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OJ判题系统第4期之判题机模块架构——设计思路、实现步骤、代码实现（工厂模式、代理模式的实践）

2025/5/14 2:34:12 来源：https://blog.csdn.net/m0_74016429/article/details/147878701  浏览:  次   关键词：OJ判题系统第4期之判题机模块架构——设计思路、实现步骤、代码实现（工厂模式、代理模式的实践）

在看这期之前，建议先看前三期：

Java 原生实现代码沙箱（OJ判题系统第1期）——设计思路、实现步骤、代码实现-CSDN博客

Java 原生实现代码沙箱之Java 程序安全控制（OJ判题系统第2期）——设计思路、实现步骤、代码实现-CSDN博客

Java 原生实现代码沙箱之代码沙箱 Docker 实现（OJ判题系统第3期）——设计思路、实现步骤、代码实现-CSDN博客

 判题模块和代码沙箱的关系

判题模块：调用代码沙箱，把代码和输入交给代码沙箱去执行

代码沙箱：只负责接受代码和输入，返回编译运行的结果，不负责判题（可以作为独立的项目 / 服务，提供给其他的需要执行代码的项目去使用）

代码沙箱架构开发  

1.定义代码沙箱的接口，提高通用性

之后我们的项目代码只调用接口，不调用具体的实现类，这样在你使用其他的代码沙箱实现类 时，就不用去修改名称了， 便于扩展。

@Data
@Builder
@NoArgsConstructor
@AllArgsConstructor
public class ExecuteCodeResponse {private List<String> outputList;/*** 接口信息*/private String message;/*** 执行状态*/private Integer status;/*** 判题信息*/private JudgeInfo judgeInfo;
}

字段说明：

字段名类型含义说明
outputListList<String>每个测试用例对应的标准输出结果列表。例如 ["Hello World\n", "Error: ..."]
messageString接口级别的提示信息，如编译错误、超时等。
statusInteger执行状态码。例如：<br>1=成功<br>2=编译失败<br>3=运行时错误<br>4=超时
judgeInfoJudgeInfo更详细的判题信息，如最大内存占用、最大时间消耗等。

@Data
@Builder
@NoArgsConstructor
@AllArgsConstructor
public class ExecuteCodeRequest {private List<String> inputList;private String code;private String language;
}

字段说明：

字段名类型含义说明
inputListList<String>用户提供的多个输入用例列表。例如 ["1 2", "3 4"] 表示两个测试用例。
codeString用户提交的源代码字符串。比如一段 Java 程序。
languageString用户选择的编程语言，如 "java"、"python"、"cpp" 等。

public interface CodeSandbox {/*** 执行代码** @param executeCodeRequest* @return*/ExecuteCodeResponse executeCode(ExecuteCodeRequest executeCodeRequest);
}

方法说明：

方法名参数类型返回类型含义说明
executeCodeExecuteCodeRequestExecuteCodeResponse执行用户提交的代码，并返回执行结果

 2.定义多种不同的代码沙箱实现

示例代码沙箱：仅为了跑通业务流程

// 使用 Lombok 的 @Slf4j 注解，自动生成一个日志对象 log，用于记录运行时信息（例如调试、错误等）
@Slf4j
public class ExampleCodeSandbox implements CodeSandbox {/*** 执行用户提交的代码，并返回执行结果。* 这是一个示例实现类，不实际执行任何真实代码，仅模拟响应结果。** @param executeCodeRequest 包含用户输入参数、代码内容、编程语言等的请求对象* @return ExecuteCodeResponse 返回执行结果，包含输出、状态码、提示信息、判题信息等*/@Overridepublic ExecuteCodeResponse executeCode(ExecuteCodeRequest executeCodeRequest) {// 从请求对象中获取用户的输入用例列表// inputList 是一个 List<String>，表示多个测试用例的输入，如 ["1 2", "3 4"]List<String> inputList = executeCodeRequest.getInputList();// 创建一个空的 ExecuteCodeResponse 对象，用于封装并返回最终的执行结果ExecuteCodeResponse executeCodeResponse = new ExecuteCodeResponse();// 设置响应中的 outputList 字段// 在这个示例中，直接将输入用例原样作为输出结果返回，仅为演示使用executeCodeResponse.setOutputList(inputList);// 设置响应中的 message 字段，用于给调用者一个简要的执行结果说明// 在这个示例中，固定设置为“测试执行成功”executeCodeResponse.setMessage("测试执行成功");// 设置响应中的 status 字段，表示本次执行的状态// QuestionSubmitStatusEnum.SUCCEED.getValue() 表示成功的状态码，比如 1executeCodeResponse.setStatus(QuestionSubmitStatusEnum.SUCCEED.getValue());// 创建一个 JudgeInfo 对象，用于封装更详细的执行信息，如内存占用、执行时间等JudgeInfo judgeInfo = new JudgeInfo();// 设置判题信息中的 message 字段// JudgeInfoMessageEnum.ACCEPTED.getText() 表示程序正确通过测试，例如 "Accepted"judgeInfo.setMessage(JudgeInfoMessageEnum.ACCEPTED.getText());// 设置判题信息中的 memory 字段，表示程序运行过程中使用的最大内存（单位：字节）// 示例中设为 100L，仅为演示judgeInfo.setMemory(100L);// 设置判题信息中的 time 字段，表示程序运行的总时间（单位：毫秒或微秒，视具体定义而定）// 示例中设为 100L，仅为演示judgeInfo.setTime(100L);// 将构建好的 judgeInfo 对象设置到 executeCodeResponse 中executeCodeResponse.setJudgeInfo(judgeInfo);// 最终返回完整的执行结果对象return executeCodeResponse;}
}

远程代码沙箱：实际调用接口的沙箱

public class RemoteCodeSandbox implements CodeSandbox {// 定义鉴权请求头名称，用于HTTP请求中携带认证信息private static final String AUTH_REQUEST_HEADER = "auth";// 定义鉴权密钥，作为身份验证的一部分发送到远程服务private static final String AUTH_REQUEST_SECRET = "secretKey";/*** 执行用户提交的代码，并返回执行结果。* 这个实现类通过调用远程服务来执行代码，并接收执行结果。** @param executeCodeRequest 包含用户输入参数、代码内容、编程语言等的请求对象* @return ExecuteCodeResponse 返回执行结果，包含输出、状态码、提示信息、判题信息等*/@Overridepublic ExecuteCodeResponse executeCode(ExecuteCodeRequest executeCodeRequest) {// 打印日志，标识当前使用的是远程代码沙箱System.out.println("远程代码沙箱");// 定义远程服务的URL地址String url = "http://localhost:8090/executeCode";// 将executeCodeRequest对象转换为JSON字符串，便于通过HTTP请求传递String json = JSONUtil.toJsonStr(executeCodeRequest);// 发起POST请求到远程服务，并处理响应String responseStr = HttpUtil.createPost(url).header(AUTH_REQUEST_HEADER, AUTH_REQUEST_SECRET) // 设置请求头中的认证信息.body(json) // 设置请求体为JSON字符串.execute() // 发送请求并获取响应.body(); // 获取响应体内容（字符串形式）// 检查响应字符串是否为空或空白if (StringUtils.isBlank(responseStr)) {// 如果响应为空，则抛出业务异常，表示API请求错误throw new BusinessException(ErrorCode.API_REQUEST_ERROR, "executeCode remoteSandbox error, message = " + responseStr);}// 将响应字符串转换为ExecuteCodeResponse对象，并返回return JSONUtil.toBean(responseStr, ExecuteCodeResponse.class);}
}

第三方代码沙箱：调用网上现成的代码沙箱

public class ThirdPartyCodeSandbox implements CodeSandbox {@Overridepublic ExecuteCodeResponse executeCode(ExecuteCodeRequest executeCodeRequest) {System.out.println("第三方代码沙箱");return null;}
}

编写单元测试，验证单个代码沙箱的执行

// 使用 SpringBootTest 注解表示这是一个 Spring Boot 测试类
// 会启动整个 Spring Boot 应用上下文，用于集成测试
@SpringBootTest
class CodeSandboxTest {/*** 从 application.yml 或 application.properties 中读取配置项：* codesandbox.type 的值，默认为 "example"* 可以根据该配置决定使用哪个具体的 CodeSandbox 实现类*/@Value("${codesandbox.type:example}")private String type;/*** 单元测试方法：测试 CodeSandbox 接口的 executeCode 方法是否能正常执行* 这里直接测试了 RemoteCodeSandbox 的实现*/@Testvoid executeCode() {// 创建一个远程代码沙箱实例（RemoteCodeSandbox）// 该类通过 HTTP 请求调用远程服务来执行用户的代码CodeSandbox codeSandbox = new RemoteCodeSandbox();// 定义一段示例代码字符串// 注意：这里虽然是 C/C++ 风格的 main 函数，但在实际使用中应传入符合语言类型的实际代码String code = "int main() { }";// 设置编程语言类型，从枚举 QuestionSubmitLanguageEnum 中获取 Java 对应的值// 例如可能是："java"String language = QuestionSubmitLanguageEnum.JAVA.getValue();// 定义输入列表 inputList，模拟多个测试用例的输入参数// 每个元素是一个测试用例的输入，如 "1 2" 表示运行程序时的标准输入内容List<String> inputList = Arrays.asList("1 2", "3 4");// 构建 ExecuteCodeRequest 请求对象，封装所有必要的参数// 包括用户提交的代码、使用的编程语言、多个测试用例的输入ExecuteCodeRequest executeCodeRequest = ExecuteCodeRequest.builder().code(code)         // 用户提交的源代码.language(language)  // 编程语言.inputList(inputList)// 输入参数列表.build();            // 构建请求对象// 调用 codeSandbox.executeCode 方法，向远程代码沙箱发送执行请求// 返回结果封装在 ExecuteCodeResponse 对象中ExecuteCodeResponse executeCodeResponse = codeSandbox.executeCode(executeCodeRequest);// 使用 JUnit 的 Assertions.assertNotNull 方法断言返回结果不为空// 如果为 null，则测试失败，说明 executeCode 方法未正确返回结果Assertions.assertNotNull(executeCodeResponse);}
}

工厂模式

问题背景：多个 CodeSandbox 实现类如何统一创建？

在你的在线判题系统中，可能有多种不同类型的代码沙箱实现：

沙箱类型功能描述
ExampleCodeSandbox示例沙箱，模拟执行结果，适用于开发测试
RemoteCodeSandbox远程沙箱，通过 HTTP 请求调用远程服务执行代码
ThirdPartyCodeSandbox第三方沙箱，调用其他平台 API 执行代码

当你需要根据配置或用户输入动态选择不同的沙箱时，就面临以下问题：

❌ 如果不用工厂模式，会出现什么问题？

  1. 调用者需要知道所有实现类

    • 调用方必须了解每个具体的实现类，并根据条件手动 new 出来。
    • 增加了耦合度，不利于扩展。

  2. 创建逻辑分散

    • 创建对象的逻辑分布在多个地方，修改起来麻烦。
    • 容易出错，维护成本高。

  3. 不便于统一管理

    • 比如想统一记录日志、做权限控制等，都得在每个地方写一遍。

解决方案：使用工厂模式集中管理对象创建 

为了解决上述问题，我们可以使用 工厂模式（Factory Pattern）。

💡 什么是工厂模式？

工厂模式是一种创建型设计模式，用于封装对象的创建过程。它将对象的创建和使用解耦，使得客户端无需关心具体实现类，只需告诉工厂“我要什么”，就能得到对应的实例。

📈 工厂模式的优势：

优势描述
✅ 解耦调用者不需要知道具体类名，只需要一个标识符（如字符串）
✅ 易于扩展新增沙箱类型时，只需修改工厂类，符合开闭原则
✅ 统一管理可以在工厂中加入统一逻辑（如日志、缓存、异常处理）
✅ 简化调用调用者使用方式简单，不需要重复写 if-else 或 switch-case

使用工厂模式，根据用户传入的字符参数（沙箱类别），来生成对应的代码沙箱实现类

此处使用静态工厂模式

/*** 代码沙箱工厂类（根据传入的类型字符串创建对应的代码沙箱实例）** 工厂模式是一种常见的设计模式，用于统一管理对象的创建过程。* 通过该工厂类，可以根据配置动态决定使用哪种 CodeSandbox 实现。*/
public class CodeSandboxFactory {/*** 根据指定的沙箱类型创建并返回对应的 CodeSandbox 实例。** @param type 沙箱类型，支持："example"、"remote"、"thirdParty"*             如果不匹配任何类型，默认返回 ExampleCodeSandbox* @return CodeSandbox 返回一个实现了 CodeSandbox 接口的对象*/public static CodeSandbox newInstance(String type) {// 使用 switch-case 结构判断传入的类型字符串，并返回对应的实现类实例switch (type) {// 如果类型是 "example"，返回示例代码沙箱（模拟执行结果，不实际运行代码）case "example":return new ExampleCodeSandbox();// 如果类型是 "remote"，返回远程代码沙箱（调用远程服务执行代码）case "remote":return new RemoteCodeSandbox();// 如果类型是 "thirdParty"，返回第三方代码沙箱（可能调用外部平台 API）case "thirdParty":return new ThirdPartyCodeSandbox();// 默认情况：如果传入的类型不匹配以上任意一种，返回示例代码沙箱作为兜底方案default:return new ExampleCodeSandbox();}}
}

由此，我们可以根据字符串动态生成实例，提高了通用性：

public static void main(String[] args) {// 创建一个 Scanner 对象，用于从标准输入（控制台）读取用户输入内容Scanner scanner = new Scanner(System.in);// 进入一个无限循环，持续监听用户的输入，直到手动终止程序while (scanner.hasNext()) {// 从控制台读取下一个字符串作为沙箱类型（例如："example"、"remote"、"thirdParty"）String type = scanner.next();// 使用 CodeSandboxFactory 工厂类根据用户输入的类型创建对应的代码沙箱实例CodeSandbox codeSandbox = CodeSandboxFactory.newInstance(type);// 定义一段示例代码字符串（注意：这里虽然是 C/C++ 风格的 main 函数，但语言设置为 Java）// 实际使用时应确保 code 和 language 字段匹配，否则可能执行失败String code = "int main() { }";// 设置编程语言类型，从枚举 QuestionSubmitLanguageEnum 中获取 Java 的值// 例如可能是："java"String language = QuestionSubmitLanguageEnum.JAVA.getValue();// 定义输入列表 inputList，模拟多个测试用例的输入参数// 每个元素是一个测试用例的输入，如 "1 2" 表示运行程序时的标准输入内容List<String> inputList = Arrays.asList("1 2", "3 4");// 构建 ExecuteCodeRequest 请求对象，封装所有必要的参数// 包括用户提交的代码、使用的编程语言、多个测试用例的输入ExecuteCodeRequest executeCodeRequest = ExecuteCodeRequest.builder().code(code)         // 用户提交的源代码.language(language)  // 编程语言.inputList(inputList)// 输入参数列表.build();            // 构建请求对象// 调用 codeSandbox.executeCode 方法，向指定的代码沙箱发送执行请求// 返回结果封装在 ExecuteCodeResponse 对象中ExecuteCodeResponse executeCodeResponse = codeSandbox.executeCode(executeCodeRequest);// 此处没有输出或断言，只是简单调用 executeCode 方法// 在实际调试中可以加入 System.out.println 或日志打印，观察返回结果}
}

工厂模式适用场景总结

场景是否适合用工厂
多个相似类的选择创建✅ 适合
对象创建过程复杂✅ 适合
需要隐藏具体类名✅ 适合
希望统一管理创建逻辑✅ 适合
提供默认实现兜底机制✅ 适合

最终总结一句话： 

工厂模式就像一个智能制造车间，你只需要告诉它“生产哪种型号的产品”，它就会自动返回合适的实例，而你完全不需要关心它是怎么造出来的。

代理模式

问题背景：代码沙箱调用前后的日志记录需求

在开发一个在线判题系统（OJ）时，我们经常需要对代码沙箱的调用行为进行监控和日志记录。比如：

  • 在调用代码沙箱之前，记录用户传入的请求参数（如代码内容、输入数据等）。
  • 在调用代码沙箱之后，记录返回结果（如输出内容、执行状态、资源占用等）。
  • 这些日志对于后续的调试、审计、性能分析都非常有用。

❌ 如果不做统一处理，会出现什么问题？

假设我们有多个 CodeSandbox 实现类（例如：ExampleCodeSandbox、RemoteCodeSandbox、ThirdPartyCodeSandbox），如果我们在每个实现类中都手动添加日志代码，就会出现以下问题：

问题描述
✅ 重复代码多每个类都要写一遍相同的日志打印逻辑，造成代码冗余
✅ 扩展性差后续如果要增加新的功能（如统计耗时、权限校验等），需要修改所有类
✅ 职责不单一日志记录属于通用逻辑，不应该污染核心业务逻辑（执行代码）

解决方案：使用代理模式统一增强能力 

为了解决上述问题，我们可以使用 代理模式（Proxy Pattern）。

💡 什么是代理模式？

代理模式是一种结构型设计模式，用于控制对某个对象的访问，通常用来增强其功能，而不改变其接口或调用方式。

📈 代理模式的优势：

  • 不改变原有类的代码：原有的 CodeSandbox 实现类不需要做任何改动。

  • 不改变调用者的行为：调用者依然通过 codeSandbox.executeCode(...) 的方式调用，透明无感知。

  • 集中管理增强逻辑：如日志记录、权限控制、耗时统计等功能，都可以统一放在代理类中。

具体实现思路 

// 使用 Lombok 的 @Slf4j 注解，自动生成一个日志对象 log（类型为 org.slf4j.Logger）
// 可以直接使用 log.info(...) 来打印日志信息，无需手动创建 logger 实例
@Slf4j
public class CodeSandboxProxy implements CodeSandbox {// 被代理的真实代码沙箱对象（被包装的对象）// 所有的 executeCode 请求最终都会委托给这个对象来处理private final CodeSandbox codeSandbox;/*** 构造函数，用于创建代理对象时传入真实的代码沙箱实例** @param codeSandbox 真实的代码沙箱对象，例如 ExampleCodeSandbox、RemoteCodeSandbox 等*/public CodeSandboxProxy(CodeSandbox codeSandbox) {this.codeSandbox = codeSandbox;}/*** 重写 CodeSandbox 接口中的 executeCode 方法* 这是一个代理方法：在调用真实对象前后添加了额外的功能（如日志记录）** @param executeCodeRequest 用户提交的执行代码请求对象，包含代码内容、输入数据、语言等* @return ExecuteCodeResponse 执行结果响应对象，包含输出内容、状态码、判题信息等*/@Overridepublic ExecuteCodeResponse executeCode(ExecuteCodeRequest executeCodeRequest) {// 【前置增强】在执行代码沙箱前，打印请求参数日志// 便于管理员查看用户提交了什么代码、输入是什么、使用的编程语言是什么// 使用 log.info 记录日志，方便后续调试和问题追踪log.info("代码沙箱请求信息：" + executeCodeRequest.toString());// 【核心功能】将用户的请求交给真实的代码沙箱对象去执行// 这里并没有改变原来的业务逻辑，只是在调用前后增加了日志记录// executeCodeResponse 是真实沙箱返回的结果ExecuteCodeResponse executeCodeResponse = codeSandbox.executeCode(executeCodeRequest);// 【后置增强】在代码沙箱执行完成后，打印响应结果日志// 包括输出内容、执行状态、判题信息等，方便管理员分析运行情况log.info("代码沙箱响应信息：" + executeCodeResponse.toString());// 将执行结果原样返回给调用者，保持接口的一致性return executeCodeResponse;}
}

代理模式适用场景

场景是否适合用代理简要说明
控制对象访问✅ 适合通过代理控制对对象的访问权限，比如只有登录用户才能执行某些操作。
增强对象功能✅ 适合在不修改原对象的前提下，为其添加额外功能，如日志记录、性能统计等。
远程调用代理✅ 适合为远程服务提供本地代理，屏蔽网络通信细节，如远程代码沙箱调用。
延迟加载（虚拟代理）✅ 适合只有在真正需要时才创建和加载资源，提高系统性能，例如图片懒加载。
缓存结果✅ 适合代理可先检查缓存是否存在结果，存在则直接返回，避免重复计算或请求。

代理模式的核心价值总结 

代理模式就像给目标对象穿上一件“智能外衣”，不仅让它保持原有的行为不变，还能在其前后增加各种增强逻辑（如日志记录、权限校验、性能监控），而且这一切都是透明的，不需要修改目标对象本身。

代理模式的优势总结 

优势描述
✅ 解耦调用者无需关心具体实现细节，只需通过代理进行操作
✅ 易于扩展新增功能时只需修改代理类，符合开闭原则
✅ 统一管理可以在代理中集中处理公共逻辑（如日志、权限、性能统计）
✅ 简化调用调用者使用方式简单，不需要重复写相同的逻辑

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