引言

本次项目用到的技术

协议：HTTP.

前端：HTML, CSS, JavaScript, JS-WebAPI, jQuery, ace.js

后端：Servlet, Jackson, JDBC, 流对象, 多进程编程, " javac ", " java "

数据库：MySQL.

测试：IDEA, Chrome, Fiddler.

本次项目的业务流程

设计编译运行方案
设计数据库
根据数据库设计实体类
封装数据库
准备好纯前端页面
实现题目列表页
实现题目详情页
优化项目

一、理解 OJ 系统的核心思想并设计编译运行方案

1. 在线提交代码的后端处理方案

我们日常使用 leetcode 刷题的时候，都是在代码区域写好代码，然后提交。然而，我们在编辑代码的时候，编辑区并不像 IDEA 那样，为我们提示语法是否正确。所以，我们就需要考虑到，用户提交代码后可能发生的情况，也许是编译时期出现了错误，此时就生成不了 " .class " 文件了，也许编译无误，但是运行时期出现了错误，那么我们就应该抛出一个异常。

回顾多线程与多进程

多线程和多进程都可以进行并发编程，然而多线程更加轻量，多进程更加独立。

我的项目有一个服务器进程，它运行着 Servlet，用来接收用户的请求，返回响应…

而用户提交的代码，我认为也应该是一个独立的运行逻辑。很多情况下，我们无法控制用户到底提交了什么样的代码，也许用户提交的代码会正常通过用例，也许会抛出异常、也许会损害整个服务器端。这些都是可能发生的情况，有的人说 " 损害服务器 " 比较夸张。那就举个例子吧：如果有用户通过代码对服务器端的文件进行操作，那么是不是直接就接触到服务器端的本地数据了呢？虽然这种概率很低，但我们仍然要考虑进去。

综上所述，像 leetcode 这样的网站，同一时刻可能就有几万次提交代码的用户。那么，先抛开危险性、优化好坏不说，如果使用多线程编程，其中有一个用户代码出现了异常，可能就会导致整个服务器端进程崩溃，从而导致网站崩溃。

所以说，让 " 用户提交代码这个运行逻辑 " 使用多进程的方式，就是得益于它的独立性，使得每个用户提交的代码互不影响，这是一个很关键的思想。

Java 多进程编程

我们期望，由服务器端进程作为父进程，用来接收请求，返回响应。由 Runtime 类和 Process 类创建一个子进程，来执行用户提交的代码，用这个子进程去处理 " 编译 + 运行 " 的整个过程，也就是 " javac " 和 " java " 命令。让这些命令传入 " exec " 方法，最后，将结果写入文件中。

Runtime runtime = Runtime.getRuntime();
Process process = runtime.exec(command);

进程与文件

计算机中一个进程在启动的时候，会自动打开三个文件：

标准输入对应到键盘
标准输出对应到显示器
标准错误对应到显示器

必须明确，JDK 为我们提供的 " javac " 命令是一个控制台程序，它的输出是输出到 " 标准输出 " 和 " 标准错误 " 这两个特殊的文件中的，要想看到这个程序的运行效果，就得获取到标准输出和标准错误的内容。

" javac " 这样的命令并不像我们在控制台输入一个 " notepad " 命令，直接打开了记事本，因为记事本程序是以图形化界面为我们呈现出来的。

此外，虽然子进程启动后同样也打开了这三个文件，但是由于子进程没有和 IDEA 的终端关联，因此在 IDEA 中是看不到子进程的输出的，要想获取到输出，就需要在代码中手动获取到。

在下面的 CommandUtil 类中，我就将子进程的 " 标准输出 " 和 " 标准错误 " 写入文件中，以来观察 " 编译期 " 和 " 运行期 " 的代码是否有误。

2. 设计 " 编译 + 运行 " 方案

再通过上面的理论思想介绍后，其实总结下来就是一个方案。

① 让用户提交的代码经过 JVM 进行 " 编译+ 运行 "，让 JVM 为我们自动判断提交的代码到底是正确，还是哪里出现了错误。所以我们就可以通过 JDK 提供的 " javac " 和 " java " 命令来分别执行 " 编译+ 运行 " 。

② 此外，因为这两个命令是在控制台上输入的，那么命令的执行结果，我们只能在控制台观察，如果我们想要直观地观察，可以将上面两个命令执行的结果写入本地文件中，再通过 Java 流对象将文件数据读出来，返回给用户观察即可。

封装 CommandUtil 类

综上所述，我们可以封装一个 CommandUtil 类来完成【创建子进程、让子进程执行编译或运行命令、读取子进程的标准输出、读取子进程的标准错误】这四个主要的逻辑。

// 1. 通过 Runtime 类得到 Runtime 实例，执行 exec 方法

// 2. 获取 “子进程” 的标准输出，并写入文件中

// 3. 获取 “子进程” 的标准错误，并写入文件中

// 4. 等待子进程结束，拿到子进程的状态码，并返回

// 1. 通过 Runtime 类 得到 Runtime 实例，执行 exec 方法
// 2. 获取到标准输出，并写入文件中
// 3. 获取到标准错误，并写入文件中
// 4. 等待子进程结束，拿到子进程的状态码，并返回
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
public class CommandUtil {
    public static int run(String command, String stdoutFile, String stderrFile) throws IOException {
        // 1. 通过 Runtime 类 得到 Runtime 实例，执行 exec 方法
        Runtime runtime = Runtime.getRuntime();
        Process process = runtime.exec(command);
        // 2. 获取 "子进程 " 的标准错误，并写入文件中
        if (stderrFile != null) {
            InputStream stderrFrom = process.getErrorStream();
            FileOutputStream stderrTo = new FileOutputStream(stderrFile);
            while (true) {
                // (1) 读 " 子进程的的错误数据
                int ch = stderrFrom.read();
                if (ch == -1) {
                    break;
                }
                // (2) 将刚刚读到的数据写入到 "stderr" 文件中
                stderrTo.write(ch);
            }
            stderrFrom.close();
            stderrTo.close();
        }
        // 3. 获取 "子进程 " 的标准输出，并写入文件中
        if (stdoutFile != null) {
            InputStream stdoutFrom = process.getInputStream();
            FileOutputStream stdoutTo = new FileOutputStream(stdoutFile);
            while (true) {
                // (1) 读 " 子进程的的输出数据
                int ch = stdoutFrom.read();
                if (ch == -1) {
                    break;
                }
                // (2) 将刚刚读到的数据写入到 "stdout" 文件中
                stdoutTo.write(ch);
            }
            stdoutFrom.close();
            stdoutTo.close();
        }
        // 4. 等待子进程结束，拿到子进程的状态码，并返回
        // 如果 exitCode 返回的是 0，就说明进程运行是一个无误的状态
        int exitCode = 0;
        try {
            exitCode =  process.waitFor();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return exitCode;
    }
    /**
     * 测试用例
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        int exitCode = CommandUtil.run("javac", "./stdout.txt", "./stderr.txt");
        System.out.println(exitCode); // 2
    }
}

与此同时，我们可以创建同级目录下的两个 " .txt " 文件，以此来验证。因为 " javac " 命令需要结合 ". java " 文件才能正常编译，所以，这里就会在 " stderr.txt " 文件中，生成一些错误的信息，而在 " stdout.txt " 文件中，什么也没有写入。而返回的状态码为 2，即表示子进程并不是正常执行了编译过程。

创建一个 Task 类

通过 Task 类与 " CommandUtil.run " 两者的结合，就能够让一个 " .java 文件 " 经过编译到运行完成的过程。而 Task 类最终返回的 Answer 对象，就是我们最终放到 HTTP 响应正文中的数据，它用作判定在线 OJ 代码的语法规范。

平时我们在 leetcode 上写的代码，都会进行提交，而提交是不是少了一个括号，或者变量名未定义等等问题…只要出现了问题，代码就不会通过，那么就会出现报错提示，所以说，这里的 Answer 对象就是为了这个报错提示所诞生的。

public class Task {
    // 将一些 "编译+运行" 的临时文件放在此目录下
    private static final String WORK_DIR = "./temp/";
    // 表示 ".java 文件"，里面放着待编译的代码，等待 "javac" 命令编译
    private static final String PREPARED_CODE = WORK_DIR + "Solution.java";
    // 表示 ".class 文件"，里面放着二进制字节码，等待 "java" 命令运行
    private static final String CLASS_FILE = "Solution";
    // 将 "编译出错" 的信息放在此文件中
    private static final String COMPILE_ERROR = WORK_DIR +"compile_error.txt";
    // 将 "运行无误" 的信息放在此文件中
    private static final String STDOUT = WORK_DIR +"stdout.txt";
    // 将 "运行出错" 的信息放在此文件中
    private static final String STDERR = WORK_DIR +"stderr.txt";
    /**
     * 此方法就是用来 " 编译 + 运行 " 的，
     * 传入的参数是 " 一段待编译的代码 "；
     * 返回的参数是 " 一个 Answer " 对象，里面放着用例是否通过的信息
     */
    public Answer compileRun(String preparedCode) throws IOException {
        // 创建一个 Answer 对象，用作返回值，即 HTTP 响应的正文内容
        Answer answer = new Answer();
        // 创建一个工作目录，用来存放临时文件
        File workDir = new File(WORK_DIR);
        if (!workDir.exists()) {
            // 不存在就创建
            workDir.mkdir();
        }
        // 1. 在编译之前，我们得需要一个 ".java " 文件才行
        //    我们将传入进来的代码，放到 " Solution.java " 文件中
        FileUtil.writeFile(preparedCode, PREPARED_CODE);
        // 2. 编译期
        // 指定 ".java" 文件，以及它所在的目录
        String compileCommand = String.format("javac -encoding utf8 %s -d %s", PREPARED_CODE, WORK_DIR);
        CommandUtil.run(compileCommand, null, COMPILE_ERROR);
        // 从刚刚的 COMPILE_ERROR 文件中读数据，如果数据为空，那么就是编译没有问题；反之，有问题
        String compileError = FileUtil.readFile(COMPILE_ERROR);
        if ( ! "".equals(compileError) ) {
            // 代码走到这里，说明编译出错了
            System.out.println(" 编译出错！");
            answer.setStatus(1);
            answer.setReason(compileError);
            return answer;
        }
        // 代码走到这里，说明编译无误
        System.out.println("编译无误！");
        // 3. 运行期
        String runCommand = String.format("java -classpath %s %s", WORK_DIR, CLASS_FILE );
        CommandUtil.run(runCommand, STDOUT, STDERR);
        // 从刚刚的 STDERR 文件中读数据，如果数据为空，那么就是运行没有问题；反之有问题
        String stderr = FileUtil.readFile(STDERR);
        if ( ! "".equals(stderr)) {
            // 代码走到这里，说明运行出错了
            System.out.println("运行出错！抛出异常！");
            answer.setStatus(2);
            answer.setStderr(stderr);
            return answer;
        }
        // 代码走到这里，说明 "编译和运行" 都无误
        System.out.println("运行无误！");
        // 其实一般来说，所有结果都无误，STDOUT 文件中 也没数据
        answer.setStatus(0);
        String stdout = FileUtil.readFile(STDOUT);
        answer.setStdout(stdout);
        return answer;
    }
    /**
     * 测试用例
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Task task = new Task();
        String preparedCode = "public class Solution {\n" +
                "    public static void main(String[] args) {\n" +
                "        int[] arr = {2, 4, 6, 8, 10};\n" +
                "        for (int i = 0; i < 5; i++) {\n" +
                "            System.out.print(arr[i] + \" \");\n" +
                "        }\n" +
                "    }\n" +
                "}\n";
       Answer answer = task.compileRun(preparedCode);
        System.out.println(answer);
    }
}

上面的这一过程中，Task 类进行了对代码的严格校验，是否编译有问题？是否运行有问题？对于不同的问题，以及正常的流程，都存储到文件中，以供程序员校验。而这一过程是我们基于 JDK 的 "javac " 和 " java " 命令来实现的，此外又提供了流对象的文件操作，才使得对一个代码进行了【编译、运行、校验】。

然而，上述的过程，实际上就是我们日常利用 IDEA 进行写代码的过程，只不过 IDEA 对我们写的代码进行了处理，省略了程序员编译的过程。 如果我们在 IDEA 写代码，编译过程出现问题，IDEA 就会出现受查异常；如果运行过程中出现问题，IDEA 就会出现非受查异常。

二、设计数据库

1. 通过自己写的 sql 语句，往 MySQL 数据库中，插入【oj_table 表】

表中预期用来存储题目的信息 ( 编号、标题、难度、描述、代码区、测试区 )

create database if not exists oj_database;
use oj_database;
drop table if exists oj_table;
create table oj_table(
    -- 题目编号
    id int primary key auto_increment,
    -- 题目标题
    title varchar(50),
    -- 题目难度
    level varchar(50),
    -- 题目描述
    description varchar(4096),
    -- 代码区
    codeTemplate varchar(4096),
    -- 测试用例
    testCase varchar(4096)
);

三、根据数据库设计实体类

Subject 实体类

public class Subject {
    private int id;
    private String title;
    private String level;
    private String description;
    private String codeTemplate;
    private String testCase;
}

四、封装数据库

JDBC 编程步骤

创建数据源
和数据库建立连接
构造 sql 语句并操作数据库
执行 sql
遍历结果集（select 查询的时候需要有这一步）
释放资源

1. 创建一个 DBUtil 类 ( Database Utility )

DBUtil 这个类，用来封装一些数据库的方法，供外面的类使用。

好处一：外面的类需要创建一些同样的实例，这些实例是固定的。然而，有了DBUtil这个类，外面的类就不需要每次创建额外的实例，直接从 DBUtil 类拿即可。

( DBUtil 中的单例模式正是做到了这一点)

好处二：同样地，外面的类需要用到一些同样的方法，有了 DBUtil 这个类，对于代码与数据库之间的一些通用的操作方法，直接从 DBUtil 类导入即可。

我们可以将 DBUtil 这个类想象成一个充电宝，而将使用这个 DBUtil 公共类的其他类，称为手机、平板、mp3…毫无疑问，充电宝就是为电子设备提供服务的，而这些电子设备其实只有一个目的：通过充电宝这个公共资源为自己充电。

public class DBUtil {
    private static final String URL = "jdbc:mysql://127.0.0.1:3306/oj_database?characterEncoding=utf8&&useSSL=false";
    public static final String USERNAME = "root";
    public static final String PASSWORD = "lfm10101988";
    private static volatile DataSource dataSource = null;
    // 线程安全的单例模式
    private static DataSource getDataSource() {
        if (dataSource == null) {
            synchronized (DBUtil.class) {
                if (dataSource == null) {
                    dataSource = new MysqlDataSource();
                    ((MysqlDataSource)dataSource).setURL(URL);
                    ((MysqlDataSource)dataSource).setUser(USERNAME);
                    ((MysqlDataSource)dataSource).setPassword(PASSWORD);
                }
            }
        }
        return dataSource;
    }
    public static Connection getConnection() throws SQLException {
        return getDataSource().getConnection();
        // 外面的类实际上拿到的就是 connection = dataSource.getConnection();
    }
    public static void close(ResultSet resultSet, PreparedStatement statement, Connection connection){
        if (resultSet != null) {
            try {
                resultSet.close();
            } catch (SQLException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
        if (statement != null) {
            try {
                statement.close();
            } catch (SQLException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
        if (connection != null) {
            try {
                connection.close();
            } catch (SQLException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
    }
}

2. 封装 SubjectDB ( SubjectDatabase )

(1) insert 方法

新增一道题目

(2) delete 方法

删除一道题目

(3) selectAll 方法

查询题目列表，预期将 ( 题目的编号、标题、难度 ) 显示在题目列表页

(4) selectOne 方法

查询题目详情，预期进入某一题的详情页，可以进行代码编辑、提交代码…

3. 设计测试用例代码的思路

我们可以参考一下 leetcode 官网的编号第一题：两数之和。

我提交了很多次，有解答错误，也有通过的，也有编译错误…虽然页面给出了代码提示，但是它底层是怎么设计用例的，我们全然不知，当然，这是 leetcode 的核心技术所在，所以不会轻易暴露出来给用户看，它所呈现的只有提交结果的提示，以及你通过了几个用例、哪些用例没有通过。

但是，我们可以使用一种简单的方法来设计几个用例，虽然考虑不到所有的情况，但是考虑到一部分，还是可以的。

思路：由于我们在客户端提交的代码是写在 Solution 这个类中的，所以，我们就可以在服务器端通过客户端的 HTTP请求的正文中，拿到这个 Solution 类中的代码，然后在服务器端，创建一个 main 方法，在 main 方法中创建 Solution 的实例，并创建几个测试用例，验证代码。程序如下所示：

class Solution {
    public int[] twoSum(int[] nums, int target) {
        int[] arr = {0, 0};
        for(int i = 0; i < nums.length; i++) {
            for(int j = i + 1; j < nums.length; j++) {
                if (nums[i] + nums[j] == target) {
                    arr[0] = i;
                    arr[1] = j;
                    return arr;
                }
            }
        }
        return null;
    }
    public static void main(String[] args) {
        Solution solution = new Solution();
        // 测试用例 1
        int[] nums1 = {2, 7, 11, 15};
        int target1 = 9;
        int[] result1 = solution.twoSum(nums1, target1);
        if (result1.length == 2 && result1[0] == 0 && result1[1] == 1) {
            System.out.println(" < Case1 passed. > ");
        } else {
            System.out.println(" < Case1 failed. > ");
        }
        // 测试用例 2
        int[] nums2 = {3, 2, 4};
        int target2 = 6;
        int[] result2 = solution.twoSum(nums2, target2);
        if (result2.length == 2 && result2[0] == 1 && result2[1] == 2) {
            System.out.println(" < Case2 passed. > ");
        } else {
            System.out.println(" < Case2 failed. > ");
        }
        // 测试用例 3
        int[] nums3 = {3, 3};
        int target3 = 6;
        int[] result3 = solution.twoSum(nums3, target3);
        if (result3.length == 2 && result3[0] == 0 && result3[1] == 1) {
            System.out.println(" < Case3 passed. > ");
        } else {
            System.out.println(" < Case3 failed. > ");
        }
    }
}

输出结果：

在上面的程序中，Solution 类中的代码就是我们在客户端提交的代码，main 方法中的代码就是我们自己设计的三个测试用例，我们后续需要将这道题的测试用例来放入数据库的 " testCase " 字段中。

必须明确：上面的程序是一个展示结果，但实际上，我们需要先在服务器端拿到客户端发来的代码，然后与 main 方法的代码进行字符串拼接，才能够达到最终的效果。

服务器端如何拿到客户端的代码呢？

答：实际上，客户端应该将提交的代码以 json 的数据格式，写入 HTTP 请求的正文中，然后，服务器端再利用一些方法，将 json 数据解析成 Java 的实体类，这样一来，就可以进行后续操作了。

这一步骤，在后面的环节，我会展开介绍，这是后端 API 需要处理的事情。

然而，本环节，我们需要着重替换测试用例的设计。

“ 作业帮 “ (Servlet)（上）

引言

本次项目用到的技术

本次项目的业务流程

一、理解 OJ 系统的核心思想并设计编译运行方案

1. 在线提交代码的后端处理方案

回顾多线程与多进程

Java 多进程编程

进程与文件

2. 设计 " 编译 + 运行 " 方案

封装 CommandUtil 类

创建一个 Task 类

二、设计数据库

三、根据数据库设计实体类

Subject 实体类

四、封装数据库

JDBC 编程步骤

1. 创建一个 DBUtil 类 ( Database Utility )

2. 封装 SubjectDB ( SubjectDatabase )

3. 设计测试用例代码的思路

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