线程安全队列通过互斥锁和条件变量实现,确保多线程环境下push和pop操作的同步与阻塞等待。

在C++多线程编程中,线程安全队列是常见的需求,尤其在生产者-消费者模型中广泛应用。要实现一个线程安全的队列,核心是保护共享数据不被多个线程同时访问导致竞争条件。通常使用互斥锁(std::mutex)配合条件变量(std::condition_variable)来实现高效同步。
一个线程安全队列需要满足以下几点:
下面是一个简洁、实用的线程安全队列实现:
#include <queue>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
template<typename T>
class ThreadSafeQueue {
private:
std::queue<T> data_queue;
mutable std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
public:
ThreadSafeQueue() = default;
void push(T value) {
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
data_queue.push(std::move(value));
cv.notify_one(); // 唤醒一个等待的消费者
}
bool try_pop(T& value) {
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
if (data_queue.empty()) {
return false;
}
value = std::move(data_queue.front());
data_queue.pop();
return true;
}
void wait_and_pop(T& value) {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
cv.wait(lock, [this] { return !data_queue.empty(); });
value = std::move(data_queue.front());
data_queue.pop();
}
bool empty() const {
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
return data_queue.empty();
}
size_t size() const {
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
return data_queue.size();
}
};
push 操作:加锁后将元素加入队列,并调用 notify_one() 唤醒一个可能阻塞的消费者线程。
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wait_and_pop:适用于消费者必须获取任务的场景。若队列为空,线程会阻塞等待,直到有新任务到来。
try_pop:非阻塞版本,用于尝试取数据,适合轮询或超时控制场景。
empty 和 size:这些状态函数也需加锁,因为外部无法保证并发调用时的安全性。
简单演示生产者和消费者协作:
#include <iostream>
#include <thread>
int main() {
ThreadSafeQueue<int> queue;
bool done = false;
std::thread producer([&]() {
for (int i = 0; i < 5; ++i) {
queue.push(i);
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
}
});
std::thread consumer([&]() {
int value;
for (int i = 0; i < 5; ++i) {
queue.wait_and_pop(value);
std::cout << "Consumed: " << value << '\n';
}
});
producer.join();
consumer.join();
return 0;
}
基本上就这些。这个实现简单、安全,适用于大多数多线程场景。可根据需要扩展超时弹出(wait_for_pop)、停止信号等机制。关键是保护共享状态,合理使用锁与条件变量协调线程。
以上就是c++++中如何实现一个线程安全的队列_c++多线程安全队列设计与实现的详细内容,更多请关注php中文网其它相关文章!
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