就是判題邏輯。當用戶提交了源代碼后，判題程序會對該源代碼進行編譯、運行。用戶程序執行的結果會被捕捉并保存，然后轉交給一個裁判程序。該裁判程序會調用題目對應文件夾內的輸入輸出數據與用戶程序的輸出數據進行比較，然后由系統返回給用戶一個狀態和程序占用內存、運行時間等信息。

二、 判題邏輯

本文使用python對判題邏輯進行了編寫，它就是一個能夠去編譯和運行用戶提交上來的源代碼的程序。它將啟動兩個進程來實現判題功能。其中judged是服務進程，負責輪詢solution表（存放在后臺數據庫中），然后獲取判題隊列；judge_client進程負責準備運行環境、判斷運行結果、監測時間和空間受限。

每個題目會生成一個相應的文件夾，文件夾中存放著測試數據。其中.in文件保存的是測試用的輸入數據，比如1 1這樣的測試數據。.out文件是輸出數據，比如2，對應的程序就是1+1=2。

此外，判題程序還需要對用戶程序的運行時間、占用內存進行限制。

（一） 時間限制

當setitimer定時器計時結束時，系統就會給進程發送一個信號。進程實際運行時間計數器（ITIMER_REAL）計時結束時會發送SIGALRM信號，進程CPU時間計數器（ITIMER_VIRTUAL）計時結束時會發送SIGVTALRM信號。I我們設置好定時器之后，如果捕獲到了對應的信號，說明當前進程運行超時。

（二） 占用內存限制

開發OJ的在線判題功能，需要一個子進程在沙箱中進行代碼的編譯、運行并計算使用的cpu資源和內存資源，對于子進程的資源管理，在Linux系統下，我們選擇使用RLimit。

其中有兩個重要的函數：

int getrlimit（int resource， struct rlimit *rlptr）；

int setrlimit（int resource， const struct rlimit *rlptr）；

getrlimit（ ）用于獲取當前進程的RLimit，；setrlimit（ ）則用于設置當前進程的RLimit。傳入不同的resource值，便是對當前進程的不同運行資源設定限制。resource值中的RLIMIT_AS用來限制進程的最大內存地址空間，如果超過這個地址空間，內存將不能分配成功。

三、 判題節點

判題部分是整個OJ系統的核心所在，所以提高判題端的工作效率對于提高整個系統的性能而言是至關重要的。對于提高judge的判題效率，采取了增加判題節點的方法，具體思路是：通過Web端發送判題的請求給RabbitMQ消息隊列，每當有一個新任務，就啟用一個judge_client進程，每個判題請求擁有一個自己的ID（即一個判題節點），每個ID對應著一個judge_client進程，這樣就可以使多組測試數據同時去檢測，從而加快判題速度。如圖1所示是判題過程。

圖1 判題過程示意圖

四、 結語

本系統的判題端目前可以用來檢測C，C++，JAVA代碼的正確性，以及代碼運行的時間和占用的內存是否超出限制。今后，我們準備在“如何支持更多類型題目的提交”“如何在提交記錄里顯示分數”“怎樣增加交互式判題功能”三方面進一步完善該系統。

（通訊作者：劉宇）

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作者簡介：

劉振超，孫娜，黃建昌，河北省黃驥市，河北農業大學理工學院。