线程安全队列通过互斥锁保护共享数据、条件变量实现线程同步,确保生产者-消费者模型中多线程并发访问时的数据一致性与高效协作。

在C++多线程编程中,实现一个线程安全的队列是常见的需求。比如生产者-消费者模型就需要多个线程同时访问同一个队列,而不会引发数据竞争或状态不一致的问题。通过使用互斥锁(std::mutex)和条件变量(std::condition_variable),我们可以构建一个高效且安全的并发队列。
线程安全队列的核心目标是:确保任意数量的生产者和消费者可以并发地入队和出队,而不会破坏内部数据结构或导致竞态条件。
关键点包括:
下面是一个完整的线程安全队列实现示例:
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#include <queue>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <thread>
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(T value):将元素加入队列。加锁后插入,并调用 notify_one() 唤醒一个正在等待的消费者线程。
try_pop(T& value):非阻塞尝试弹出元素。如果队列为空返回 false,否则赋值并返回 true。适合不想阻塞的场景。
wait_and_pop(T& value):阻塞式出队。若队列为空,则等待直到有元素可用。内部使用 unique_lock 配合条件变量实现高效等待。
empty() 和 size():提供只读查询功能。注意这些值可能在调用后立即变化,仅作参考。
以下是一个简单的多线程测试例子:
#include <iostream>
void producer(ThreadSafeQueue<int>& queue) {
for (int i = 0; i < 5; ++i) {
queue.push(i);
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
}
}
void consumer(ThreadSafeQueue<int>& queue) {
for (int i = 0; i < 5; ++i) {
int value;
queue.wait_and_pop(value);
std::cout << "Consumed: " << value << '\n';
}
}
int main() {
ThreadSafeQueue<int> queue;
std::thread p(producer, std::ref(queue));
std::thread c(consumer, std::ref(queue));
p.join();
c.join();
return 0;
}
这个例子中,生产者每100ms放入一个数,消费者同步取出并打印。由于使用了条件变量,消费者不会占用CPU空转,而是被唤醒后处理数据。
基本上就这些。只要正确使用互斥锁保护共享状态,配合条件变量实现线程间通信,就能写出稳定高效的并发队列。实际项目中还可以扩展支持超时弹出(wait_for)、多消费者唤醒等特性。
以上就是C++怎么实现一个线程安全的队列_C++使用互斥锁和条件变量构建并发队列的详细内容,更多请关注php中文网其它相关文章!
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