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C++如何实现生产者消费者模型_C++ 生产者消费者实现方法

穿越時空

穿越時空

发布时间：2025-10-07 13:21:02

|

532人浏览过

|

来源于php中文网

原创

生产者消费者模型通过互斥锁和条件变量协调线程，使用固定大小缓冲区实现数据的安全生产和消费，核心是利用条件变量等待非满非空状态并通知唤醒线程。

c++如何实现生产者消费者模型_c++ 生产者消费者实现方法

生产者消费者模型是多线程编程中的经典问题，用于解决生产数据和消费数据的速度不匹配问题。在C++中，通常使用互斥锁（std::mutex）、条件变量（std::condition_variable）以及一个共享缓冲区来实现。下面介绍一种基于标准库的简洁实现方式。

基本组件说明

要实现生产者消费者模型，需要以下几个核心组件：

  • 缓冲区：通常是一个队列（std::queue），用于存放生产者生成的数据。
  • 互斥锁（std::mutex）：保护共享缓冲区，防止多个线程同时访问导致数据竞争。
  • 条件变量（std::condition_variable）：用于线程间通信，当缓冲区为空时让消费者等待，当缓冲区满时让生产者等待（如果是有界缓冲区）。
  • 生产者线程：向缓冲区添加数据。
  • 消费者线程：从缓冲区取出数据处理。

代码实现示例

以下是一个简单的C++实现，使用固定大小的缓冲区和多线程模拟生产者与消费者行为：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

const int BUFFER_SIZE = 5;
std::queue buffer;
std::mutex mtx;
std::condition_variable not_full;
std::condition_variable not_empty;

void producer(int id) {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        std::unique_lock lock(mtx);
        not_full.wait(lock, []() { return buffer.size() < BUFFER_SIZE; });

        buffer.push(i);
        std::cout << "生产者 " << id << " 生产了: " << i << std::endl;

        lock.unlock();
        not_empty.notify_all();
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
    }
}

void consumer(int id) {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        std::unique_lock lock(mtx);
        not_empty.wait(lock, []() { return !buffer.empty(); });

        int value = buffer.front();
        buffer.pop();
        std::cout << "消费者 " << id << " 消费了: " << value << std::endl;

        lock.unlock();
        not_full.notify_all();
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(150));
    }
}

主函数中创建多个生产者和消费者线程：

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int main() {
    std::thread p1(producer, 1);
    std::thread p2(producer, 2);
    std::thread c1(consumer, 1);
    std::thread c2(consumer, 2);

    p1.join();
    p2.join();
    c1.join();
    c2.join();

    return 0;
}

关键点解析

这段代码的核心在于条件变量的使用：

  • 生产者在插入前检查是否满，如果满则等待 not_full 条件。
  • 消费者在取数据前检查是否空，如果空则等待 not_empty 条件。
  • 每次操作后调用 notify_all() 唤醒可能等待的线程。
  • 使用 std::unique_lock 配合条件变量，支持在等待时释放锁。

注意：如果不需要限制缓冲区大小（即无界缓冲区），可以去掉 not_full 相关逻辑，只控制消费者等待非空即可。

扩展建议

实际项目中可进一步优化：

  • 使用智能指针或自定义消息结构传递复杂数据。
  • 引入停止信号（如布尔标志）优雅关闭线程。
  • 使用线程池提升性能。
  • 考虑使用无锁队列（lock-free queue）提高并发效率（适用于高性能场景）。

基本上就这些。C++11以后的标准库已经足够强大，无需依赖第三方库即可实现稳定高效的生产者消费者模型。关键是理解锁和条件变量的协作机制。

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