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

  1. 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

  2. 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

  3. 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：

  1. 主进程启动时创建全局事件对象
  2. 解析命令行参数，决定是以主进程还是子进程模式运行
  3. 如果是主进程，则创建GUI并启动存储子进程
  4. 设置子进程信号连接，监控其状态
  5. 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：

  1. 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
  2. 触发退出事件通知子进程
  3. 等待子进程在指定时间内正常退出
  4. 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：

  1. 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
  2. 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
  3. 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

在这里插入图片描述

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

  1. 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。
  2. 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。。

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