c++中如何实现生产者消费者模型_c++生产者消费者模型实现方法

裘德小鎮的故事

发布时间：2025-10-11 21:27:01

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原创

答案：C++中生产者消费者模型通过std::mutex和std::condition_variable实现线程同步，使用队列作为共享缓冲区，生产者添加数据后通知消费者，消费者等待数据就绪，避免竞争条件；可通过条件变量控制缓冲区满或空的状态，或在C++20中使用std::counting_semaphore简化同步逻辑。

c++中如何实现生产者消费者模型_c++生产者消费者模型实现方法

在C++中实现生产者消费者模型，核心是让多个线程安全地共享一个缓冲区：生产者往里放数据，消费者从中取数据。关键在于解决线程间的同步与互斥问题，避免竞争条件和资源冲突。

使用std::queue + std::mutex + std::condition_variable

这是现代C++中最推荐的方式，利用标准库提供的工具实现高效同步。

基本思路： 用一个队列作为共享缓冲区，互斥锁（mutex）保护对队列的访问，条件变量（condition variable）用于阻塞和唤醒线程。

生产者线程在添加数据前获取锁，添加后通知消费者
消费者线程在队列为空时等待条件变量，收到通知后再尝试取数据
通过条件变量避免忙等待，提高效率

示例代码：

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#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
std::queue buffer;
std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool finished = false;
const int max_items = 10;
void producer(int id) {
for (int i = 0; i < max_items; ++i) {
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
std::unique_lock lock(mtx);
buffer.push(i);
std::cout << "Producer " << id << " produced: " << i << "\n";
lock.unlock();
cv.notify_one();
}
}
void consumer(int id) {
while (true) {
std::unique_lock lock(mtx);
cv.wait(lock, []{ return !buffer.empty() || finished; });
if (!buffer.empty()) {
int value = buffer.front();
buffer.pop();
std::cout << "Consumer " << id << " consumed: " << value << "\n";
if (value == max_items - 1) {
finished = true;
cv.notify_all();
}
} else if (finished) {
break;
}
lock.unlock();
}
}

限制缓冲区大小的改进版本

真实场景中缓冲区通常有容量限制，需同时判断“是否满”和“是否空”。

生产者在缓冲区满时等待
消费者在缓冲区空时等待
两个条件可用同一个条件变量或两个分别控制

修改点：

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const int capacity = 5;
// 生产者中增加判断：
cv.wait(lock, []{ return buffer.size() < capacity; });
// 消费者中判断非空：
cv.wait(lock, []{ return buffer.size() > 0; });

使用信号量模拟（C++20前需自定义）

C++标准库没有原生信号量，但可以用condition_variable模拟。

或者在支持C++20的环境中使用std::counting_semaphore，更简洁。

#include 
std::counting_semaphore<10> sem_fill(0);   // 已填充槽位
std::counting_semaphore<10> sem_empty(10); // 空槽位
// 生产者：
sem_empty.acquire(); // 占用一个空位
buffer.push(data);
sem_fill.release();  // 增加一个填充位
// 消费者：
sem_fill.acquire();  // 等待有数据
data = buffer.pop();
sem_empty.release(); // 释放一个空位

注意事项与最佳实践

实现时注意以下几点以避免常见问题：

条件变量必须配合unique_lock使用
wait调用要放在循环中检查条件，防止虚假唤醒
notify_one()唤醒一个等待线程，notify_all()唤醒全部（适合多消费者）
尽量减少锁的持有时间，只保护真正共享的数据操作
设置合理的退出机制，避免线程无法结束

基本上就这些。使用标准库组件能写出清晰、安全、高效的生产者消费者模型。关键是理解mutex保护数据，condition_variable协调执行时机。不复杂但容易忽略细节。

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