1. 項目概述
最近研究了一下Qt/C++框架下，windows版本的多進程編寫方法，實現了一個小demo。下面詳細介紹一下。
MultiProcessDemo是一個基于Qt框架實現的多進程應用程序示例，展示了如何在Windows平臺上通過共享內存和事件機制實現進程間通信。該項目主要由一個帶GUI的主進程和一個后臺存儲子進程組成，實現了進程間數據傳輸、子進程監控與自動重啟、優雅退出等功能。
2. 項目架構設計
2.1 整體架構圖
┌───────────────────────────┐ ┌─────────────────────────┐
│ 主進程 (GUI) │ │ 存儲子進程 │
│ ┌─────────────────────┐ │ │ ┌───────────────────┐ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ MainWindow │ │ │ │ Storage │ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ └───────────┬─────────┘ │ │ └───────────┬───────┘ │
│ │ │ │ │ │
│ │ 寫入數據 │ │ │ 讀取數據 │
│ ▼ │ │ ▼ │
│ ┌─────────────────────┐ │ │ ┌───────────────────┐ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ SharedMemoryManager │<─┼──────┼─>│ SharedMemoryManager │ │
│ │ (創建共享內存) │ │ │ │ (打開共享內存) │ │
│ └─────────────────────┘ │ │ └───────────────────┘ │
│ │ │ │ │ │
│ │ 觸發事件 │ │ │ 等待事件 │
│ ▼ │ │ ▼ │
│ ┌─────────────────────┐ │ │ ┌───────────────────┐ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ 數據事件 (DataEvent)│<─┼──────┼─>│ 數據事件 (DataEvent)│ │
│ │ 退出事件 (ExitEvent)│<─┼──────┼─>│ 退出事件 (ExitEvent)│ │
│ └─────────────────────┘ │ │ └───────────────────┘ │
└───────────────────────────┘ └─────────────────────────┘▲ ▲│ │└──────────────────────────────────┘進程間通信
2.2 架構分層
-
應用層
- 主進程：提供用戶界面，管理子進程生命周期
- 存儲子進程：后臺處理數據，響應主進程指令
-
通信層
- 共享內存：使用Windows API實現高效的進程間數據共享
- 事件機制：用于進程間同步和通知
-
公共組件層
- 共享定義和工具類：為多進程提供統一的接口和數據結構
3. 核心組件介紹
3.1 SharedMemoryManager
SharedMemoryManager是項目中實現共享內存通信的核心類，封裝了Windows API中與共享內存相關的操作。
主要功能：
- 創建/打開共享內存區域
- 寫入數據到共享內存
- 從共享內存讀取數據
關鍵實現：
class SharedMemoryManager {
public:SharedMemoryManager(bool create); // create=true表示創建共享內存，false表示打開已有共享內存~SharedMemoryManager();bool write(const std::string &data); // 寫入數據std::string read(); // 讀取數據private:HANDLE m_hMapFile = nullptr; // 共享內存句柄bool m_isOwner = false; // 是否是共享內存的創建者
};
3.2 MainWindow
MainWindow是主進程的GUI界面，負責與用戶交互并向子進程發送數據。
主要功能：
- 提供用戶交互界面
- 寫入數據到共享內存
- 觸發數據事件通知子進程
關鍵實現：
class MainWindow : public QMainWindow {Q_OBJECT
public:explicit MainWindow(HANDLE dataEvent, QWidget* parent = nullptr);
protected slots:void onButtonClicked(); // 處理按鈕點擊事件private:HANDLE m_dataEvent; // 數據事件句柄SharedMemoryManager* m_sharedMemory; // 共享內存管理器
};
3.3 Storage
Storage是存儲子進程的核心類，負責監聽事件和處理數據。
主要功能：
- 監聽退出事件和數據事件
- 從共享內存讀取數據
- 處理數據并執行相應操作
關鍵實現：
class Storage {
public:explicit Storage(HANDLE exitEvent, HANDLE dataEvent);int run(); // 運行子進程的主循環private:HANDLE m_exitEvent; // 退出事件句柄HANDLE m_dataEvent; // 數據事件句柄SharedMemoryManager* m_sharedMemory; // 共享內存管理器
};
4. 技術實現細節
4.1 進程創建與管理
項目使用Qt的QProcess類創建和管理子進程，實現了子進程的自動重啟和監控機制。
主要流程：
- 主進程啟動時創建全局事件對象
- 解析命令行參數，決定是以主進程還是子進程模式運行
- 如果是主進程，則創建GUI并啟動存儲子進程
- 設置子進程信號連接，監控其狀態
- 實現定時器定期檢查子進程狀態，異常退出時自動重啟
關鍵代碼：
// 啟動 storage 子進程
void startStorage(QProcess *proc, QApplication *app, bool isShuttingDown, std::function<void()> retryFunc) {if (isShuttingDown || proc->state() == QProcess::Running) {return;}QStringList args{"--storage"};proc->start(app->applicationFilePath(), args);if (!proc->waitForStarted(3000)) {QTimer::singleShot(2000, retryFunc); // 啟動失敗時重試}
}// 監控 storage 子進程
void setupMonitor(QProcess *proc, QTimer *timer, std::function<void()> restartFunc, bool &isShuttingDown) {QObject::connect(timer, &QTimer::timeout, [=, &isShuttingDown]() {if (isShuttingDown) return;if (proc->state() != QProcess::Running) {restartFunc(); // 檢測到子進程未運行，嘗試重啟}});timer->start(5000); // 每5秒檢查一次
}
4.2 進程間通信機制
項目使用Windows的共享內存和事件機制實現進程間通信，這種方式具有高效、低延遲的特點。
共享內存實現：
- 主進程創建共享內存區域
- 子進程打開已創建的共享內存區域
- 通過內存映射文件實現數據共享
事件機制實現：
- 使用全局命名事件實現進程間同步和通知
- 定義兩種事件：數據事件（通知子進程有新數據）和退出事件（通知子進程退出）
關鍵代碼：
// 創建全局退出事件
HANDLE createExitEvent() {return CreateEventW(nullptr, TRUE, FALSE, STORAGE_EXIT_EVENT_NAME);
}// 寫入數據并通知子進程
void MainWindow::onButtonClicked() {if (m_sharedMemory->write("abc")) {// 通知 storage 有新數據SetEvent(m_dataEvent);}
}// 子進程等待事件并處理
int Storage::run() {HANDLE handles[2] = {m_exitEvent, m_dataEvent};while (true) {DWORD ret = WaitForMultipleObjects(2, handles, FALSE, INFINITE);if (ret == WAIT_OBJECT_0) // 退出事件{break;}else if (ret == WAIT_OBJECT_0 + 1) // 數據事件{std::string data = m_sharedMemory->read();// 處理數據...ResetEvent(m_dataEvent); // 重置事件}}return 0;
}
4.3 優雅退出機制
項目實現了優雅退出機制，確保主進程退出時能夠正確通知子進程并等待其退出。
主要流程：
- 主進程接收到退出信號時，設置關閉標志并停止監控定時器
- 觸發退出事件通知子進程
- 等待子進程在指定時間內正常退出
- 如果子進程無響應，則強制終止
關鍵代碼：
// 優雅退出 storage
void shutdownStorage(QProcess *proc, HANDLE exitEvent, QTimer *timer, bool &isShuttingDown) {isShuttingDown = true;timer->stop();if (proc->state() == QProcess::Running) {SetEvent(exitEvent); // 通知子進程退出if (!proc->waitForFinished(5000)) {proc->kill(); // 強制終止proc->waitForFinished(1000);}}if (exitEvent) {CloseHandle(exitEvent); // 關閉事件句柄}
}
5. 項目結構說明
項目采用清晰的目錄結構，將不同功能模塊分離，便于維護和擴展。
├── CMakeLists.txt # 項目構建配置
├── main.cpp # 程序入口點
├── common/ # 公共組件
│ ├── common.h # 共享定義和常量
│ ├── sharedmemory_manager.cpp # 共享內存管理器實現
│ └── sharedmemory_manager.h # 共享內存管理器定義
├── dataview/ # 主進程界面相關
│ ├── mainwindow.cpp # 主窗口實現
│ └── mainwindow.h # 主窗口定義
└── storage/ # 存儲子進程相關├── storage.cpp # 存儲子進程實現└── storage.h # 存儲子進程定義
6. 關鍵技術點分析
6.1 共享內存的安全性考慮
共享內存在提供高效通信的同時，也帶來了一些安全性問題，本項目主要考慮了以下幾點：
- 使用互斥事件確保數據讀寫的同步
- 限制共享內存大小，防止內存濫用
- 進程異常退出時的資源清理
6.2 子進程監控與自動恢復
項目實現了完善的子進程監控機制，確保系統的穩定性和可靠性：
- 定時檢查子進程狀態
- 捕獲子進程異常退出信號
- 實現自動重啟邏輯，保證服務可用性
6.3 Windows API與Qt框架的融合
項目成功融合了Windows API和Qt框架的優勢：
- 使用Qt框架快速構建GUI和管理應用程序生命周期
- 利用Windows原生API實現高效的進程間通信
- 通過信號槽機制簡化事件處理和組件間通信
6.4 為何不使用QSharedMemory
項目選擇自行實現基于Windows API的SharedMemoryManager而非使用Qt提供的QSharedMemory類，主要是通過直接調用底層 API（如 CreateFileMappingW），可以針對 Windows 系統特性進行優化，減少 Qt 封裝帶來的開銷，同時獲得更靈活的共享內存控制和更高效的進程間同步能力。
7. 多進程架構的優勢
本項目采用多進程架構而非傳統的多線程架構，主要基于以下技術優勢：
- 更高的穩定性和容錯性：一個進程崩潰不會影響其他進程的運行，提高了整個應用的穩定性
- 更好的資源隔離：進程間內存空間完全隔離，避免了共享內存訪問沖突和資源競爭問題
- 充分利用多核性能：多進程可以更有效地利用多核CPU資源，實現真正的并行計算
雖然多進程架構在進程間通信上會有一定開銷，但對于需要高穩定性、強隔離性的應用場景，這些優勢遠大于其帶來的額外成本。
8. 程序輸出展示
9. 總結與展望
MultiProcessDemo項目成功實現了基于Qt的多進程應用架構，展示了如何在Windows平臺上實現高效的進程間通信。該項目的設計理念和實現方法可以應用于需要將UI和后臺處理分離的應用場景，有助于提高應用程序的穩定性和響應性能。
未來改進方向
- 共享內存隊列：目前共享內存通信使用的是簡單的字符串傳遞，考慮引入隊列機制，支持批量數據傳輸。
- 增加其他子進程：本demo只是實現了基本的功能，后續可根據需求新增其他子進程。。
