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论软件架构建模技术与应用

2019年3月，我单位联合某高校研发了《程序评测比赛考试系统》。系统以程序代

码提交自动评测功能为，分为题库模块、评测机模块、实验作业模块、考试模块、

比赛模块、判定模块、用户管理模块等，支持对接教务平台。在项目中我担任系统架构

师，负责架构设计工作。

本文以该系统为例，主要论述了软件架构建模技术在项目中的具体应用，重点从4+1视图

模型的场景视图、逻辑视图与视图三个方面介绍。场景视图以UML用例图对系统主要

用户角色与涉及用例进行分析；逻辑视图通过UML包图从前端Web保障服务、

业务服务三个层次对系统功能进行建模；视图使用UML部署图对微服务在硬件环境的

具体部署方法进行描述。最终系统顺利上线，获得用户一致好评。

正文

笔者在一个专为高校建设计算机专业智能教学平台的单位任职，过往成果有《计算

机组成原理仿真实验系统》等。2019年3月，我单位联合某大学研发了《程序评测比

赛考试系统》项目（以下简称为“OJ系统”），以取代原有传统的编程上机考试平台。

系统以程序代码的提交自动评测功能为，主要分为题库模块、评测机模块、实验

作业模块、考试模块、比赛模块、判定模块、用户管理模块等。题库模块主要负责试题

和测试用例的管理，用户根据试题要求编写程序代码提交到系统，系统将测试用例与程序代

码发送给评测机模块，由评测机自动编译、执行、判分，并将结果发送给其他相关模块进行

统计；实验作业模块用于布置作业，从题库中选取试题，设置截止日期等要求；考试模

块用于学生考试，按预先设置的参数自动从题库随机抽题生成试卷，以及向教务平

台上传考试成绩；比赛模块主要用于ACM竞赛的培训；判定模块用于鉴定代码与他人

代码率；用户管理模块负责用户信息的管理。在这个项目中，我担任了系统架构师的职

务，主要负责系统的架构设计相关工作。

4+1视图模型从5个视角来描述软件架构，分别为：逻辑视图、视图、进程视图、开

发视图和场景视图。逻辑视图主要描述系统的功能需求，将系统分解为一系列的功能抽象，

可用对象模型来代表，用类图来描述；开发视图主要侧重于软件模块的组织和管理，考虑软

件的需求；进程视图侧重于系统的运行特性，主要关注非功能需求，强调并发性、分布

性、系统集和容错能力，以及逻辑视图中的功能抽象如何适应进程结构，定义了具体线

程执行的操作；视图主要考虑软件向硬件的映射，解决系统的拓扑结构、安装和通信问

题。场景视图可看做重要系统活动的抽象，使其他4个视图有机联系。

OJ系统使用微服务架构开发，基于4+1视图建模，建模工具为RationalRose，描述语言为

UML，这里着重从场景视图、逻辑视图、视图三个方面展开介绍。

1.场景视图

场景视图使用UML模型中的用例图来进行建模。OJ系统功能主要面向高校学生程序设计

语言的学习、考试、比赛，我们经过分析，结合用户的需求，在系统中划定了四类用户

角色，这些角色分别为：在校学生、任课、系统管理员、校外人员。在校学生用户是OJ

系统学生端的主要使用者，学生涉及的主要用例有：登录系统、提交代码、自由练习、参加

考试、提交实验作业、参加比赛、信息、查看系统帮助、交流讨论等；任课用户属

于OJ系统的管理者，涉及的主要用例有：登录系统、信息、班级管理、助教管理、

学生管理、考试管理、题库管理、实验作业管理、比赛管理、代码查重、管理等；系统

管理员拥有OJ系统最高的系统权限，在具备学生与所有用例的基础上，还增加了

管理、评测机管理、系统管理、服务器管理等用例。校外人员用户主要面向社会以及其他高

校的编程学习者，仅具备登录系统、提交代码、自由练习、参加比赛、查看系统帮助五

种用例。

2.逻辑视图

逻辑视图使用UML模型中的包图来进行建模。我们经过分析，决定采用微服务架构风格

开发，将系统分为前端Web保障服务、业务服务三部分。前端Web服务由负载

过发起http请求来和后端交互。API网关收到前端的请求，会从服务根据当前请求，

来获取对应的服务配置，随后通过服务配置再调用已的服务。当后端微服务存在多个实

例时，将采取负载均衡的方式调用。后端微服务