c++如何实现一个线程安全的队列_C++多线程安全容器设计实例

线程安全队列通过互斥锁和条件变量实现，确保多线程环境下入队、出队操作的安全性与阻塞等待机制，满足生产者-消费者模型需求。

在多线程编程中，多个线程同时访问共享数据结构时容易引发竞争条件。队列作为常见的数据结构，在任务调度、生产者-消费者模型中广泛使用，因此实现一个线程安全的队列非常关键。C++ 提供了标准库中的 std::queue 和同步机制，结合互斥锁（std::mutex）和条件变量（std::condition_variable），我们可以设计一个高效且线程安全的队列。

线程安全队列的基本需求

一个线程安全的队列需要满足以下几点：

• 入队（push）操作线程安全：多个线程可以安全地向队列添加元素。
• 出队（pop）操作线程安全：多个线程可以从队列中取出元素，避免数据竞争。
• 阻塞等待机制：当队列为空时，消费线程应能阻塞等待，直到有新元素加入。
• 异常安全：操作过程中抛出异常不应导致死锁或资源泄漏。

使用互斥锁和条件变量实现

下面是一个基于 std::queue、std::mutex 和 std::condition_variable 的线程安全队列实现：

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#include <queue>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
<p>template<typename T>
class ThreadSafeQueue {
private:
std::queue<T> data_queue;
mutable std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;</p><p>public:
ThreadSafeQueue() = default;</p><pre class='brush:php;toolbar:false;'>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();
}

};

关键点说明

push 操作：使用 std::lock_guard 自动加锁，确保插入操作的原子性。插入后调用 notify_one() 唤醒一个等待的消费者线程。

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try_pop 与 wait_and_pop 区别：

• try_pop 非阻塞，立即返回是否成功获取元素。
• wait_and_pop 会阻塞，直到队列非空，适合生产者-消费者场景。

条件变量的使用：在 wait_and_pop 中，cv.wait() 会自动释放锁并等待，当被唤醒时重新获取锁，并检查谓词 !data_queue.empty()，防止虚假唤醒。

mutable mutex：将互斥量声明为 mutable，是为了在 empty() 和 size() 这类 const 成员函数中也能加锁。

使用示例：生产者-消费者模型

#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
<p>int main() {
ThreadSafeQueue<int> queue;
std::vector<std::thread> producers;
std::vector<std::thread> consumers;</p><pre class='brush:php;toolbar:false;'>// 启动消费者线程
for (int i = 0; i < 3; ++i) {
    consumers.emplace_back([&queue]() {
        for (int j = 0; j < 5; ++j) {
            int value;
            queue.wait_and_pop(value);
            std::cout << "Consumed: " << value << "\n";
        }
    });
}

// 启动生产者线程
for (int i = 0; i < 2; ++i) {
    producers.emplace_back([&queue, i]() {
        for (int j = 0; j < 8; ++j) {
            queue.push(i * 10 + j);
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(10));
        }
    });
}

// 等待所有线程完成
for (auto& t : producers) t.join();
for (auto& t : consumers) t.join();

return 0;

该示例展示了多个生产者向队列推送数据，多个消费者从队列取出并处理数据的过程。由于队列是线程安全的，整个过程无需额外同步控制。

基本上就这些。这个实现简单、清晰，适用于大多数多线程场景。如果对性能要求更高，还可以考虑无锁队列（lock-free queue），但实现复杂度显著上升。对于一般应用，基于锁的线程安全队列已经足够可靠。

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