計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)員技能操作試題(職業(yè)資格高級(jí))一、項(xiàng)目背景與需求說明某教育科技公司擬開發(fā)一套在線考試系統(tǒng)，核心目標(biāo)是支持大規(guī)模（單場考試最大并發(fā)1000人）、多類型（覆蓋單選題、多選題、判斷題、主觀題）、高安全性的在線考試場景。請(qǐng)根據(jù)以下具體需求，完成系統(tǒng)核心模塊的設(shè)計(jì)、編碼及測試工作。二、具體任務(wù)要求任務(wù)1：需求分析與系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)（20分）需求概述：系統(tǒng)需支持以下核心功能：1.用戶認(rèn)證與權(quán)限管理：用戶分為考生、教師、管理員三類；考生通過手機(jī)號(hào)+短信驗(yàn)證碼登錄，教師/管理員通過用戶名+密碼登錄（密碼需采用PBKDF2WithHmacSHA256算法加密存儲(chǔ)）；需實(shí)現(xiàn)角色權(quán)限控制（如考生僅能參與考試，教師可管理試題庫，管理員可管理用戶）。2.考試流程控制：支持固定時(shí)長考試（如60分鐘），包含倒計(jì)時(shí)提醒（剩余10分鐘、5分鐘彈窗提示）、超時(shí)自動(dòng)交卷；支持考試中斷后恢復(fù)（如考生因網(wǎng)絡(luò)問題退出，重新登錄可繼續(xù)答題，已答內(nèi)容需實(shí)時(shí)保存）。3.智能組卷：根據(jù)教師設(shè)定的組卷規(guī)則（知識(shí)點(diǎn)分布：Java基礎(chǔ)40%、數(shù)據(jù)庫30%、操作系統(tǒng)30%；難度分布：簡單30%、中等50%、困難20%；總題數(shù)100題），從試題庫（當(dāng)前約10萬道題）中快速生成個(gè)性化試卷（同一考生多次考試試題不重復(fù)，不同考生試卷難度均衡）。4.實(shí)時(shí)答題與評(píng)分：支持單選題（每題2分）、多選題（少選得1分，錯(cuò)選0分，每題3分）、判斷題（每題1分）的自動(dòng)評(píng)分；主觀題（每題10分）需記錄考生答案，由教師后期人工評(píng)分；考生提交試卷后實(shí)時(shí)顯示客觀題得分，主觀題得分在教師評(píng)閱后同步。5.性能與安全要求：單場考試1000人并發(fā)時(shí)，頁面響應(yīng)時(shí)間≤2秒；試題內(nèi)容傳輸需加密（HTTPS）；防止SQL注入、XSS攻擊；數(shù)據(jù)庫需支持快速查詢（如組卷時(shí)篩選符合條件試題的時(shí)間≤500ms）。任務(wù)要求：-繪制系統(tǒng)邏輯架構(gòu)圖（需包含用戶層、應(yīng)用層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層），說明各層功能及關(guān)鍵組件（如應(yīng)用層需包含認(rèn)證服務(wù)、考試服務(wù)、組卷服務(wù)；數(shù)據(jù)層需包含MySQL數(shù)據(jù)庫、Redis緩存）。-設(shè)計(jì)分布式會(huì)話管理方案（需考慮考生跨設(shè)備中斷后恢復(fù)場景），說明技術(shù)選型（如JWT+Redis）及實(shí)現(xiàn)邏輯（如會(huì)話過期時(shí)間設(shè)置為考試時(shí)長+30分鐘，Redis存儲(chǔ)用戶當(dāng)前考試狀態(tài)）。-分析高并發(fā)場景下的性能瓶頸點(diǎn)（如數(shù)據(jù)庫連接池、組卷算法效率、緩存命中率），提出優(yōu)化策略（如使用連接池大小設(shè)置為CPU核心數(shù)×2，組卷算法采用預(yù)篩選+加權(quán)隨機(jī)，Redis緩存高頻訪問試題）。任務(wù)2：數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)（20分）數(shù)據(jù)需求：系統(tǒng)需存儲(chǔ)以下核心數(shù)據(jù)：-用戶信息：手機(jī)號(hào)/用戶名、密碼（加密后）、角色（考生/教師/管理員）、注冊(cè)時(shí)間。-試題信息：試題ID（自增主鍵）、題型（單選/多選/判斷/主觀）、知識(shí)點(diǎn)（如Java基礎(chǔ)）、難度（1-5級(jí)，1為簡單）、題干、選項(xiàng)（多選題專有）、正確答案（主觀題無）、分值、創(chuàng)建人（教師ID）、創(chuàng)建時(shí)間。-考試記錄：考試ID（UUID）、考生ID、試卷ID（組卷生成的唯一標(biāo)識(shí)）、開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間（自動(dòng)交卷時(shí)記錄）、客觀題得分、主觀題得分（初始為0）、是否提交（布爾值）。-答題明細(xì)：答題ID（自增主鍵）、考試ID、試題ID、考生答案（主觀題答案為文本）、是否正確（客觀題專有）、得分（客觀題自動(dòng)計(jì)算，主觀題后期人工填寫）。任務(wù)要求：-設(shè)計(jì)E-R圖（需包含用戶、試題、考試記錄、答題明細(xì)四個(gè)實(shí)體及關(guān)系），說明實(shí)體間的關(guān)聯(lián)（如考生與考試記錄為一對(duì)多，考試記錄與答題明細(xì)為一對(duì)多）。-給出MySQL數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)（需包含字段名、類型、約束、索引設(shè)計(jì)），示例如下：-`user_table`：user_id（BIGINTUNSIGNEDPRIMARYKEYAUTO_INCREMENT）、phone（VARCHAR(11)UNIQUE）、username（VARCHAR(50)UNIQUE）、password_hash（CHAR(64)）、salt（CHAR(16)）、role（TINYINT）、reg_time（DATETIMEDEFAULTCURRENT_TIMESTAMP）。-`question_table`：question_id（BIGINTUNSIGNEDPRIMARYKEYAUTO_INCREMENT）、type（ENUM('SINGLE','MULTI','JUDGE','SUBJECTIVE')）、knowledge_point（VARCHAR(50)）、difficulty（TINYINT）、content（TEXT）、options（JSON）、correct_answer（VARCHAR(100)）、score（DECIMAL(5,2)）、creator_id（BIGINTUNSIGNED）、create_time（DATETIMEDEFAULTCURRENT_TIMESTAMP）；需為`knowledge_point`、`difficulty`、`type`字段添加聯(lián)合索引（加速組卷篩選）。-設(shè)計(jì)主觀題評(píng)分日志表（記錄教師評(píng)分操作），包含字段：log_id（自增主鍵）、exam_id（考試ID）、question_id（試題ID）、scorer_id（教師ID）、old_score（修改前得分）、new_score（修改后得分）、score_time（DATETIME）、remark（文本備注）。任務(wù)3：核心功能編碼實(shí)現(xiàn)（40分）開發(fā)環(huán)境與技術(shù)棧：-后端：Java17、SpringBoot3.2.0、MyBatis-Plus3.5.4、Redis7.0（lettuce客戶端）、RabbitMQ3.12（處理異步任務(wù)）。-前端：Vue3、ElementPlus（僅需考慮接口設(shè)計(jì)，無需編寫前端代碼）。任務(wù)要求：3.1用戶認(rèn)證模塊（8分）-實(shí)現(xiàn)考生登錄接口（POST/api/examinee/login），輸入為手機(jī)號(hào)、短信驗(yàn)證碼（需調(diào)用第三方短信接口驗(yàn)證，此處模擬：驗(yàn)證碼為6位數(shù)字，有效期5分鐘，Redis存儲(chǔ)格式：`sms:${phone}:code`）；返回JWT令牌（有效期為考試時(shí)長+30分鐘，負(fù)載包含user_id、role）。-實(shí)現(xiàn)教師登錄接口（POST/api/teacher/login），輸入為用戶名、密碼（需驗(yàn)證密碼：`hash=PBKDF2(password,salt,65536,256)`，鹽值從數(shù)據(jù)庫獲取）；登錄成功后生成會(huì)話（Redis存儲(chǔ)格式：`session:${user_id}`，值為JWT令牌，用于分布式會(huì)話校驗(yàn)）。-設(shè)計(jì)權(quán)限攔截器（基于SpringAOP），攔截所有接口請(qǐng)求，校驗(yàn)JWT令牌有效性及用戶角色（如訪問`/api/exam/start`需考生角色，訪問`/api/question/manage`需教師角色）。3.2智能組卷模塊（12分）-實(shí)現(xiàn)組卷算法（核心類`PaperGenerator`），輸入為組卷規(guī)則（知識(shí)點(diǎn)比例、難度比例、總題數(shù)），輸出為試卷試題列表（`List<Long>`試題ID）。要求：-預(yù)篩選：根據(jù)知識(shí)點(diǎn)（Java基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)庫、操作系統(tǒng)）和難度（1-2為簡單，3為中等，4-5為困難）從`question_table`篩選候選試題（使用MyBatis-Plus的`QueryWrapper`，條件：`knowledge_pointIN('Java基礎(chǔ)','數(shù)據(jù)庫','操作系統(tǒng)')ANDdifficultyIN(1,2,3,4,5)`）。-按比例分配題數(shù)：總題數(shù)100題，Java基礎(chǔ)占40題（40%），數(shù)據(jù)庫30題，操作系統(tǒng)30題；每類知識(shí)點(diǎn)中，簡單題占該知識(shí)點(diǎn)題數(shù)的30%（如Java基礎(chǔ)40題中，簡單題12題），中等50%（20題），困難20%（8題）。-隨機(jī)抽?。簩?duì)每類知識(shí)點(diǎn)+難度的候選試題，使用加權(quán)隨機(jī)算法（權(quán)重=試題被使用次數(shù)的倒數(shù)，避免重復(fù)抽題；如某試題未被使用過，權(quán)重為1；被使用過1次，權(quán)重為0.5），抽取對(duì)應(yīng)題數(shù)。-防重復(fù)：檢查考生歷史考試記錄（`exam_record`表中該考生的`paper_id`關(guān)聯(lián)的`question_id`），避免抽取已考過的試題。-編寫組卷接口（POST/api/paper/generate），輸入為教師ID、組卷規(guī)則（JSON格式），輸出為試卷ID（UUID）及試題列表（需包含題干、選項(xiàng)、分值）。3.3考試流程控制模塊（10分）-實(shí)現(xiàn)考試開始接口（POST/api/exam/start），輸入為考試ID（教師創(chuàng)建的考試場次ID），輸出為試卷內(nèi)容（試題列表），并啟動(dòng)倒計(jì)時(shí)任務(wù)（使用`ScheduledExecutorService`）：-倒計(jì)時(shí)邏輯：考試時(shí)長60分鐘，每1分鐘檢查一次剩余時(shí)間；剩余10分鐘、5分鐘時(shí)，通過WebSocket向考生推送提醒（需設(shè)計(jì)WebSocket連接管理，使用Spring的`@ServerEndpoint`）。-自動(dòng)交卷：倒計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，觸發(fā)`autoSubmit`方法，調(diào)用答題保存接口（保證事務(wù)性），并更新`exam_record`表的`is_submitted`為`true`。-實(shí)現(xiàn)答題保存接口（POST/api/exam/save-answer），輸入為考試ID、試題ID、考生答案（JSON格式），要求：-客觀題（單選、多選、判斷）實(shí)時(shí)計(jì)算得分（如單選題答案匹配`correct_answer`則得滿分，多選題需判斷考生答案是否為正確答案的子集：全對(duì)得3分，少選得1分，錯(cuò)選得0分）。-使用Redis緩存臨時(shí)答題數(shù)據(jù)（鍵：`exam:${exam_id}:${user_id}:answers`，值：JSON格式的答題明細(xì)），每30秒異步寫入數(shù)據(jù)庫（通過RabbitMQ發(fā)送`SAVE_ANSWER`消息，消費(fèi)者將緩存數(shù)據(jù)批量插入`answer_detail`表）。-處理并發(fā)沖突：當(dāng)同一考生同時(shí)在兩臺(tái)設(shè)備答題時(shí)，后登錄的設(shè)備需踢掉前設(shè)備的WebSocket連接（通過Redis記錄當(dāng)前在線設(shè)備ID，新連接建立時(shí)校驗(yàn)）。3.4評(píng)分與統(tǒng)計(jì)模塊（10分）-實(shí)現(xiàn)客觀題自動(dòng)評(píng)分接口（POST/api/exam/auto-score），輸入為考試ID，邏輯：-從`answer_detail`表查詢?cè)摽荚嚨目陀^題答題記錄，根據(jù)題型調(diào)用評(píng)分策略類（如`SingleChoiceScorer`、`MultiChoiceScorer`）計(jì)算得分。-更新`exam_record`表的`objective_score`字段（客觀題總分），并觸發(fā)事件通知考生（通過WebSocket推送“客觀題得分已生成”）。-實(shí)現(xiàn)主觀題人工評(píng)分接口（POST/api/exam/manual-score），輸入為考試ID、試題ID、教師ID、得分、備注，要求：-校驗(yàn)教師權(quán)限（僅該考試關(guān)聯(lián)的出題教師可評(píng)分）。-記錄評(píng)分日志到`score_log`表（需包含修改前后得分）。-若主觀題得分更新，重新計(jì)算考試總得分（`total_score=objective_score+subjective_score`），并更新`exam_record`表。任務(wù)4：測試用例設(shè)計(jì)與性能調(diào)優(yōu)（20分）4.1功能測試用例（10分）-設(shè)計(jì)至少8個(gè)測試用例，覆蓋以下場景：-考生登錄：使用錯(cuò)誤短信驗(yàn)證碼（預(yù)期返回401）、正常登錄（返回JWT令牌）。-組卷功能：知識(shí)點(diǎn)比例不滿足（如Java基礎(chǔ)候選試題僅30題，無法滿足40題需求），算法需自動(dòng)調(diào)整（從其他知識(shí)點(diǎn)補(bǔ)充，優(yōu)先選擇難度匹配的試題）。-考試中斷恢復(fù)：考生答題10分鐘后關(guān)閉瀏覽器，重新登錄后檢查已答內(nèi)容是否恢復(fù)（Redis緩存數(shù)據(jù)是否存在，數(shù)據(jù)庫是否已異步保存）。-自動(dòng)交卷：考試剩余時(shí)間10秒時(shí)，考生未提交，倒計(jì)時(shí)結(jié)束后檢查`exam_record`表的`is_submitted`是否為`true`，`answer_detail`表是否有完整答題記錄。-主觀題評(píng)分：教師重復(fù)評(píng)分同一試題（第二次評(píng)分日志需記錄修改前的舊得分）。4.2性能測試與調(diào)優(yōu)（10分）-使用JMeter模擬1000人并發(fā)進(jìn)入考試場景（線程數(shù)1000，循環(huán)1次，Ramp-Up時(shí)間30秒），監(jiān)控以下指標(biāo)：-后端接口響應(yīng)時(shí)間（目標(biāo)：平均≤2秒，95%分位≤3秒）。-MySQL數(shù)據(jù)庫QPS（目標(biāo)：≤1000次/秒，避免鎖競爭）。-Redis內(nèi)存使用（目標(biāo)：緩存命中率≥90%）。