C++多進程編程

一、進程介紹

進程是指在操作系統中正在運行的一個程序，它在操作系統中佔有一定的資源，如內存、I/O、CPU時間等。

每個進程都有自己的地址空間，互相之間無法訪問，是通過操作系統提供的IPC（進程間通信）機制來進行進程間的通信和數據交互。

在C++中，可以通過一些庫函數來創建和控制進程的運行，如fork()、exec()、wait()等函數。

二、多進程編程

多進程編程是指同時運行多個進程，它可以提高程序的並發性和效率，對於系統性能和響應時間的要求高時非常有用。

在C++中，創建一個新進程可以使用fork()函數，它會複製父進程的所有資源，包括代碼、數據、棧、堆等，然後子進程繼續執行fork()函數後的語句，而父進程則返回子進程的進程ID，這樣父子進程可以在不同的代碼分支中執行不同的任務。

可以通過判斷fork()函數的返回值來確定當前代碼執行的是父進程還是子進程：

pid_t pid = fork();
if (pid == 0) {
    // 子進程
} else if (pid > 0) {
    // 父進程
} else {
    // 出錯處理
}

其中pid_t是一個整型類型，代表進程ID，如果pid等於0，則表示當前代碼執行的是子進程的分支；如果pid大於0，則表示當前代碼執行的是父進程的分支，pid就是子進程的進程ID；如果pid小於0，則表示創建新進程失敗。

除了fork()函數，還可以使用exec系列函數和wait()函數來控制進程的運行。

三、進程間通信

進程間通信（IPC）是指兩個或多個進程之間的數據交換和通信，可以使用多種方式進行進程間通信，常見的有管道、消息隊列、共享內存和信號量等。

其中，管道是最簡單的通信方式，它可以在兩個進程之間傳遞字符流，但只能用於具有親緣關係的進程之間通信（即通過fork()函數創建的父子進程）；消息隊列可以傳遞複雜的數據結構，但如果數據量比較大時會影響性能；共享內存可以實現多個進程之間對同一塊內存的訪問，但需要解決進程同步和互斥的問題；信號量可以用來實現進程之間的同步和互斥，但需要掌握一定的信號量編程技巧。

下面是一個使用管道在父子進程之間傳遞數據的例子：

const int BUFFER_SIZE = 1024;
int pipe_fd[2];
char message[BUFFER_SIZE];
pid_t pid;

if (pipe(pipe_fd) < 0) {
    std::cerr << "create pipe error." << std::endl;
    exit(-1);
}

if ((pid = fork()) == -1) {
    std::cerr << "fork error." << std::endl;
    exit(-1);
} else if (pid == 0) {
    close(pipe_fd[1]);    // 關閉寫通道
    if (read(pipe_fd[0], message, BUFFER_SIZE) == -1) {
        std::cerr << "read error." << std::endl;
        exit(-1);
    }
    std::cout << "child process received message: " << message << std::endl;
    close(pipe_fd[0]);    // 關閉讀通道
} else {
    close(pipe_fd[0]);    // 關閉讀通道
    std::string input_message;
    std::cout << "input message to be sent to child process: ";
    std::getline(std::cin, input_message);
    if (write(pipe_fd[1], input_message.c_str(), input_message.size()) == -1) {
        std::cerr << "write error." << std::endl;
        exit(-1);
    }
    close(pipe_fd[1]);    // 關閉寫通道
    wait(NULL);           // 等待子進程結束
}

四、進程管理

進程管理是指對操作系統中的進程進行管理和調度，包括創建進程、終止進程、監控進程等操作，常用的進程管理工具有ps、top和kill等。

在C++中，可以使用系統函數kill()來終止一個進程，需要傳入進程ID和終止信號：

if (kill(pid, SIGKILL) == -1) {
    std::cerr << "kill process error." << std::endl;
    exit(-1);
}

其中，SIGKILL是一個宏定義，代表終止信號。

五、多進程編程實例

下面是一個簡單的多進程ping程序，它可以並行的ping多個IP地址，同時顯示結果：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

const int MAX_PROC_NUM = 10;
const int MAX_IP_NUM = 10;
const int MAX_RESULT_SIZE = 1024;

int proc_num = 0;
char ip_list[MAX_IP_NUM][16];

bool ping(const char* ip) {
    char cmd[1024] = {0};
    sprintf(cmd, "ping -c 4 %s", ip);
    FILE* pipe = popen(cmd, "r");
    if (!pipe) {
        return false;
    }

    char buffer[MAX_RESULT_SIZE];
    memset(buffer, 0, MAX_RESULT_SIZE);
    while (!feof(pipe)) {
        if (fgets(buffer, MAX_RESULT_SIZE, pipe)) {
            std::cout << buffer;
        }
    }

    if (pclose(pipe) == -1) {
        return false;
    }

    return true;
}

void handle_signal(int signo) {
    std::cout << "process " << getpid() << " received signal " << signo << std::endl;
    exit(signo);
}

void start_proc(int idx) {
    const char* ip = ip_list[idx];
    std::cout << "start ping " << ip << ", process id " << getpid() << std::endl;

    if (signal(SIGINT, handle_signal) == SIG_ERR) {
        std::cerr << "error setting signal handler." << std::endl;
        exit(-1);
    }

    ping(ip);

    std::cout << "ping " << ip << " finish, process id " << getpid() < 0) {
        std::cout << "process " << pid << " exit with status " << WEXITSTATUS(status) << std::endl;
        proc_num--;
    }
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    if (argc < 2) {
        std::cerr << "usage: " << argv[0] << " ip1 [ip2] [...]" < MAX_IP_NUM) {
        std::cerr << "too many ip addresses." << std::endl;
        return -1;
    }

    for (int i = 0; i < argc - 1; ++i) {
        strncpy(ip_list[i], argv[i + 1], sizeof(ip_list[i]));
    }

    for (int i = 0; i  0) {
            // parent
        } else {
            std::cerr << "fork process error." < 0) {
        check_procs();
        sleep(1);
    }

    return 0;
}