0x00 获取运行结果

上两篇文章,我介绍了判题机是如何管理进程,并如何限制进程的资源使用。目标程序运行完毕退出后,我们的判题机进程将从等待中唤醒,进行运行数据的收集工作。此时,判题机能够作出判断的状态分别有AC(暂时)、TLE、MLE、RE和OLE。

从进程篇我们可以了解到,WIFSIGNALED(status)可以判定进程是因为收到系统信号而终止的。此时,再使用WTERMSIG(status)获取到进程的信号,根据信号的不同来判定运行状态。

0x01 获取时间、内存使用情况

首先,我们来了解rusage结构体的定义:

struct rusage {
    struct timeval ru_utime; /* user time used   用户态使用的时间 */
    struct timeval ru_stime; /* system time used 内核态使用的时间 */
    long   ru_maxrss;        /* maximum resident set size 最大驻留集大小 */
    long   ru_ixrss;         /* integral shared memory size 全部共享内存大小 */
    long   ru_idrss;         /* integral unshared data size 全部非共享内存大小*/
    long   ru_isrss;         /* integral unshared stack size */
    long   ru_minflt;        /* page reclaims 页回收 */
    long   ru_majflt;        /* page faults  页失效 */
    long   ru_nswap;         /* swaps 交换区 */
    long   ru_inblock;       /* block input operations */
    long   ru_oublock;       /* block output operations */
    long   ru_msgsnd;        /* messages sent */
    long   ru_msgrcv;        /* messages received */
    long   ru_nsignals;      /* signals received */
    long   ru_nvcsw;         /* voluntary context switches */
    long   ru_nivcsw;        /* involuntary context switches */
};

其中,计算时间和内存占用的算法如下所示:

time_used = ru.ru_utime.tv_sec * 1000
            + ru.ru_utime.tv_usec / 1000
            + ru.ru_stime.tv_sec * 1000
            + ru.ru_stime.tv_usec / 1000;    
  
memory_used = ru.ru_minflt * (sysconf(_SC_PAGESIZE) / 1024);
// memory_used = ru.ru_maxrss;

运行时间为内核态+用户态的时间之和,内存的话可以有两种方式判断:判断页回收的数量ru_minflt或者直接获取最大驻留值ru_maxrss。你可以通过sysconf(_SC_PAGESIZE)获取到系统内存每个页的大小,单位是字节。

0x02 各种状态的判定

当信号SIGALRMSIGVTALRMSIGXCPUSIGPROF信号被触发时,我们可以得知进程因为超时或者触发时钟而被终止,因此可以判定为TLE。如果你不放心,还可以在判定为正常退出后,再次判断time_used是否大于Time Limit。

当信号SIGSEGV被触发时,我们可以得知这是由于内存错误引发的。但并不能直接认为就是MLE。当你进行一些错误的操作,如除0操作、数组越界等,也会触发这个信号,此时应该被判定为RE。如果memory_used大于 Memory Limit,我们才有理由相信它是超过了内存资源的限制。

当信号SIGKILL被触发时,可能是MLE,也可能是TLE(你可以通过time_used判断)。而信号SIGXFSZ被触发时,则直接判定为OLE。

理论上判定的优先级为:TLE > MLE, OLE > RE

上述错误都没有发生的情况下,我们便可以认为,程序按照预期顺利执行并结束了,接下来就需要对它的输出进行分析,判断输出结果是否正确。

0x03 输出结果分析

在进程篇里,我们将用户输出的答案存放在了/tmp/user.out文件中。在被测程序运行结束后,如果没有触发上述的错误信息,则判题机将启动对用户输出数据的检查工作。

数据检查主要思路就是同时读取用户输出user.out和答案输出answer.out,逐一比较每个字符是否一致。

等等!我们注意到,在OJ中有一种错误叫格式错误(PE)。这种错误比较特别:除字符“空格”、\r、\n和\t的数量或位置不同以外,其他的内容均与答案匹配。

我们先定义两个游标left和right分别表示用户输出和答案输出,然后执行循环逐字比较。当某个游标遇到上述“格式字符”时,先使用一个子循环推动游标后移,直到遇到不可忽略的字符为止。两个游标在每次比较前都要做完这个操作,然后再进行,直到任意游标越界(超出了数组长度),主循环结束。如果逐字比较过程中任意一个字符不匹配,则直接返回WA。

当上述循环结束后,如果left == right,则说明答案内容完全一致,返回AC;否则,返回格式错误PE。

然而你以为到这就结束了吗?实际使用的时候,我们遇到了一个新的问题。来看看这组数据:

用户:2\r\n4\n\r6\r\t8
答案:2\r\n4\r\n6\r\n8

很不幸的是,上述检查会忽略“格式字符”的顺序,并根据left==right判定其为AC。这不是我们想要的结果。当时为了解决这个问题,一时脑子发热的我,居然想用CRC去校验文本,简直就是大炮打苍蝇。解决办法很简单,当第一次检查通过以后,我们再执行一次严格检查,对每个字符进行比较,即可得知是AC还是PE。

检查数据相关代码请访问我的开源项目:
https://github.com/LanceLRQ/deer-executor/blob/master/checker.go (Go语言)

0x04 小结

到这里,我们基本上了解了一个判题机内核最基础的工作原理。这是万里之行中迈出的第一步,也是非常重要的一步。下一篇,我会对特殊评测(Special Judge)的工作原理进行一些讲解。

TLE:Time Limit Exceed 超出时间限制
MLE:Memory Limit Exceed 超出内存限制
OLE:Output Limit Exceed 输出超出限制
RE: Runtime Error 运行时错误
WA:Wrong Answer 答案错误
PE:Presentation Error 格式错误
AC:Accepted 答案通过

OJ术语说明

0x00 资源占用

一个完整的判题机核心,不可避免要支持程序的资源占用判定。我们常以两个维度来判定一个程序的优劣,时间维度和空间维度。在ACM-ICPC比赛里,通常每道题目都有一个期望的最差运行时间,和最大内存占用。如果你的程序算法效率足够高,便可以很快的运行完某个测试数据;如果你的算法效率不够优,也许还可以通过使用内存来优化,但难免会造成内存占用。

一旦程序超出了预期,如运行过慢、陷入了死循环或内存占用太多,判题机核心的工作就是结束掉它,并收集它的信息,再给出相关的出错提示。

从上一节我们可以了解到,wait4()函数可以返回一个rusage结构体,我们可以完成对它信息的收集工作。那么问题来了,如果程序陷入了死循环,判题机又是如何知道的呢?

0x01 限制资源使用

Linux内核为我们提供了一个资源限制函数:setrlimit

struct rlimit {
  rlim_t rlim_cur;  //soft limit
  rlim_t rlim_max;  //hard limit
};

int setrlimit(int resource, const struct rlimit *rlim);

并为resource参数定义了多个常量,判题机常用的如下:

  • RLIMIT_AS  进程的最大虚内存空间,字节为单位。
  • RLIMIT_CPU  最大允许的CPU使用时间,秒为单位。当进程达到软限制,内核将给其发送SIGXCPU信号,这一信号的默认行为是终止进程的执行。然而,可以捕捉信号,处理句柄可将控制返回给主程序。如果进程继续耗费CPU时间,核心会以每秒一次的频率给其发送SIGXCPU信号,直到达到硬限制,那时将给进程发送 SIGKILL信号终止其执行。
  • RLIMIT_DATA  进程数据段的最大值。
  • RLIMIT_FSIZE  进程可建立的文件的最大长度。如果进程试图超出这一限制时,核心会给其发送SIGXFSZ信号,默认情况下将终止进程的执行。
  • RLIMIT_STACK  最大的进程堆栈,以字节为单位。

第二个参数传入一个rlimit结构体,其中rlim_cur表示软限制,rlim_max表示硬限制。软限制可以由被限制的程序自行修改, 修改的值不可超过硬限制。

你可以想象成你的蚂蚁花呗额度,假如你有1000元的额度,你可以在0-1000元的范围内调整自由额度,但不能超过1000元,因为花呗给你分配了最高1000元的额度。

下面,将详细的说明如何使用这个参数

0x02 时间限制

需要限制程序的运行时间,可以使用RLIMIT_CPU常量定义程序可用的CPU时间长度。当程序运行的CPU时间超过限制时,系统将会向程序发送SIGXCPU信号。这时候我们就可以判定该程序超过了时间显示,判题机需要报TLE错误。

struct rlimit rl;
rl.rlim_cur = 1;
rl.rlim_max = rl.rlim_cur + 1;
setrlimit(RLIMIT_CPU, rl);

在实际使用的过程中,这种限制存在一些问题。当用户代码里使用sleep()的时候,因为进程处于休眠状态,并不占用CPU资源,因此并不能触发时间限制。后面的内容将会就此情况进行讨论。

另外要注意的是,当目标程序TLE的时候,通过rusage获取到的CPU时间并不是绝对精确的,可能会偏移正负数个毫秒,这是正常的。

0x03 内存限制

需要限制内存的占用,需要限制RLIMIT_AS、RLIMIT_DATA和RLIMIT_STACK。

其中,RLIMIT_AS为虚拟内存占用,可以设置为 RLIMIT_DATA + RLIMIT_STACK 的总和。这个限制不是必须的。

而RLIMIT_DATA一般是题目限定的内存值,单位是KB。

如C语言在定义全局变量的时候,事实上是定义在栈上的。RLIMIT_STACK可以限制栈的大小,你可以将它设置为一个固定值,或者按题目限定为准。

#include <stdio.h>
int a[1000];      // 栈
int main() {
    int b[1000];  // 堆
} 

当内存超过系统限制后,你将会捕捉到SIGSEGV信号。因为RE也可能触发SIGSEGV信号,需要通过rusage判断内存是否超出设定值。

0x04 文件访问限制

除了常见的TLE、MLE,还有一个不常见的状态叫做OLE。通常情况下,为了减轻服务器存储压力,我们会限制程序输出的数据的大小;某些情况下,一些未知的死循环可能造成一瞬间产生数百MB至数GB不等的文件,这些数据是无意义的。

使用RLIMIT_FSIZE,可以限制文件大小,参数的单位是Bytes。当限制被触发时,将收到系统发出的SIGXFSZ信号,后程序将被结束。

另外,OLE的判定条件不仅仅是SIGXFSZ。如果程序输出了两倍以上(含)于参考答案的数据,也会被认为是OLE。

0x05 实际使用中遇到的问题

也许细心的你发现了一个问题,RLIMIT_CPU只能精确到秒。如果一个题目的时间限制为1500ms,就无法实现了。

我在开发deer-executor判题机核心时,在解决sleep()问题上采用系统的定时器函数setitimer(ITIMER_REAL)来触发一个闹钟信号SIGALRM,强制结束掉进程。由于这个定时器使用的是真实的系统时间,因此可以准确的在我想要的时间内结束掉程序。(但我依然觉得这并不是一个最优的办法,如果你有更好的办法,欢迎和我分享讨论!)。撰写本文时,我重新翻阅了相关的文档,发现setitimer函数提供了三个参数可以使用:

  • ITIMER_REAL:计时器的值实时递减,发送的信号是SIGALRM
  • TIMER_VIRTUAL:进程执行(用户态)时递减计时器的值,发送的信号是SIGVTALRM
  • ITIMER_PROF:进程(用户态)和系统(内核态)执行时都递减计时器的值,发送的信号是SIGPROF

也就是说,我们可以用setitimer(ITIMER_PROF)来更加精确的触发时钟中断(通常情况下内核态会进行一些I/O操作,也会被认为是解题时间,因此不用TIMER_VIRTUAL参数),问题迎刃而解。setitimer函数的定义为:

struct itimerval {
    struct timeval it_interval;  // 触发间隔
    struct timeval it_value;     // 第一次触发时间 
};
struct timeval {
    long tv_sec;    // 单位:秒
    long tv_usec;   // 单位:微秒 (1μs == 1,000ms == 1,000,000s)
};
int setitimer(int which, const struct itimerval *value, struct itimerval *ovalue);

事实上,我们可以采取双重限制的办法:

假设当前题目的时间限制为tl = 1500 (ms),将setrlimit(RLIMIT_CPU)的时间设置为:

rlim_cur = rlim_max = ceil(tl / 1000)

setitimer(ITIMER_PROF)的时间设置为:

tv_sec = floor(tl / 1000);
tv_usec = (tl % 1000) * 1000;

即可实现更为精确的定时功能。

另外,上文提到如果用户在程序中执行sleep()函数,则无论是RLIMIT_CPU还是ITIMER_PROF,在sleep结束前都是不会被触发的。为了对抗这种行为,简单的办法是再增加定时器ITIMER_REAL,这个计时器是按真实的时间触发的,可以直接在超时后的结束掉程序。在多线程并行评测的情况下,这个时间可以被初略的设置为:

ceil(并发数 / CPU 核数) * TimeLimit

当然可以根据实际情况调整。但我始终认为这不是一个最优的办法,如果并行执行多个任务,则不能准确的计算出最佳的时间宽度。如果你有更好的办法,如阻止用户调用sleep等,欢迎和我一起讨论分享。

引用

https://linux.die.net/man/3/setrlimit
https://linux.die.net/man/3/getrlimit
https://linux.die.net/man/3/setitimer
https://www.cnblogs.com/niocai/archive/2012/04/01/2428128.html

https://www.zhihu.com/question/390424213/answer/1179758442

今天是WeJudge3.0项目2018年立项开发以来,举办过的最大型比赛了!

本次网赛迎来了广东省各大高校的诸多高手同台竞技,充分展示了各位选手的实力。早上8时开始,不到10分钟,就有6题被拿了一血,不到3小时,排行榜首过15题了!(吐槽一下出题人,怎么出的这么简单;-)截止至晚上8时整,共1196名同学至少过题一道,有19道题被拿一血(总共20题,其中E题无人过题),排行榜上第一名是来自华南理工大学的郑炜城同学,恭喜!

凡事没有一帆风顺,作为WeBug系统(不是),此前花了大量时间在服务端优化上,结果比赛开始的时候,服务端看上去还挺顺的哦。于是顺手点了一下排行榜…嗯?我浏览器怎么卡爆了?经过一个多小时的排查,最终问题定位在了react-virtualized组件的CellMeasurerCache上,因为没有设置fixWidth属性,导致在渲染大量Cell的时候,每个Cell都去渲染并计算了Width,2300 * 20 == BOOM,紧急修复后恢复正常。

考虑到是2000多人的比赛,我们手上也就只有一台双路E5 2603 v2,学校借给我们一台单路E5-1620 v4作为主服务器,以及三台E5 2603 v2的单路服务器作为判题机服务器。根据百度统计的数据估算,短时间内大概在800 – 900 PV的时候我们服务器的承受量达到了峰值,接口访问出现也拥塞的情况。但总体来说,除了比赛结束那一瞬间可能有大批人访问排行榜,导致服务器压力过大,接口拥塞2-3分钟左右以外,整个比赛期间没有出现大面积崩溃、拥塞的情况,我悬着的一颗心终于放了下来,长舒了一口气。

再来看看咱们的各个数据库服务的工作情况。咱们的系统在设计上采用了MySQL作为主数据库、Redis和MongoDB作为副数据库和缓存服务,RabbitMQ作为队列数据库,虽然设计上支持分布式部署,奈何我们没有那么多服务器_(:з」∠)_于是主服务器基本上都是用来承担这个他们的工作了。

这次最佳凉快奖颁给了我们的MariaDB同学(也就是MySQL的好兄弟),平均不到20%的CPU占用率,您搁这儿树下泡茶喝咖啡呐?

劳动光荣奖,颁给Redis和MongoDB同学吧。账号数据、题目数据、排行榜的数据计算和缓存是Redis同学负责输出的,MongoDB同学则负责储存判题任务、判题结果和日志、题目配置信息等。

最惨996加班奖,就颁给我们最惨的RabbitMQ同学吧!从头到尾忙不停,内存都不够用了。判题队列、判题结果处理和查重队列,都是他在负责处理,可谓是“多人运动”…咳咳…鞠躬尽瘁!下次一定给你安排上16G内存,别再告警了求你了_(:з」∠)_

接下来是判题机。之前我们拿java压测了一波,python也压测了一波,也就是想看看这些高负载的评测对整个队列有啥影响。结果实际情况,确实没有压测时设想的那么恐怖。通过压力测试,也成功的怼出了判题机的一些问题,比如WA、PE没判对,以及测试文件太大的时候判题机出现访问文件失败的问题,这才使得我们在比赛前能够尽可能解决存在的问题。感觉下图判题机的CPU都没完全吃满,绰绰有余咯~(吃满你们就全TLE了哈哈)

再来看看比赛一个月来的访问量统计,PV达到了100W+!今日UV达到3000+!

Wow! Awesome! 这是OJ独享的moment…. 😉

可能对于那些商业OJ来说,这不算什么,但是对于我们来说,这是一次前所未有的经历。感谢主办方对我们的信任,也感谢北京师范大学珠海分校信息技术学院的领导、老师对我们整个系统的人力、物力、财力上的大力支持,感谢来自五湖四海的参赛者同学们对我们的理解和支持!

最后,来感谢一下为WeJudge作出贡献的大家!

从2015年立项以来,WeJudge前前后后更新了三个大版本。当初做这个是为了给同学们提供一个教学用的评测平台,所以,在肖红玉老师(咱们团队的指导老师)的帮助下,从2015年9月就开始使用到她的C语言课程中,逐步推广到整个学院在使用,也因此积累下来很多质量较高的题目,因此,也很感谢肖老师和信院的各位老师、我的同学 Wolf Zheng (@草原狼)、 @QuanQqqqq 和Tosh Qiu等大佬,以及北师珠ACM协协会各届的大佬,为OJ提供了许多优秀的题目资源和测试数据。

然后是咱们团队~在初期我单枪匹马独干了2年多的时间里,系统存在一些自身的不足和偏见,3.0版本以前的WeJudge在现在看来是一个大作业水平的作品。在经历了一个很棒的科技公司实习后(很感谢那位老板给我的实习机会~),让我清楚的意识到,如果我想把它做好,就需要重头开始。在即将毕业的那一年,我很幸运遇到了两位大佬121和ztr( @三好少年R某 ),在我们共同的努力下,把3.0系统做出来了。我负责架构多一些,业务代码大多数是他们在整,大家都是在同一个起跑线上成长,也见证了整个系统从0到1的过程。很感谢你们两年多来为WeJudge的付出!无论WeJudge的未来如何,我相信它带给你们的都是技术上成长和收获!

再然后,是关于这次比赛的。比赛筹备大概是3月份开始的,一开始接到的是说比赛我们来搞,报名也我们来搞,不仅要支付,还要小程序(??)。于是乎我们在两个星期左右的时间里,内把支付接好了,并把小程序搞了出来。期间感谢ztr大佬搭建微信小程序的项目(我一窍不通哈哈哈),以及我们可爱的xj小姐姐在开发上的帮助~考虑到比赛需要消耗较大的服务器资源,申请到的备用服务器需要做相应的配置才有用。由于疫情期间,学校没开学,我本人也毕业两年了不在学校,所以只好请实验室管理员郑义老师帮忙新服务器的安装操作系统工作,以及原有主机的内存扩容、故障硬盘更换等。郑老师辛苦啦,周末都还在帮我们装系统啥的,我有点儿过意不去,总之非常感谢啦!

最后最后,当然要感谢我们的大老板小红鱼老师了!肖老师从15年立项到现在一直在支持这个项目,幕后的运营、推广都是她在负责搞。可以说,如果没有她帮忙,OJ也许就真是一个大作业玩具了,基本上是没人会用的。这次比赛的顺利进行,相信是对她辛劳和努力的一个最好的回礼!

老板的鸡腿已加,请查收

大家见证了WeJudge的成长,WeJudge也见证了你们的成就和荣耀!

衷心感谢大家,我们明年再见!哦不,别急,这才网络资格赛呢,还有现场赛呢!到时会有更好玩的功能出现在现场哦,也许还会在B站有直播?

不骄不躁,脚踏实地,继续前行!

一些私货

WeJudge官方网站:https://oj.bnuz.edu.cn
判题机核心模块开源:https://github.com/LanceLRQ/deer-executor
WeJudge团队:https://github.com/wejudge