基于SSM的ACM虛擬判題系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

王致遠(yuǎn) 周威 陳義明

摘要：虛擬判題系統(tǒng)（virtual judge，VJ）是一種功能強大的ACM在線判題系統(tǒng)，它不僅能動態(tài)獲取著名ACM在線判題系統(tǒng)中的題目、調(diào)用該判題系統(tǒng)的判題引擎并獲得結(jié)果，而且還能在本地存儲相關(guān)的信息，為培養(yǎng)ACM選手作出了重要貢獻(xiàn)。針對目前的VJ使用SSH框架組合進(jìn)行開發(fā)，面臨struts 2安全漏洞和hibernate笨重的問題，使用模型、視圖和控制分離的MVC模式，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)，開發(fā)了一個基于SSM框架組合的虛擬在線判題系統(tǒng)。該系統(tǒng)已在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)的ACM選手訓(xùn)練中發(fā)揮巨大的作用。

關(guān)鍵詞：虛擬判題系統(tǒng)；SSM框架；網(wǎng)絡(luò)爬蟲

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）09-0095-03

1 背景

參加過ACM競賽的同學(xué)都知道，想要穩(wěn)扎穩(wěn)打的提升能力，進(jìn)行一次涉及全方位題型的競賽是必不可少的?，F(xiàn)在許多學(xué)校都有自己的Online judge（在線判題系統(tǒng)），其擁有出題，判題，舉行和參加競賽的功能。為大家的學(xué)習(xí)提供了很大的幫助。但不同的Online judge有不同的題目。于是，就有這么一種情況，在一次競賽中想用到不同Online judge的不同題目。這就變得麻煩了。放棄一些題目？覺得可惜；重新出題？要斟酌出全面，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y試用例的話，不但麻煩，而且還要花上不少時間?；谶@樣一種需求下Virtual judge（虛擬判題系統(tǒng)）的概念誕生了。

Virtual judge與在線判題系統(tǒng)不同。Online judge是有自己的判題引擎的，但Virtual judge沒有。那Virtual judge是如何實現(xiàn)判題功能的呢？事先在Online judge上注冊一個賬號。通過那個賬號將代碼提交給Online judge，然后利用網(wǎng)絡(luò)爬蟲獲取判題結(jié)果并展現(xiàn)給用戶。同樣，Virtual judge的題目也是可以通過網(wǎng)絡(luò)爬蟲從各個Online judge的題庫抓過來的。

當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)上有著SSH框架的Virtual judge系統(tǒng)。雖然已經(jīng)是十分完善的Virtual judge網(wǎng)站。但相對SSH而言，SSM框架更輕量級，效率更高，各層之間的耦合度更低。而且SSH框架還有一些缺點，例如：Hibernate雖然能夠自動生成SQL語句，但卻難以優(yōu)化，而且使用的門檻較高。以及，Struts2的安全性有待提高，黑客能通過漏洞獲得服務(wù)器的權(quán)限。于是，我們決定用SSM框架搭建Virtual judge。

2 相關(guān)技術(shù)

系統(tǒng)實現(xiàn)使用了SSM框架集合和網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)。

2.1 SSM框架

SSM框架即Spring+SpringMVC+Mybatis，是目前非常流行的web項目框架。能大大提高開發(fā)效率，減少重復(fù)工作，減少開發(fā)難度。

1）Spring是一個基于ioc（控制反轉(zhuǎn)）和AOP（面向切面）的框架。主要功能是把創(chuàng)建對象的工作交給Spring。由Spring創(chuàng)建對象并給對象的屬性賦予相關(guān)值，實現(xiàn)對對象的管理。使開發(fā)過程更加簡便。

2）SpringMVC是一個常用的MVC框架，應(yīng)用于控制層。通過xml配置，注解來決定如何處理用戶請求，分隔了各層功能，便于程序員的開發(fā)和優(yōu)化。

3）Mybatis處理與數(shù)據(jù)庫的交互。只需要提供SQL語句，建立連接，異常處理等其他重復(fù)的工作都交給Mybatis。使用靈活，便于SQL優(yōu)化。

MVC框架是指視圖（View），控制器（Controller），模型（Model）。視圖用于與用戶交互。收到的請求由控制器決定如何處理。而模型是用于記錄用戶上傳數(shù)據(jù)或者所需要的業(yè)務(wù)模型。

MVC框架將web項目的界面，邏輯，數(shù)據(jù)分隔開來。降低了各個部件的耦合性，提高了項目的可讀性，而且更方便項目工程的搭建。如圖1。

2.2 網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)爬蟲是一種按照特定規(guī)則能自動在網(wǎng)絡(luò)上尋找并抓取所需求信息的程序或腳本，經(jīng)常用于一些搜索引擎之類的網(wǎng)站?，F(xiàn)如今是大數(shù)據(jù)時代，截至2016年為止，光中國就有364.7萬余個網(wǎng)站。隨著信息與網(wǎng)站的越來越多，網(wǎng)絡(luò)爬蟲在其中就能發(fā)揮更大的作用。

不過Virtual judge所需要的題目信息等都是從確定的Online judge上獲取的，是基于目標(biāo)網(wǎng)頁的網(wǎng)絡(luò)爬蟲，所以在Virtual judge的搭建中只需要運用相對簡單的方法就能獲取我們所需要的相關(guān)信息。唯一麻煩的是有多個Online judge，所以要針對不同Online judge編寫不同代碼，工作量較大。

3 虛擬判題系統(tǒng)功能及實現(xiàn)

Virtual judge是基于滿足用戶更方便地在Online judge上做題，競賽的需求而搭建出來的。首先需要能夠從各個Online judge上獲取題目信息，以及能將代碼提交給對應(yīng)Online judge并再獲取提交狀態(tài)。那么相關(guān)的爬蟲代碼是必不可少的。為了能有更好的用戶體驗，一些Online judge的功能也是很需要的。一個賬號的登錄注冊系統(tǒng)。通過個人賬戶能更好的記錄，了解自己的做題情況。賬號功能也是競賽系統(tǒng)必備的一部分，因為要有不同的賬號才能方便分辨不同的參賽者。還有一個與ACM競賽相仿的競賽系統(tǒng)，這是判題系統(tǒng)最重要的部分。它能很好地鍛煉參賽學(xué)生，讓學(xué)生對ACM更熟悉，對競賽更有經(jīng)驗。

3.1 系統(tǒng)功能描述

1）賬號管理

這個部分比較簡單，是常見的用戶信息的注冊與登錄。主要包括用戶的登錄（賬號密碼的判斷），用戶注冊（輸入格式的要求，以及對數(shù)據(jù)庫新添數(shù)據(jù)），查看用戶信息（顯示相關(guān)信息，重點在于答題的情況）。該功能用于保存用戶信息，主要是記錄用戶的題目提交狀態(tài)（正確，超時，答案錯誤，內(nèi)存超限，格式錯誤等）和舉辦的競賽（主要是比賽信息）。不登錄的用戶是無法參加比賽和提交代碼的。該功能主要是用來方便用戶能更直觀的查看自己的做題情況。其他相關(guān)功能：為了用戶賬號密碼的安全，密碼將用MD5加密。

2）競賽功能

比賽主要有id，標(biāo)題，描述，分類，密碼，開始時間，結(jié)束時間，題目，管理員，還有參賽者的提交狀態(tài)這幾個重要屬性。其中題目最少1道，最多26道，題目不同重復(fù)而且必須已經(jīng)保存在題庫中。比賽時間由創(chuàng)建者決定，能根據(jù)具體需要更好的設(shè)計比賽。比賽得分參考常見的ACM比賽。首先是比較答對題目數(shù)目，在題目數(shù)目一致的情況下，比較解題時間。并且每次提交代碼但錯誤的話，加20分鐘懲罰時間。通過該功能就很方便地實現(xiàn)了用不同oj的不同題目進(jìn)行比賽，為組織比賽的老師提供了極大的方便。而且在比賽中加入實時排名功能，能夠查看每個人的答題情況，對參賽的學(xué)生和輔導(dǎo)老師都提供了很大的幫助。這樣就能針對學(xué)生水平， 隨時加以調(diào)整。為ACM競賽做好充實的準(zhǔn)備。

3.2系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

Virtual judge虛擬判題系統(tǒng)是一種特別的判題系統(tǒng)。它與一般常見的Online judge功能相仿。擁有記錄題目信息，判斷代碼對錯，舉行和參加競賽等必要功能。其不同之處在于它本身不擁有判題功能。服務(wù)器只進(jìn)行賬號管理，題目信息保存，競賽的舉行與信息記錄。判題的過程交給其他Online judge。其原理是通過用戶請求的OJ名稱和題號，將提交的代碼通過URL請求發(fā)給Online judge，然后利用爬蟲技術(shù)從Online judge響應(yīng)的網(wǎng)頁上獲得判題的結(jié)果，獲得的信息顯示在Virtual judge的網(wǎng)頁上，同時也記錄在數(shù)據(jù)庫里。同理，Virtual judge也可以用這種方法通過請求OJ名和題號在對應(yīng)的Online judge上獲取題目信息。利用簡單的爬蟲原理來解決判題功能，而服務(wù)器本身不進(jìn)行判題，還能減少服務(wù)器的壓力。如圖2。

3.3 爬蟲實現(xiàn)

首先，用一個json文件記錄在各個oj創(chuàng)建的賬號，用這個賬號登錄，提交代碼。然后，為了更方便的處理代碼，我們給每個爬蟲方法寫個父類，父類擁有一些基本的屬性方法，再在各個oj具體的爬蟲實現(xiàn)時重寫方法。需要的父類有：oj賬號登錄，題目爬取，題目更新，問題更新爬蟲，查找oj支持的編譯語言，獲取所提交問題狀態(tài)等。因為不同oj會有不同的html頁面，不同的url。對每個oj都需要區(qū)別對待。我們?yōu)槊總€oj寫多個java類來實現(xiàn)爬蟲功能，如：該oj信息（頁面編碼，url等），支持的編譯語言，登錄對應(yīng)oj賬號操作 ，題目代碼提交，頁面信息爬取。其中獲取信息的方法是獲得請求所響應(yīng)的html頁面。從中用Pattern和Matcher（正則表達(dá)式）匹配一些特點來找到需要的信息（如：獲取hdu上題目的標(biāo)題，可以通過顏色color：#1A5CC8 來查找。）爬蟲代碼的請求通過多線程的方式運行（Callable、Future），為了防止服務(wù)器壓力過大，要設(shè)置最多運行線程數(shù)量。這個部分最麻煩的是要對每個oj都要寫一份相應(yīng)的代碼。工作量大，而且頁面更新的話，還要重新編寫代碼。

其他需實現(xiàn)的相關(guān)功能：可以在Virtual judge的題目頁面通過輸入oj名和題號直接發(fā)送url請求來獲取題目。還有需要能向Online judge不斷發(fā)送請求來更新題目信息和提交狀態(tài)。

3.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫中至少要建立7個表。分別是用戶表，登錄信息表，題目表，題目描述表，提交狀態(tài)表，競賽表，競賽題目表。這些表用來記錄必要的信息，并能對一些相應(yīng)的信息不斷地進(jìn)行更新。

1） 用戶表：記錄用戶信息，賬號密碼的表，為了用戶安全，密碼是用MD5加密。屬性有賬號id，用戶名，密碼，別稱以及qq號，郵箱等其他信息。

2） 登錄信息表：記錄用戶賬號登錄情況的表，屬性有：用戶的登錄時間，訪問網(wǎng)頁時間，和離開網(wǎng)頁時間，還有登錄的ip地址以及登錄的成功與否。

3） 題目表：記錄題目的基本信息，屬性有：題目id，標(biāo)題，時間限制，內(nèi)存限制，來源oj，原始題號，在原始o(jì)j上的url。

4） 題目描述表：用于記錄題目的相關(guān)信息，屬性有：對應(yīng)題目id，題目描述，輸入要求，輸出要求，樣例輸入，樣例輸出等。這部分題目屬性有可能會隨時間而變化。所以還要有個最后更新時間。

5） 提交狀態(tài)表：用于記錄用戶對題目提交的結(jié)果。屬性有：題目id，原始題號，原始o(jì)j，提交用戶，提交結(jié)果，提交時間，更新時間等。

6） 競賽表：用于記錄所創(chuàng)建的競賽的相關(guān)信息，屬性有：競賽id，標(biāo)題，競賽描述，開始時間，結(jié)束時間，競賽創(chuàng)建者等。

7）競賽題目表：一個簡單的用于記錄在競賽中使用到的題目的表。屬性有：題目id，競賽id，題號（競賽內(nèi)），標(biāo)題等。

3.5 系統(tǒng)實現(xiàn)

Virtual judge的jsp頁面主要有：

1） 主頁：說明該Virtual judge的功能，并寫明用到了那些oj，讓使用者一目了然。

2）題目頁面：顯示題目列表，注明來源oj，題號，標(biāo)題，更新時間?？梢赃M(jìn)行搜索，會從服務(wù)器中查找匹配的題目。要是對oj與題號都進(jìn)行了要求，如果題庫中沒有，會自動去試圖去對應(yīng)oj獲取對應(yīng)題目。

3）提交狀態(tài)頁面：該頁面顯示所有的提交狀態(tài)。顯示提交用戶，oj，題號，提交狀態(tài)和提交語言。同樣可以進(jìn)行檢索。

4）競賽頁面：顯示所有競賽，比賽編碼，比賽標(biāo)題，比賽開始時間，持續(xù)時間，比賽創(chuàng)建者。在比賽結(jié)束前點擊對應(yīng)比賽名能參加比賽。在競賽頁面內(nèi)還有題目子頁面，提交子頁面和排名子頁面。這些頁面能觀看該比賽的所有題目和提交狀態(tài)，還能查看對參賽者的答題情況進(jìn)行排名。該頁面在Virtual judge中十分重要，我們可以寫一些簡單的小功能來方便用戶的使用。比如，在某次競賽的主頁面，我們可以在每道題目后面加上標(biāo)記來告訴登錄用戶每道題的做題情況?；蛘呤窃陲@眼的地方加上剩余時間，讓用戶有更好的體驗。

4 結(jié)束語

現(xiàn)如今各個高校都在搭建自己的Online judge，而Online judge的普及體現(xiàn)了ACM的算法知識在現(xiàn)如今的學(xué)習(xí)中更加重要。而Virtual judge的出現(xiàn)是必然的。雖然它脫離不了Online judge，但他在眾多Online judge的幫助下使得學(xué)生的學(xué)習(xí)以及老師的教學(xué)準(zhǔn)備變得便利。本文描述搭建一個SSM框架的Virtual judge的設(shè)計思想與具體實現(xiàn)。Virtual judge的出現(xiàn)能讓用戶更加便捷地進(jìn)行競賽，也能更加全面的查看自己的做題過程。由淺入深的練習(xí)系統(tǒng)， 競賽輔導(dǎo)教師可以自己舉行比賽，對ACM的學(xué)習(xí)有很大幫助。

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