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C++如何实现一个阻塞队列_C++多线程编程与阻塞队列实现

裘德小鎮的故事

裘德小鎮的故事

发布时间:2025-11-17 18:54:06

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来源于php中文网

原创

阻塞队列是C++多线程中实现生产者-消费者模型的基础工具,通过std::queue、std::mutex和std::condition_variable保证线程安全与阻塞同步,支持固定容量的FIFO数据传递,可用于高效解耦生产与消费过程。

c++如何实现一个阻塞队列_c++多线程编程与阻塞队列实现

在C++多线程编程中,阻塞队列是一种常用的线程安全数据结构,用于在线程之间传递任务或数据。它结合了队列的先进先出(FIFO)特性与线程同步机制,当队列为空时,消费者线程会自动阻塞等待;当队列满时,生产者线程也会阻塞,直到有空间可用。这种机制非常适合实现生产者-消费者模型。

阻塞队列的核心组件

要实现一个基本的阻塞队列,需要以下几个关键元素:

  • std::queue:用于存储数据的底层容器。
  • std::mutex:保护共享队列,防止多个线程同时访问造成数据竞争。
  • std::condition_variable:用于线程间的通信,实现阻塞与唤醒机制。
  • 最大容量限制(可选):控制队列的最大长度,实现有界队列。

实现一个简单的阻塞队列模板类

下面是一个线程安全、支持阻塞操作的C++模板类实现:

#include 
#include 
#include 
#include 

template
class BlockingQueue {
private:
    std::queue data_queue;
    mutable std::mutex mtx;
    std::condition_variable not_empty;
    std::condition_variable not_full;
    size_t max_size;

public:
    explicit BlockingQueue(size_t max = 1000) : max_size(max) {}

    void put(const T& value) {
        std::unique_lock lock(mtx);
        not_full.wait(lock, [this] { return data_queue.size() < max_size; });
        data_queue.push(value);
        not_empty.notify_one();
    }

    void take(T& value) {
        std::unique_lock lock(mtx);
        not_empty.wait(lock, [this] { return !data_queue.empty(); });
        value = data_queue.front();
        data_queue.pop();
        not_full.notify_one();
    }

    bool empty() const {
        std::lock_guard lock(mtx);
        return data_queue.empty();
    }

    size_t size() const {
        std::lock_guard lock(mtx);
        return data_queue.size();
    }
};

这个实现中,put 方法在队列满时会等待 not_full 条件成立,take 方法在队列空时等待 not_empty 成立。使用条件变量的 wait 方法可以避免忙等,提高效率。

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在多线程中使用阻塞队列

下面是一个简单的生产者-消费者示例,展示如何使用上面的阻塞队列:

#include 

void producer(BlockingQueue& queue) {
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        queue.put(i);
        std::cout << "Produced: " << i << "\n";
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
    }
}

void consumer(BlockingQueue& queue) {
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        int value;
        queue.take(value);
        std::cout << "Consumed: " << value << "\n";
    }
}

int main() {
    BlockingQueue queue(3); // 容量为3的队列

    std::thread p(producer, std::ref(queue));
    std::thread c(consumer, std::ref(queue));

    p.join();
    c.join();

    return 0;
}

在这个例子中,生产者每100毫秒放入一个数字,消费者取出并打印。由于队列容量有限,生产者在队列满时会自动阻塞,直到消费者取走元素。

注意事项与优化建议

实际使用中还需注意以下几点:

  • 考虑添加超时版本的 put 和 take 方法,如 put_wait_for,避免无限等待。
  • 可加入 shutdown 机制,通知所有等待线程退出。
  • 对于高性能场景,可考虑使用无锁队列(lock-free queue),但实现复杂度更高。
  • 注意异常安全,确保在抛出异常时锁能正确释放。

基本上就这些。一个简洁、可靠的阻塞队列能大大简化多线程程序的设计,是并发编程中的基础工具之一。

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