基于SSM框架和RabbitMQ技術(shù)的OJ系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)＊

戴施偉，周凌珉，鄭一泓

(浙江水利水電學(xué)院信息工程學(xué)院軟件工程系，浙江 溫州 325204)

0 引言

OJ（Online Judge）系統(tǒng)，是近十幾年隨著ACM 事業(yè)在中國的發(fā)展而引入的一種在線練習(xí)和比賽系統(tǒng)，最早設(shè)計(jì)服務(wù)于ACM-ICPC 國際大學(xué)生程序競賽的自動(dòng)判題和排名，使用者可在線提交多種程序的源代碼(如C、C++、Java)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)源代碼進(jìn)行編譯并運(yùn)行，再通過后臺(tái)數(shù)據(jù)庫的測試用例來檢驗(yàn)代碼的正確與否。隨著ACM 的發(fā)展和我國的信息化教學(xué)方式的變革，國內(nèi)一些高校也開發(fā)了屬于自己的OJ 系統(tǒng)，其中也不乏有許多主流的OJ，杭州電子科技大學(xué)的HDOJ，浙江大學(xué)的ZOJ……。通過建立本校的OJ，不僅可以方便平時(shí)ACM 隊(duì)員的訓(xùn)練和競賽模擬，還可以添加獨(dú)創(chuàng)的題目，擁有屬于本校自己的題庫；在日常教學(xué)方面，OJ系統(tǒng)不僅可以提高計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法的積極性和學(xué)習(xí)效率，也為所有想提高自己程序算法能力的學(xué)生提供了一個(gè)練習(xí)的平臺(tái)。

1 系統(tǒng)框架及設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

結(jié)合實(shí)際需求，在框架整體的設(shè)計(jì)中本系統(tǒng)著重考慮了在高并發(fā)訪問下的效率問題。

系統(tǒng)使用了Spring Boot 作為開發(fā)框架，它對(duì)于Spring中存在的重量級(jí)配置問題、項(xiàng)目的依賴管理、不支持分布式等問題進(jìn)行了改善和優(yōu)化，精簡配置的同時(shí)方便對(duì)外輸出各種形式的服務(wù)?？紤]到安全性以及系統(tǒng)性能，采用判題服務(wù)與后臺(tái)服務(wù)分離的架構(gòu)優(yōu)化方案，減少服務(wù)器負(fù)擔(dān)的同時(shí)降低開發(fā)人員對(duì)系統(tǒng)維護(hù)的難度。兩者間通信采用RabbitMQ 消息隊(duì)列，既可以提高并發(fā)量，又能降低服務(wù)之間的耦合度，且具有更好的時(shí)效性。采用MySQL 進(jìn)行數(shù)據(jù)持久化存儲(chǔ)，其服務(wù)靈活，快速穩(wěn)定。最后前端頁面的開發(fā)使用Vue.js框架，簡潔高效。

1.2 核心模塊設(shè)計(jì)

本判題系統(tǒng)劃分為三部分：前端交互、判題系統(tǒng)、后臺(tái)系統(tǒng)（見圖1）。在前端頁面中，根據(jù)功能需要，分別對(duì)每個(gè)角色進(jìn)行界面設(shè)計(jì)。下面主要介紹判題模塊與后臺(tái)服務(wù)模塊的功能。

圖1 系統(tǒng)思維導(dǎo)圖

1.2.1 判題模塊設(shè)計(jì)

為了系統(tǒng)的安全性，判題模塊應(yīng)與后臺(tái)服務(wù)模塊相分離，使用RabbitMQ 消息隊(duì)列實(shí)現(xiàn)通信，采用心跳機(jī)制，定時(shí)向后臺(tái)服務(wù)端發(fā)送判題端系統(tǒng)信息，用于展示判題端在線情況。為了便于查看管理，判題系統(tǒng)應(yīng)地向后臺(tái)系統(tǒng)上報(bào)判題系統(tǒng)運(yùn)作狀態(tài)（見圖2）。當(dāng)收到用戶提交信息時(shí)，判題系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，使后臺(tái)服務(wù)端處理判題請(qǐng)求（見圖3）。

圖2 判題系統(tǒng)活動(dòng)圖

圖3 后臺(tái)處理判題請(qǐng)求活動(dòng)圖

1.2.2 后臺(tái)服務(wù)模塊設(shè)計(jì)

后臺(tái)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)前端頁面操作和系統(tǒng)功能的重要模塊，本系統(tǒng)將后臺(tái)系統(tǒng)分為七個(gè)模塊，以下主要介紹四個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)。

⑴競賽模塊：當(dāng)收到判題結(jié)果信息后，系統(tǒng)會(huì)對(duì)競賽信息進(jìn)行相關(guān)更新（見圖4）。管理員和教師能在后臺(tái)添加新競賽，并且可以設(shè)置競賽顯示時(shí)間、開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、競賽總時(shí)長等。管理員和教師也能對(duì)自己權(quán)限范圍內(nèi)的競賽進(jìn)行修改，進(jìn)行用戶管理。設(shè)置測試賬號(hào)后可以進(jìn)行競賽測試。設(shè)立排行榜，對(duì)競賽成績按照編程競賽規(guī)則排名。可以對(duì)前臺(tái)采集的用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存、分析、IP 上報(bào)，防止用戶作弊。提供競賽加入功能，用戶在競賽過程中可以直接加入開放型競賽，對(duì)于私人競賽可以通過房間ID 和密鑰加入。對(duì)于競賽數(shù)據(jù)如用戶答題情況、用戶提交情況、用戶競賽IP 數(shù)據(jù)、排行榜，可以進(jìn)行查閱和導(dǎo)出，同時(shí)競賽的提交數(shù)據(jù)也可以進(jìn)行重新判題。

圖4 后臺(tái)系統(tǒng)處理判題結(jié)果活動(dòng)圖

⑵練習(xí)模塊：用戶可以查閱系統(tǒng)中公共類型的問題內(nèi)容，并按答題情況差異化展示。設(shè)立排行榜，對(duì)用戶按已解決問題數(shù)進(jìn)行排名。

⑶問題模塊：管理員或教師能添加新的問題，也對(duì)自己權(quán)限范圍的問題信息進(jìn)行修改、刪除，還可以添加或刪除測試數(shù)據(jù)。

⑷討論模塊：管理員可以在系統(tǒng)設(shè)置中開啟討論區(qū)，用戶能在討論區(qū)中發(fā)起討論，可以和其他用戶進(jìn)行評(píng)論互動(dòng)。

1.3 安全性設(shè)計(jì)

本判題系統(tǒng)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存使用MySQL。判題系統(tǒng)模塊與后臺(tái)服務(wù)模塊分離，模塊間通信擯棄現(xiàn)有OJ系統(tǒng)普遍采用的直接讀取數(shù)據(jù)庫的方案，使用RabbitMQ消息隊(duì)列實(shí)現(xiàn)通信以提高安全性。規(guī)范數(shù)據(jù)庫編碼設(shè)計(jì)，防止攻擊者通過sql 注入對(duì)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、刪除、篡改。

本系統(tǒng)采用Spring Boot 自帶的定時(shí)器定時(shí)調(diào)用MySQL 自帶的mysqldump 命令來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫導(dǎo)出到文件，然后通過SMTP郵件發(fā)送服務(wù)，將數(shù)據(jù)庫備份文件打包發(fā)送給系統(tǒng)預(yù)置的管理員郵箱，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫備份操作。設(shè)計(jì)時(shí)引入Docker，將判題服務(wù)封裝成容器，一方面實(shí)現(xiàn)簡易部署，另一方面Docker 容器相較于直接在宿主機(jī)運(yùn)行擁有更好的安全性。

1.4 UI設(shè)計(jì)

前端頁面基于Vuexy Admin Template模板開發(fā)，界面基礎(chǔ)輔助色為灰黑紫，簡潔大方。頁面設(shè)計(jì)中，為用戶每一類型的操作提供明確的反饋，同時(shí)也設(shè)計(jì)了對(duì)話框以及錯(cuò)誤提示。輸入框采用簡單的描述文字，并使用左對(duì)齊，以符合閱讀視線規(guī)律，選擇恰當(dāng)?shù)奈淖诸伾o予用戶輸入反饋，對(duì)于錯(cuò)誤輸入給予紅色提示，對(duì)于正確輸入無提示或者給予綠色提示，對(duì)于危險(xiǎn)輸入給予黃色提示。致力于設(shè)計(jì)一款用戶友好型操作界面。

用戶界面設(shè)計(jì)為左右布局，左邊用于欄目導(dǎo)航，右邊用于欄目內(nèi)容的展示，便捷高效的同時(shí)讓頁面看起來更加活躍（見圖5）。

圖5 頁面布局概覽

引入插件apexcharts 進(jìn)行對(duì)部分場景數(shù)據(jù)的圖形繪制，用更加直觀的數(shù)據(jù)圖展示內(nèi)容（見圖6）。

圖6 個(gè)人答題情況扇形圖

對(duì)于表格類數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分級(jí)，不同類數(shù)據(jù)采用不同配色，直觀化展示各類信息，使用戶在了解信息優(yōu)先級(jí)的同時(shí)對(duì)信息有更快速更準(zhǔn)確的定位（見圖7）。

圖7 個(gè)人歷史答題情況圖

2 核心功能的實(shí)現(xiàn)

2.1 用戶權(quán)限驗(yàn)證的實(shí)現(xiàn)

對(duì)于用戶權(quán)限驗(yàn)證的實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)通過客戶端對(duì)Header（請(qǐng)求頭）中的Authorization 字段里攜帶的token令牌進(jìn)行用戶的權(quán)限校驗(yàn)，客戶端發(fā)出的所有請(qǐng)求都會(huì)攜帶這個(gè)令牌，當(dāng)用戶注銷，令牌就會(huì)在客戶端進(jìn)行銷毀，由于token 無狀態(tài)的特點(diǎn)，服務(wù)器不需要保存令牌的狀態(tài)，可以有效降低服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)庫查詢的次數(shù)。在用戶登錄的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶的個(gè)人信息和登錄時(shí)間生成一個(gè)具有有效時(shí)間限制的token（令牌）。

本系統(tǒng)使用filter（過濾器）和interceptor（攔截器）對(duì)部分需要權(quán)限的頁面進(jìn)行授權(quán)校驗(yàn)，從Header 中獲取令牌，對(duì)其進(jìn)行Base64Decode解碼后對(duì)authorization字段進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證通過后，修改Header注入用戶ID和用戶等級(jí)信息。當(dāng)驗(yàn)證的令牌的信息無效或者錯(cuò)誤時(shí)，拒絕訪問當(dāng)前請(qǐng)求的頁面并返回授權(quán)錯(cuò)誤信息。

2.2 后臺(tái)服務(wù)與判題服務(wù)器通信的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用RabbitMQ 消息隊(duì)列實(shí)現(xiàn)后臺(tái)服務(wù)與判題服務(wù)器之間的通信主要服務(wù)內(nèi)容有：向判題服務(wù)器發(fā)送判題請(qǐng)求，向后臺(tái)服務(wù)發(fā)送判題服務(wù)器返回的判題結(jié)果，實(shí)現(xiàn)心跳機(jī)制——定時(shí)向后臺(tái)服務(wù)端發(fā)送判題端的系統(tǒng)信息。MQ 服務(wù)器中的重發(fā)機(jī)制所帶來的因數(shù)據(jù)量過多導(dǎo)致內(nèi)存溢出的危險(xiǎn)，可以通過調(diào)用ChannelAwareMessageListener 接口實(shí)現(xiàn)來ack 機(jī)制來消除。

2.3 自動(dòng)判題的實(shí)現(xiàn)

判題服務(wù)器在接收RabbitMQ 消息隊(duì)列中的判題請(qǐng)求之后，將提交的代碼寫入臨時(shí)文件。根據(jù)請(qǐng)求者選擇使用的語言類型，選擇不同的編譯器進(jìn)行編譯并生成可執(zhí)行文件。文件生成完畢即使用題目所對(duì)應(yīng)的測試用例進(jìn)行測試，執(zhí)行完的結(jié)果保存至.out 后綴的文件中,通過用Ptrace 對(duì)進(jìn)程進(jìn)行跟蹤，執(zhí)行完畢刪除臨時(shí)文件，并使用題目所對(duì)應(yīng)的樣本標(biāo)準(zhǔn)測試結(jié)果文件和執(zhí)行生成的文件進(jìn)行比對(duì)，判斷的結(jié)果通過RabbitMQ消息隊(duì)列返回。

3 結(jié)束語

伴隨信息化教育的普及，OJ系統(tǒng)的應(yīng)用場景也順應(yīng)增加，本系統(tǒng)在保證原有功能的基礎(chǔ)上,增加了對(duì)應(yīng)教學(xué)場景的功能，對(duì)成績和代碼的導(dǎo)出，反作弊管理的加強(qiáng)。本系統(tǒng)的后期測試結(jié)果表明所有功能運(yùn)行正常，也符合了預(yù)期性能要求。本系統(tǒng)正式運(yùn)行后在日常教學(xué)環(huán)境中得到了良好應(yīng)用，不僅能夠滿足ACM隊(duì)員的日常訓(xùn)練、模擬比賽、開展競賽，也能作為教師開展相應(yīng)程序類設(shè)計(jì)課程的教學(xué)輔助工具，為學(xué)校所有計(jì)算機(jī)類學(xué)生和想提高自己算法能力的學(xué)生提供了一個(gè)便捷有效的平臺(tái)。