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    基于云計(jì)算的在線編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    2017-11-17 05:44:27陳春燕孫天驍張俊
    數(shù)碼設(shè)計(jì) 2017年5期
    關(guān)鍵詞:編譯器網(wǎng)頁(yè)代碼

    陳春燕,孫天驍,張俊*

    ?

    基于云計(jì)算的在線編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    陳春燕,孫天驍,張俊*

    (武漢工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,湖北武漢,430205)

    本在線編程系統(tǒng)(網(wǎng)頁(yè)版和Android客戶端版)將通過(guò)云計(jì)算中的云服務(wù)器功能,實(shí)現(xiàn)將代碼等有關(guān)內(nèi)容交給服務(wù)器編譯執(zhí)行,將執(zhí)行結(jié)果和可能的有關(guān)錯(cuò)誤信息返回,并把執(zhí)行結(jié)果分享給朋友共同學(xué)習(xí)提高等功能。在前端界面設(shè)計(jì)上,采用HTML5等技術(shù)實(shí)現(xiàn)的響應(yīng)式交互網(wǎng)頁(yè)能保證用戶的較好體驗(yàn)。本在線編程系統(tǒng)提供六種編程語(yǔ)言(C/C++、C#、Java、Python2.7、Python3.4)供用戶選擇,方便用戶練習(xí)、編寫和分享代碼及其運(yùn)行結(jié)果,具有便攜性、隨時(shí)隨地編程等特點(diǎn)。

    云計(jì)算;在線編譯;編程;HTML5

    引言

    近年來(lái),隨著智能手機(jī)的流行,人們已無(wú)需依賴電腦進(jìn)行各種各樣的娛樂(lè)活動(dòng)。智能手機(jī)不僅有較大的觸摸屏幕,高速度的處理節(jié)奏、傳感器支持和優(yōu)秀的互聯(lián)網(wǎng)體驗(yàn),最重要的是智能手機(jī)搭載了開(kāi)放式的操作系統(tǒng),任何人都可以基于這個(gè)操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)適合于手機(jī)運(yùn)行的應(yīng)用程序(APP),令智能手機(jī)的功能得到無(wú)限擴(kuò)充。

    但智能手機(jī)的使用使得互聯(lián)網(wǎng)每天都會(huì)新增大量數(shù)據(jù)。如何管理這些大數(shù)據(jù),提取有用的信息,是當(dāng)前信息技術(shù)的熱點(diǎn)。云計(jì)算是一種按使用量付費(fèi)的模式,這種模式提供可用的、便捷的、按需的網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn),進(jìn)入可配置的計(jì)算資源共享池(資源包括網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲(chǔ)、應(yīng)用軟件、服務(wù)),這些資源能夠被快速提供,只需投入很少的管理工作,或與服務(wù)供應(yīng)商進(jìn)行很少的交互。云計(jì)算的模式讓大規(guī)模計(jì)算變得廉價(jià),讓普通人都可以享受到大數(shù)據(jù)、云計(jì)算本身帶來(lái)的便利[1]。

    另外,HTML5和CSS3等新技術(shù)已在生活中普及。利用HTML5、CSS3和JavaScript開(kāi)發(fā)出的網(wǎng)頁(yè)應(yīng)用程序[2],相比直接依賴終端操作系統(tǒng)的原始支持語(yǔ)言,具有強(qiáng)交互、響應(yīng)式,良好的跨平臺(tái)性優(yōu)勢(shì)。如果將Web技術(shù)和手機(jī)應(yīng)用程序結(jié)合在一起,即可創(chuàng)造一個(gè)較為出色的手機(jī)應(yīng)用程序。

    1 在線編譯器現(xiàn)狀分析

    在線編譯器是指在不需要安裝任何的編譯環(huán)境和軟件的情況下,就能夠編寫、編譯并執(zhí)行程序。用戶不需要承擔(dān)傳統(tǒng)編譯器所帶來(lái)的內(nèi)存消耗、硬盤存儲(chǔ)空間的消耗就能開(kāi)始快速編寫程序。用戶還可以到任何一個(gè)可以上網(wǎng)的PC上編寫代碼,不需要費(fèi)時(shí)去安裝和配置傳統(tǒng)的編譯環(huán)境?,F(xiàn)如今在線編譯器種類繁多,但仍存在許多不足,總結(jié)有如下幾點(diǎn):

    (1)界面不簡(jiǎn)潔,支持編程語(yǔ)言種類少;

    (2)傳統(tǒng)的物理服務(wù)器在部署、資源分配、可靠性等的不足與限制;

    (3)編寫時(shí)無(wú)感應(yīng)顯示框,不能高亮顯示代碼;

    (4)不具有交互性,代碼不能分享給其他用戶交流學(xué)習(xí)。

    針對(duì)以上問(wèn)題,本文選擇云計(jì)算中的云服務(wù)器來(lái)編譯/解釋和執(zhí)行在線編程系統(tǒng)中的程序,并將有關(guān)結(jié)果返回前端呈現(xiàn)給用戶[3]。云服務(wù)器利用硬件資源集約化,相比傳統(tǒng)服務(wù)器能夠動(dòng)態(tài)調(diào)配計(jì)算資源,具有可靠、部署簡(jiǎn)便、靈活擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。在前端界面設(shè)計(jì)上,采用HTML5、Bootstrip等技術(shù)能實(shí)現(xiàn)界面的響應(yīng)式交互功能。另外本項(xiàng)目還嵌入了可支持代碼自動(dòng)縮進(jìn)、高亮,提供簡(jiǎn)單的代碼提示、拼寫檢查等功能的代碼編輯器,給用戶在編寫代碼時(shí)提供了方便。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了在線編程系統(tǒng)的網(wǎng)頁(yè)版和Android客戶端版兩個(gè)版本,進(jìn)一步方便了用戶進(jìn)行代碼的學(xué)習(xí)與提高,本系統(tǒng)的其他特性將在下文中一一敘述。

    2 使用的主要工具和技術(shù)

    2.1 Ubuntu14.04操作系統(tǒng)

    本文采用阿里云作為后端服務(wù)器提供商。為了能夠運(yùn)行編程語(yǔ)言的編譯器,需要擁有一個(gè)固定的公網(wǎng)IP,在其上執(zhí)行程序和通過(guò)HTTP等協(xié)議來(lái)與外界交換信息。本文選擇Linux發(fā)行版Ubuntu14.04作為云服務(wù)器的操作系統(tǒng)。Linux系統(tǒng)是一種免費(fèi)使用和自由傳播的類Unix操作系統(tǒng),它以網(wǎng)絡(luò)作為核心設(shè)計(jì)思想,支持多用戶、多任務(wù)、多線程和多CPU,是一個(gè)性能穩(wěn)定的多用戶網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng),其發(fā)行版Ubuntu的目標(biāo)在于為用戶提供一個(gè)最新且較穩(wěn)定的主要由自由軟件構(gòu)建而成的操作系統(tǒng)。此外,本文使用Putty軟件來(lái)遠(yuǎn)程登陸此操作系統(tǒng);在Android平臺(tái)上,則使用JuiceSSH軟件登陸。

    2.2 LAMP架構(gòu)

    LAMP(Linux-Apache-MySQL-PHP)網(wǎng)站架構(gòu)是目前國(guó)際流行的Web框架,Linux是源代碼可用的操作系統(tǒng),Apache是一個(gè)開(kāi)放源碼的Web服務(wù)器軟件,MySQL是多線程、多用戶的SQL數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng),PHP是一種編程語(yǔ)言,主要用于服務(wù)器端的應(yīng)用程序軟件。隨著開(kāi)源潮流的蓬勃發(fā)展,開(kāi)放源代碼的LAMP已經(jīng)與J2EE和.Net商業(yè)軟件形成三足鼎立之勢(shì)。LAMP架構(gòu)相比于J2EE,其有輕量,快速部署等明顯優(yōu)點(diǎn);跟.NET相比,其具有跨平臺(tái),高性能低價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)[4]。

    2.3 響應(yīng)式交互界面

    響應(yīng)式交互網(wǎng)頁(yè)是指頁(yè)面設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)根據(jù)設(shè)備環(huán)境(系統(tǒng)平臺(tái)、屏幕尺寸)進(jìn)行相應(yīng)的響應(yīng)和調(diào)整,使網(wǎng)頁(yè)適應(yīng)于任何設(shè)備[5]。相比起一般的靜態(tài)網(wǎng)頁(yè),它具有跨平臺(tái)、節(jié)省開(kāi)發(fā)成本、在不同平臺(tái)上的表現(xiàn)內(nèi)容保持一致性、體驗(yàn)良好等優(yōu)點(diǎn)。尤其是對(duì)于頁(yè)面結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的在線編譯器,適合響應(yīng)式頁(yè)面,能夠在保證各個(gè)設(shè)備都能被良好設(shè)計(jì)和呈現(xiàn)的局限條件下,減少對(duì)不同設(shè)備的開(kāi)發(fā)成本。

    3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

    本項(xiàng)目的功能模塊從大的方面可以分為兩大模塊,一方面是客戶端功能模塊,另一方面是云服務(wù)器端功能模塊,對(duì)用戶和服務(wù)器端進(jìn)行相關(guān)活動(dòng)分析,得出如圖1、圖2所示用例圖。

    圖1 系統(tǒng)用戶用例圖

    圖2 云服務(wù)器用例圖

    根據(jù)上兩圖和語(yǔ)言程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程(編寫源程序→編譯→連接→運(yùn)行),本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作主要包括五個(gè)模塊:源程序輸入模塊,在線編譯模塊,可執(zhí)行程序輸出模塊,程序查看模塊和程序分享模塊。各個(gè)模塊能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互傳輸和共享。

    3.1 源程序輸入模塊

    用戶通過(guò)源程序輸入的界面編輯代碼、提交代碼和閱讀執(zhí)行結(jié)果。本文采用HTML5、CSS3、JavaScript以及Bootstrip制作響應(yīng)式交互網(wǎng)頁(yè)。選用Ace.js作為代碼編輯器,用戶在編寫程序時(shí),其代碼能夠進(jìn)行高亮顯示、自動(dòng)縮進(jìn),并能夠自動(dòng)生成代碼列表,方便用戶編程,減少代碼編寫的錯(cuò)誤。選用jQuery JavaScript框架實(shí)現(xiàn)屏蔽瀏覽器兼容差異的無(wú)刷新提交,優(yōu)化用戶體驗(yàn)。本文還在界面中添加標(biāo)準(zhǔn)輸入的表單,添加選擇語(yǔ)言、編譯并執(zhí)行、查看歷史提交的按鈕(網(wǎng)頁(yè)版按鈕名稱為其相對(duì)應(yīng)的英文),豐富在線編程系統(tǒng)的功能。網(wǎng)頁(yè)版源程序輸入界面如圖3所示。

    圖3 網(wǎng)頁(yè)版源程序輸入界面

    在線編程系統(tǒng)的APP版采用源程序輸入界面WebView內(nèi)嵌Ace.js的方案,使得用戶啟動(dòng)APP后,代碼編輯器完全從本地調(diào)取,從而節(jié)省用戶的流量,獲得更高的速度和體驗(yàn)[6]。APP版還錄入支持各語(yǔ)言的“Hello World”程序。即用戶在切換語(yǔ)言的過(guò)程中,會(huì)自動(dòng)將對(duì)應(yīng)語(yǔ)言的“Hello World”程序提供給編輯器,用戶已對(duì)代碼編輯的情況除外,方便用戶直接在此基礎(chǔ)上編輯代碼,如圖4所示。

    另外,本文還給APP設(shè)計(jì)了檢查更新的功能。為了進(jìn)一步幫助用戶隨時(shí)隨地編程,時(shí)常對(duì)APP的功能做些改進(jìn),其版本號(hào)也不斷更新。如果發(fā)現(xiàn)存在新版本的APP,則通知前臺(tái)彈窗提示用戶,由用戶決定是否更新。在啟動(dòng)APP時(shí),實(shí)例化一個(gè)叫做UpdateChecker的類,這個(gè)類在后臺(tái)新建一個(gè)線程,構(gòu)建一個(gè)HTTPS請(qǐng)求,從服務(wù)器端獲取有關(guān)于最新版本的信息[7]。如果用戶選擇立即更新,前臺(tái)則展示一個(gè)帶進(jìn)度條的彈窗,新建一個(gè)線程從服務(wù)器上下載最新版本的APK文件到用戶Android設(shè)備的內(nèi)置存儲(chǔ)里,代碼如下所示:

    private void prepareDownload(final String apkUrl){

    AlertDialog.Builder builder = new AlertDialog.Builder(context);

    builder.setTitle("檢測(cè)到新版本,立刻更新嗎?");

    builder.setCancelable(false);

    builder.setMessage("V"+ latestVersion + " 版本" + (updateDes.isEmpty() ? "" : " " + updateDes));

    builder.setPositiveButton("確定", new DialogInterface.OnClickListener() {

    @Override

    public void onClick(DialogInterface dialogInterface, int i) {

    final ProgressDialog progressDialog = new ProgressDialog(context);

    progressDialog.setProgressStyle(ProgressDialog.STYLE_HORIZONTAL);

    progressDialog.setCancelable(false);

    progressDialog.setTitle("正在下載更新...");

    圖4 APP版源程序輸入界面

    圖5 APP版錯(cuò)誤信息返回界面

    3.2 在線編譯模塊

    本文先在云服務(wù)器上搭建LAMP架構(gòu):選用Ubuntu14.04作為云服務(wù)器的操作系統(tǒng),安裝Apache服務(wù)、MySQL數(shù)據(jù)庫(kù),構(gòu)建PHP運(yùn)行環(huán)境,再進(jìn)行httpd.conf配置調(diào)整,最后測(cè)試LAMP協(xié)同工作。若PHP網(wǎng)頁(yè)能訪問(wèn)MySQL數(shù)據(jù)庫(kù),則表明LAMP架構(gòu)已搭建完成,代碼如下。為了使云服務(wù)器可以支持多種語(yǔ)言的編譯執(zhí)行,又在服務(wù)器上安裝了C/C++、C#、Java、Python2.7、Python3.4這六種語(yǔ)言的編譯器。這樣,用戶在輸入界面選擇編程語(yǔ)言并且編輯代碼,點(diǎn)擊“Compile Run”按鈕(APP中為“編譯并執(zhí)行”按鈕)后,前端將代碼等內(nèi)容傳送給云服務(wù)器,云服務(wù)器編譯執(zhí)行并將執(zhí)行結(jié)果和可能的有關(guān)錯(cuò)誤信息返回。

    ~]

    添加:

    $link=mysql_connect('localhost','root','123456');

    if($link) echo "恭喜你,數(shù)據(jù)庫(kù)連接成功啦?。?;

    mysql_close();

    ?>

    ~]

    3.3 可執(zhí)行程序輸出模塊

    可執(zhí)行程序是指一種可在操作系統(tǒng)中浮動(dòng)定位的程序,若編譯及后續(xù)的連接命令沒(méi)有產(chǎn)生錯(cuò)誤,則生成可執(zhí)行文件返回前端以窗口的形式呈現(xiàn)給用戶;若有編譯錯(cuò)誤,云服務(wù)器則將結(jié)果和發(fā)生錯(cuò)誤的位置信息返回,方便用戶查找程序出錯(cuò)的位置,如圖5所示。

    3.4 程序查看模塊

    用戶若想要查看近期已編寫的所有程序及其相關(guān)信息,在APP版中只需點(diǎn)擊輸入界面右上方的按鈕(網(wǎng)頁(yè)版點(diǎn)擊輸入界面中最下方的“History”鏈接),則可查看到代碼及其提交時(shí)間、編程語(yǔ)言、代碼行數(shù)、耗時(shí)等信息,如圖6所示。具體做法是創(chuàng)建歷史提交記錄的頁(yè)面,添加一個(gè)列表來(lái)顯示各提交代碼的摘要。在輸入界面中放一個(gè)復(fù)選框,選擇是否生成公開(kāi)鏈接,如果選擇是,相關(guān)信息將被存入數(shù)據(jù)庫(kù),歷史提交的列表里就會(huì)顯示該提交記錄。本文選用Vue.js優(yōu)雅實(shí)現(xiàn)列表和自動(dòng)繼續(xù)向下加載的功能,選用highlight.js實(shí)現(xiàn)代碼上色。hightlight.js支持多種語(yǔ)言、多種樣式的代碼上色,可以自動(dòng)判斷語(yǔ)言類型以起到優(yōu)雅呈現(xiàn)代碼的效果。如圖6所示。

    查看歷史提交功能的相關(guān)代碼如下:

    $data[] = [

    'Id' => (int)$d['Id'],

    'codeType' => $codeDisplayName[$d['codeType']],

    'codeClass' => $codeClassName[$d['codeType']],

    'code' => $codePreview,

    'codeLines' => getLinesCount($d['code']),

    'inputLines' => getLinesCount($d['input']),

    'outputLines' => getLinesCount($d['runtimeOutput']),

    'urlCode' => $d['urlCode'],

    'runTime' => date("Y-m-d H:i", strtotime($d['runTime'])),

    'lastTime' => (int)$d['lastTime'],

    'isSuccess' => (bool)$d['isSuccess'],

    ];

    圖6 網(wǎng)頁(yè)版歷史提交界面

    3.5 程序分享模塊

    本文還在APP版中添加代碼分享功能,用戶可將自己編寫的代碼通過(guò)鏈接的形式分享給朋友,分享時(shí)應(yīng)使代碼能優(yōu)雅地呈現(xiàn)出來(lái)。

    本文使用Bootstrap做移動(dòng)端的適配。將highlight.js和Vue.js囊括APP版的在線編程系統(tǒng)中,測(cè)試好兩者的聯(lián)調(diào),在后端使用PHP給前端相應(yīng)的接口,調(diào)試JavaScript和Java之間的數(shù)據(jù)接口,并優(yōu)化顯示方式。在結(jié)果返回的顯示窗口中添加“生成分享”選項(xiàng),若用戶點(diǎn)擊此選項(xiàng),則顯示出一個(gè)關(guān)于此代碼詳情的頁(yè)面,并在代碼信息后提供“以此為基礎(chǔ)新建”的功能,便于用戶利用已有代碼開(kāi)始新的代碼編寫環(huán)境,如圖7所示。在頁(yè)面右上方添加分享按鈕,調(diào)用Android的通用分享接口,便于用戶通過(guò)微信、QQ等途徑將公開(kāi)鏈接分享給他人查閱。為了進(jìn)一步優(yōu)化代碼呈現(xiàn)效果,本文在highlight.js的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了代碼行號(hào)的功能,方便用戶通過(guò)行號(hào)對(duì)代碼就行點(diǎn)評(píng)和學(xué)習(xí),如圖8所示。

    4 安全性問(wèn)題

    4.1 提高系統(tǒng)通信安全性和可信賴性

    傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)中采用的HTTP協(xié)議利用明文傳輸信息,很難保證信息在傳輸過(guò)程中不被竊聽(tīng)和篡改。而HTTPS協(xié)議是對(duì)HTTP協(xié)議的可靠補(bǔ)充,存在不同于HTTP的默認(rèn)端口以及在HTTP和TCP之間加入加密/身份驗(yàn)證層,有效地防止了第三方對(duì)傳輸內(nèi)容的竊聽(tīng)和篡改[8]。本項(xiàng)目使用國(guó)外一個(gè)公共的免費(fèi)SSL項(xiàng)目Let's Encrypt為服務(wù)器頒發(fā)證書,以便于切換到HTTPS協(xié)議向外界提供服務(wù)。

    圖7 代碼詳情界面

    圖8 代碼分享界面

    4.2 提高服務(wù)器內(nèi)部安全性

    這是一個(gè)允許用戶遠(yuǎn)程提交程序的系統(tǒng),需防止用戶提交的惡意代碼竊取信息甚至破壞系統(tǒng)。本文使用Linux的權(quán)限機(jī)制去限制用戶進(jìn)程所能使用的最大資源和訪問(wèn)權(quán)限:新建一個(gè)用戶,利用Linux的ACL機(jī)制對(duì)其進(jìn)行權(quán)限限制,包括不允許訪問(wèn)服務(wù)器上的關(guān)鍵文件夾、限制其在臨時(shí)文件夾之外的寫權(quán)限。使用C語(yǔ)言編寫一個(gè)引導(dǎo)程序,這個(gè)引導(dǎo)程序的功能包括:對(duì)用戶程序的活動(dòng)范圍、當(dāng)前會(huì)話的資源占用進(jìn)行限制,將進(jìn)程替換到用戶進(jìn)程等,一定程度上保證了安全性。

    5 結(jié)束語(yǔ)

    本文完成的是一款借助云服務(wù)器,支持C/C++、C#、Java、Python2.7、Python3.4語(yǔ)言的在線編程系統(tǒng)。這個(gè)編程系統(tǒng)提供網(wǎng)頁(yè)版和Android客戶端版,主要定位是方便用戶練習(xí)、編寫和分享小段代碼和運(yùn)行結(jié)果,具有便攜性、隨時(shí)隨地編程等特點(diǎn)。但仍有不足之處,如支持語(yǔ)言偏少、對(duì)Android系統(tǒng)上的操作體驗(yàn)優(yōu)化不夠等。我們將通過(guò)不斷優(yōu)化和改良,為廣大青年提供一個(gè)高效便捷的學(xué)習(xí)編程的輔助工具。

    [1] 林闖, 蘇文博, 孟坤, 等. 云計(jì)算安全:架構(gòu)、機(jī)制與模型評(píng)價(jià)[J]. 計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào), 2013, 36(9): 1766-1774.

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    The Online Programming System Based on Cloud Computing Design and Implementation

    CHEN Chunyan, SUN Tianxiao, ZHANG Jun*

    (School of Computer Science and Engineering Wuhan Institute of Technology, Hubei Wuhan, 430205, China)

    This online programming system (web and Android client version) will be on in the cloud cloud server functions, implementation to compile the code and related content to the server to perform, will perform the results and the possible information about the error returns, and to share the results with friends study together to improve, and other functions.On the front-end interface design, by adopting the technical implementation of HTML5 user responsive, interactive web pages can guarantee a good experience.This on-line programming system with six kinds of programming language (C/C++, C#, Java, Python2.7, Python3.4) for the user to choose from, user-friendly exercises, and share code and operation result, has many characteristics, such as portability, programming anytime and anywhere.

    cloud computing; online compile; programming; HTML5

    陳春燕, 孫天驍, 張俊. 基于云計(jì)算的在線編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 數(shù)碼設(shè)計(jì), 2017, 6(5): 3-7.

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    10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.05.002

    TP393

    A

    1672-9129(2017)05-0003-05

    2017-01-26;

    2017-03-07。

    全國(guó)教育信息技術(shù)研究“十二五”規(guī)劃2015年度重點(diǎn)課程(編號(hào):156222629),湖北省教研項(xiàng)目(編號(hào):2013288,2016311),武漢工程大學(xué)教研項(xiàng)目(編號(hào):156222629),武漢工程大學(xué)校長(zhǎng)基金項(xiàng)目(編號(hào):2016043)。

    陳春燕(1996-),女,浙江湖州人,就讀于武漢工程大學(xué),本科在讀,研究方向:云計(jì)算與大數(shù)據(jù)處理。E-mail: 897081287@qq.com

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