1. 项目概述
最近研究了一下Qt/C++框架下，windows版本的多进程编写方法，实现了一个小demo。下面详细介绍一下。
MultiProcessDemo是一个基于Qt框架实现的多进程应用程序示例，展示了如何在Windows平台上通过共享内存和事件机制实现进程间通信。该项目主要由一个带GUI的主进程和一个后台存储子进程组成，实现了进程间数据传输、子进程监控与自动重启、优雅退出等功能。
2. 项目架构设计
2.1 整体架构图
┌───────────────────────────┐ ┌─────────────────────────┐
│ 主进程 (GUI) │ │ 存储子进程 │
│ ┌─────────────────────┐ │ │ ┌───────────────────┐ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ MainWindow │ │ │ │ Storage │ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ └───────────┬─────────┘ │ │ └───────────┬───────┘ │
│ │ │ │ │ │
│ │ 写入数据 │ │ │ 读取数据 │
│ ▼ │ │ ▼ │
│ ┌─────────────────────┐ │ │ ┌───────────────────┐ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ SharedMemoryManager │<─┼──────┼─>│ SharedMemoryManager │ │
│ │ (创建共享内存) │ │ │ │ (打开共享内存) │ │
│ └─────────────────────┘ │ │ └───────────────────┘ │
│ │ │ │ │ │
│ │ 触发事件 │ │ │ 等待事件 │
│ ▼ │ │ ▼ │
│ ┌─────────────────────┐ │ │ ┌───────────────────┐ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ 数据事件 (DataEvent)│<─┼──────┼─>│ 数据事件 (DataEvent)│ │
│ │ 退出事件 (ExitEvent)│<─┼──────┼─>│ 退出事件 (ExitEvent)│ │
│ └─────────────────────┘ │ │ └───────────────────┘ │
└───────────────────────────┘ └─────────────────────────┘
▲ ▲
│ │
└──────────────────────────────────┘
进程间通信
2.2 架构分层
应用层
- 主进程：提供用户界面，管理子进程生命周期
- 存储子进程：后台处理数据，响应主进程指令
通信层
- 共享内存：使用Windows API实现高效的进程间数据共享
- 事件机制：用于进程间同步和通知
公共组件层
- 共享定义和工具类：为多进程提供统一的接口和数据结构
3. 核心组件介绍
3.1 SharedMemoryManager
SharedMemoryManager是项目中实现共享内存通信的核心类，封装了Windows API中与共享内存相关的操作。
主要功能：
- 创建/打开共享内存区域
- 写入数据到共享内存
- 从共享内存读取数据
关键实现：
class SharedMemoryManager {
public:
SharedMemoryManager(bool create); // create=true表示创建共享内存，false表示打开已有共享内存
~SharedMemoryManager();
bool write(const std::string &data); // 写入数据
std::string read(); // 读取数据
private:
HANDLE m_hMapFile = nullptr; // 共享内存句柄
bool m_isOwner = false; // 是否是共享内存的创建者
};
3.2 MainWindow
MainWindow是主进程的GUI界面，负责与用户交互并向子进程发送数据。
主要功能：
- 提供用户交互界面
- 写入数据到共享内存
- 触发数据事件通知子进程
关键实现：
class MainWindow : public QMainWindow {
Q_OBJECT
public:
explicit MainWindow(HANDLE dataEvent, QWidget* parent = nullptr);
protected slots:
void onButtonClicked(); // 处理按钮点击事件
private:
HANDLE m_dataEvent; // 数据事件句柄
SharedMemoryManager* m_sharedMemory; // 共享内存管理器
};
3.3 Storage
Storage是存储子进程的核心类，负责监听事件和处理数据。
主要功能：
- 监听退出事件和数据事件
- 从共享内存读取数据
- 处理数据并执行相应操作
关键实现：
class Storage {
public:
explicit Storage(HANDLE exitEvent, HANDLE dataEvent);
int run(); // 运行子进程的主循环
private:
HANDLE m_exitEvent; // 退出事件句柄
HANDLE m_dataEvent; // 数据事件句柄
SharedMemoryManager* m_sharedMemory; // 共享内存管理器
};
4. 技术实现细节
4.1 进程创建与管理
项目使用Qt的QProcess类创建和管理子进程，实现了子进程的自动重启和监控机制。
主要流程：
- 主进程启动时创建全局事件对象
- 解析命令行参数，决定是以主进程还是子进程模式运行
- 如果是主进程，则创建GUI并启动存储子进程
- 设置子进程信号连接，监控其状态
- 实现定时器定期检查子进程状态，异常退出时自动重启
关键代码：
// 启动 storage 子进程
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); // 启动失败时重试
}
}
// 监控 storage 子进程
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(); // 检测到子进程未运行，尝试重启
}
});
timer->start(5000); // 每5秒检查一次
}
4.2 进程间通信机制
项目使用Windows的共享内存和事件机制实现进程间通信，这种方式具有高效、低延迟的特点。
共享内存实现：
- 主进程创建共享内存区域
- 子进程打开已创建的共享内存区域
- 通过内存映射文件实现数据共享
事件机制实现：
- 使用全局命名事件实现进程间同步和通知
- 定义两种事件：数据事件（通知子进程有新数据）和退出事件（通知子进程退出）
关键代码：
// 创建全局退出事件
HANDLE createExitEvent() {
return CreateEventW(nullptr, TRUE, FALSE, STORAGE_EXIT_EVENT_NAME);
}
// 写入数据并通知子进程
void MainWindow::onButtonClicked() {
if (m_sharedMemory->write("abc")) {
// 通知 storage 有新数据
SetEvent(m_dataEvent);
}
}
// 子进程等待事件并处理
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) // 数据事件
{
std::string data = m_sharedMemory->read();
// 处理数据...
ResetEvent(m_dataEvent); // 重置事件
}
}
return 0;
}
4.3 优雅退出机制
项目实现了优雅退出机制，确保主进程退出时能够正确通知子进程并等待其退出。
主要流程：
- 主进程接收到退出信号时，设置关闭标志并停止监控定时器
- 触发退出事件通知子进程
- 等待子进程在指定时间内正常退出
- 如果子进程无响应，则强制终止
关键代码：
// 优雅退出 storage
void shutdownStorage(QProcess *proc, HANDLE exitEvent, QTimer *timer, bool &isShuttingDown) {
isShuttingDown = true;
timer->stop();
if (proc->state() == QProcess::Running) {
SetEvent(exitEvent); // 通知子进程退出
if (!proc->waitForFinished(5000)) {
proc->kill(); // 强制终止
proc->waitForFinished(1000);
}
}
if (exitEvent) {
CloseHandle(exitEvent); // 关闭事件句柄
}
}
5. 项目结构说明
项目采用清晰的目录结构，将不同功能模块分离，便于维护和扩展。
├── CMakeLists.txt # 项目构建配置
├── main.cpp # 程序入口点
├── common/ # 公共组件
│ ├── common.h # 共享定义和常量
│ ├── sharedmemory_manager.cpp # 共享内存管理器实现
│ └── sharedmemory_manager.h # 共享内存管理器定义
├── dataview/ # 主进程界面相关
│ ├── mainwindow.cpp # 主窗口实现
│ └── mainwindow.h # 主窗口定义
└── storage/ # 存储子进程相关
├── storage.cpp # 存储子进程实现
└── storage.h # 存储子进程定义
6. 关键技术点分析
6.1 共享内存的安全性考虑
共享内存在提供高效通信的同时，也带来了一些安全性问题，本项目主要考虑了以下几点：
- 使用互斥事件确保数据读写的同步
- 限制共享内存大小，防止内存滥用
- 进程异常退出时的资源清理
6.2 子进程监控与自动恢复
项目实现了完善的子进程监控机制，确保系统的稳定性和可靠性：
- 定时检查子进程状态
- 捕获子进程异常退出信号
- 实现自动重启逻辑，保证服务可用性
6.3 Windows API与Qt框架的融合
项目成功融合了Windows API和Qt框架的优势：
- 使用Qt框架快速构建GUI和管理应用程序生命周期
- 利用Windows原生API实现高效的进程间通信
- 通过信号槽机制简化事件处理和组件间通信
6.4 为何不使用QSharedMemory
项目选择自行实现基于Windows API的SharedMemoryManager而非使用Qt提供的QSharedMemory类，主要是通过直接调用底层 API（如 CreateFileMappingW），可以针对 Windows 系统特性进行优化，减少 Qt 封装带来的开销，同时获得更灵活的共享内存控制和更高效的进程间同步能力。
7. 多进程架构的优势
本项目采用多进程架构而非传统的多线程架构，主要基于以下技术优势：
- 更高的稳定性和容错性：一个进程崩溃不会影响其他进程的运行，提高了整个应用的稳定性
- 更好的资源隔离：进程间内存空间完全隔离，避免了共享内存访问冲突和资源竞争问题
- 充分利用多核性能：多进程可以更有效地利用多核CPU资源，实现真正的并行计算
虽然多进程架构在进程间通信上会有一定开销，但对于需要高稳定性、强隔离性的应用场景，这些优势远大于其带来的额外成本。
8. 程序输出展示
9. 总结与展望
MultiProcessDemo项目成功实现了基于Qt的多进程应用架构，展示了如何在Windows平台上实现高效的进程间通信。该项目的设计理念和实现方法可以应用于需要将UI和后台处理分离的应用场景，有助于提高应用程序的稳定性和响应性能。
未来改进方向
- 共享内存队列：目前共享内存通信使用的是简单的字符串传递，考虑引入队列机制，支持批量数据传输。
- 增加其他子进程：本demo只是实现了基本的功能，后续可根据需求新增其他子进程。。