十、C++速通秘籍—多进程
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九、C++速通秘籍—类和函数-CSDN博客
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一、引言
深入剖析多进程：从原理到跨平台实践
二、理解高并行/高并发，解锁高性能系统的密钥
三、进程与进程状态切换：进程生命周期的蜕变
1、进程的定义
1.1、一个可执行文件与进程的关系
2、进程状态
进程常见的状态划分：
状态切换
四、多进程在 Linux 和 Windows 系统中的实现与进程间通信
1、Linux 系统
1.1、常见实现方式在 Linux 中，创建新进程最常用的方式是使用
1.2、常见使用场景：
2、windows系统
3、进程间通信（5种）
五、进程的特殊用法
1、守护进程：后台运行的默默守护者
1.1、原理
1.2、Linux 系统
Linux 实现示例
1.3、Windows 实现示例
2、唯一进程
六、总结
一、引言
深入剖析多进程：从原理到跨平台实践
在软件开发的宏大版图中，多进程技术犹如一座桥梁，横跨在提升系统性能与处理复杂任务的两岸。无论是高并发的服务器场景，还是对资源进行高效管理的桌面应用，多进程都扮演着不可或缺的角色。本文从多进程实现高并发的原理出发，逐步探索多进程在 Linux 和 Windows 系统下的运作机制。
二、理解高并行/高并发，解锁高性能系统的密钥
在讲解多进程之前，先让我们理解“什么是并行？什么是并发？并了解二者的区别”
并行的前提是多核CPU，指的是多个任务同时在多个核心上同时执行。如下图：
并发执行是指系统能够同时处理多个任务，但这些任务并不一定在同一时刻执行，而是通过快速切换来模拟同时执行的效果。
多进程正是利用了并发和并行的优势来实现高并发。以 Web 服务器为例，当大量用户同时访问网站时，服务器可以为每个请求创建一个新的进程来处理。在单核 CPU 环境下，操作系统通过快速切换这些进程，使得它们看起来像是在同时执行。而在多核 CPU 环境下，不同的进程可以被分配到不同的核心上并行执行，大大提高了系统的吞吐量。
三、进程与进程状态切换：进程生命周期的蜕变
1、进程的定义
进程是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。简单来说，进程包含了正在运行的程序的代码、数据以及执行上下文等信息。
1.1、一个可执行文件与进程的关系
一个可执行文件（程序/软件）可以对应多个进程，也可以只对应一个进程，这取决于程序的设计和使用方式。一个可执行文件最少要有一个进程。
当你多次启动同一个可执行文件时，操作系统会为每次启动创建一个新的进程。例如，你可以同时打开多个记事本程序（假设记事本程序的可执行文件是notepad.exe），每个记事本窗口都对应一个独立的进程。这些进程虽然都源自同一个可执行文件，但它们在内存中是相互独立的，拥有各自的内存空间和执行上下文，彼此之间互不干扰。另外，有些程序在设计上会主动创建多个进程来完成不同的任务。例如，浏览器通常会为每个标签页创建一个独立的进程，这样可以提高浏览器的稳定性和性能。当一个标签页崩溃时，不会影响其他标签页的正常运行。
2、进程状态
进程在整个执行周期中存在多种状态；
进程常见的状态划分：
1、就绪（Ready）：进程已经准备好执行，等待CPU调度。就像运动员已经站在起跑线上，等待发令枪响；
2、运行（Running）：进程正在CPU上执行。这是进程最活跃的阶段，如同运动员正在全力奔跑；
3、阻塞（Blocked）：进程因等待某个事件（如 I/O 操作完成、信号量获取等）而暂时无法执行。比如运动员在比赛中等待接力棒。
4、终止（Terminated）：进程已经完成执行或因异常而终止。就好像运动员完成了最后冲刺。
状态切换
进程状态的切换由操作系统内核负责。当一个运行状态的进程需要等待 I/O 操作完成时，内核会将其状态切换为阻塞状态，并将 CPU 资源分配给其他就绪状态的进程。当 I/O 操作完成后，内核会将该进程的状态切换为就绪状态，等待再次调度。在抢占式调度系统中，内核还会根据进程的优先级，在合适的时机将运行状态的进程切换为就绪状态，以便让优先级更高的进程获得 CPU 资源。
下面是一个设置进程优先级的代码，基于Windows系统：
/*** 多进程实践，这里是在windows系统下*/#include <iostream>
#include <windows.h>int main() {// 获取当前进程的句柄HANDLE hProcess = GetCurrentProcess();// 设置进程优先级为高if (SetPriorityClass(hProcess, HIGH_PRIORITY_CLASS)) {std::cout << "Process priority has been set to high." << std::endl;} else {// 获取错误代码DWORD errorCode = GetLastError();std::cerr << "Failed to set process priority. Error code: " << errorCode << std::endl;return 1;}// 这里可以添加其他需要执行的任务代码return 0;
} 四、多进程在 Linux 和 Windows 系统中的实现与进程间通信
1、Linux 系统
1.1、常见实现方式在 Linux 中，创建新进程最常用的方式是使用
fork()函数。
fork()函数会创建一个与父进程几乎完全相同的子进程，子进程会继承父进程的大部分资源，包括文件描述符、环境变量等。下面是一个简单的示例：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main() {pid_t pid;pid_t pid2;// 获取当前父进程Idpid = getpid();printf("before fork: pid = %d\n",pid);//fork之前获取当前进程的pidpid_t retFork = fork(); // 创建子进程pid2 = getpid();if (retFork == -1) {perror("fork failed"); // 子进程创建失败return -1;} else if (pid != pid2) {// 子进程printf("I am the child process. My PID is %d\n", getpid());} else {// 父进程printf("I am the parent process. My PID is %d\n", getpid());}return 0;
}1.2、常见使用场景：
一个父进程希望复制自己，使父、子进程同时执行不同的代码段。这在网络服务进程中是常见的——父进程等待客户端的服务请求。当这种请求到达时，父进程调用fork，使子进程处理此请求。父进程则继续等待下一个服务请求到达。
代码示例：
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>int main()
{pid_t pid;int data;while(1){{// 此处可以改成监听网络中信号或者外部请求printf("please input a data\n");//父进程一直等待客户的消息scanf("%d",&data); }if(data == 1)//收到数据为1就创建一个子进程来处理客户的消息，父进程继续等待其他客户的消息{pid = fork();if(0 == pid)//在子进程里处理{while(1)//这里假设子进程处理时间比较长{printf("do net request,pid = %d\n",getpid());//子进程打印自己的pidsleep(3);//延时一会}}}else{printf("wait,do nothing\n");//收到的数据不是1则继续等待}}return 0;
}2、windows系统
在 Windows 中，创建新进程使用CreateProcess()函数。该函数不仅可以创建新进程，还可以指定新进程的启动参数、安全属性等。下面是一个简单的示例：
#include <windows.h>
#include <stdio.h>int main() {// 创建进程STARTUPINFO si;PROCESS_INFORMATION pi;ZeroMemory(&si, sizeof(si));si.cb = sizeof(si);ZeroMemory(&pi, sizeof(pi));if (!CreateProcess(NULL,TEXT("processEx.exe"), // 调用可执行程序NULL,NULL,FALSE,0,NULL,NULL,&si,&pi)){printf("CreateProcess failed: %d\n", GetLastError());return 1;}else{printf("CreateProcess succeed: %d\n", pi.dwProcessId);}// 等待子进程结束// WaitForSingleObject(pi.hProcess, INFINITE);CloseHandle(pi.hProcess);CloseHandle(pi.hThread);return 0;
}3、进程间通信（5种）
管道（Pipe）：管道是一种半双工的通信方式，数据只能单向流动，有匿名管道/命名管道之分，匿名管道用于有亲缘关系的进程，命名管道可用于任意进程。匿名管道通常用于父子进程之间的通信。匿名管道使用pipe()函数创建，命名管道使用mkfifo()函数创建。用于简单数据传递，且实时性高的场景。
消息队列（Message Queue）：以消息链表形式存在于内核中，可克服信号传递信息少、管道数据无格式和缓冲区受限等问题。一般用于多对多进程间通信，并且对实时性要求不高的异步场景下。例如，一个日志记录进程和多个业务进程之间的通信，业务进程将日志信息发送到消息队列，日志记录进程从队列中取出消息并进行记录（该方式是linux系统中独有的）。
共享内存（Shared Memory）：共享内存允许不同进程访问同一块物理内存，无需数据复制，是最快的 IPC 方式，但需要同步和互斥操作。通过shmget()、shmat()等函数实现。一般用于多个进程需要频繁共享大量数据，例如数据库系统中多个进程共享数据库索引信息，对实时性要求较高的应用，如视频处理、音频处理等，共享内存可以减少数据传输的延迟。
信号量（Semaphore）：信号量用于实现进程间的同步和互斥。在 Linux 中，可以使用semget()、semop()等函数操作信号量。适用于进程间资源互斥，以及进程同步，用于协调多个进程的执行顺序，确保一个进程在另一个进程完成某个操作后再继续执行。
前面四个都在一个主机上的操作。
套接字（Socket）：可用于不同主机之间的进程通信，也可用于同一主机上的进程通信，支持多种协议。网络通信中服务器和客户端之间的通信，分布式系统中各个节点间通信；
五、进程的特殊用法
1、守护进程：后台运行的默默守护者
1.1、原理
守护进程是一种在后台运行的特殊进程，它独立于控制终端，通常在系统启动时自动启动，并一直运行直到系统关闭。守护进程的主要作用是执行一些需要长期运行的任务，如系统日志记录、定时任务执行等。
1.2、Linux 系统
创建守护进程通常需要以下步骤：
（1）、使用fork()函数创建一个子进程，然后父进程退出，这样可以使子进程脱离控制终端。
（2）、使用setsid()函数创建一个新的会话，使子进程成为新会话的领导者，从而脱离原有的控制终端。
（3）、改变当前工作目录为根目录，防止占用其他文件系统。
（4）、重设文件权限掩码，防止继承的文件权限影响守护进程的运行。
（5）、关闭不需要的文件描述符，防止资源泄漏。
Linux 实现示例
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int main() {pid_t pid = fork();if (pid == -1) {perror("fork");return 1;} else if (pid != 0) {// 父进程退出exit(0);}// 创建新会话if (setsid() == -1) {perror("setsid");return 1;}// 改变工作目录if (chdir("/") == -1) {perror("chdir");return 1;}// 重设文件权限掩码umask(0);// 关闭标准输入、输出和错误输出close(STDIN_FILENO);close(STDOUT_FILENO);close(STDERR_FILENO);// 守护进程主体，例如记录系统日志while (1) {// 模拟日志记录int fd = open("/var/log/daemon.log", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0644);if (fd != -1) {write(fd, "Daemon is running\n", 16);close(fd);}sleep(10);}return 0;
}1.3、Windows 实现示例
在 Windows 中，可以使用服务来实现类似守护进程的功能。下面是一个简单的服务示例：
#include <windows.h>
#include <stdio.h>SERVICE_STATUS serviceStatus;
SERVICE_STATUS_HANDLE serviceStatusHandle;VOID WINAPI ServiceMain(DWORD argc, LPTSTR *argv);
VOID WINAPI ServiceCtrlHandler(DWORD fdwControl);int main(int argc, char **argv) {SERVICE_TABLE_ENTRY serviceTable[] = {{TEXT("MyService"), ServiceMain},{NULL, NULL}};if (!StartServiceCtrlDispatcher(serviceTable)) {printf("StartServiceCtrlDispatcher failed: %d\n", GetLastError());}return 0;
}VOID WINAPI ServiceMain(DWORD argc, LPTSTR *argv) {serviceStatus.dwServiceType = SERVICE_WIN32_OWN_PROCESS;serviceStatus.dwCurrentState = SERVICE_START_PENDING;serviceStatus.dwControlsAccepted = SERVICE_ACCEPT_STOP;serviceStatus.dwWin32ExitCode = 0;serviceStatus.dwServiceSpecificExitCode = 0;serviceStatus.dwCheckPoint = 0;serviceStatus.dwWaitHint = 0;serviceStatusHandle = RegisterServiceCtrlHandler(TEXT("MyService"), ServiceCtrlHandler);if (serviceStatusHandle == NULL) {return;}// 标记服务已启动serviceStatus.dwCurrentState = SERVICE_RUNNING;SetServiceStatus(serviceStatusHandle, &serviceStatus);// 服务主体，例如记录系统日志while (serviceStatus.dwCurrentState == SERVICE_RUNNING) {// 模拟日志记录FILE *fp = fopen("C:\\Logs\\ServiceLog.txt", "a");if (fp != NULL) {fprintf(fp, "Service is running\n");fclose(fp);}Sleep(10000);}
}VOID WINAPI ServiceCtrlHandler(DWORD fdwControl) {switch (fdwControl) {case SERVICE_CONTROL_STOP:serviceStatus.dwCurrentState = SERVICE_STOP_PENDING;SetServiceStatus(serviceStatusHandle, &serviceStatus);// 执行清理操作serviceStatus.dwCurrentState = SERVICE_STOPPED;SetServiceStatus(serviceStatusHandle, &serviceStatus);break;default:break;}
}2、唯一进程
这里用来避免在一台设备上进程多开。
六、总结
多进程技术作为操作系统和软件开发的核心技术之一，为我们提供了强大的工具来构建高性能、高可靠性的应用程序。通过深入理解多进程的原理和跨平台实现，我们能够更好地应对复杂的业务需求，为用户提供更优质的服务。无论是 Linux 还是 Windows 系统，多进程技术都在不断演进，为软件的高效执行提供了强有力的基础。