阻塞队列通过std::queue、std::mutex和std::condition_variable实现线程安全的生产者-消费者模型，支持固定容量下的阻塞插入与取出操作。
在多线程编程中，阻塞队列是一种常用的线程安全数据结构，用于生产者-消费者模型。当队列为空时，消费者线程会被阻塞，直到有新元素加入；当队列为满时，生产者线程会被阻塞，直到有空间可用。C++ 中可以通过 std::queue、std::mutex、std::condition_variable 来实现一个高效的阻塞队列。
基本组件说明
要实现一个阻塞队列，需要以下几个关键组件：
-
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：用于线程间通信，实现阻塞与唤醒机制。
- 最大容量（可选）：限制队列大小，实现有界阻塞队列。
阻塞队列类实现
以下是一个线程安全的、固定容量的阻塞队列实现：
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#include#include #include #include #include template
class BlockingQueue { private: std::queue data_queue; std::mutex mtx; std::condition_variable not_empty; std::condition_variable not_full; size_t max_size; public: explicit BlockingQueue(size_t capacity) : max_size(capacity) {}
void put(T item) { std::unique_lockzuojiankuohaophpcnstd::mutexyoujiankuohaophpcn lock(mtx); // 队列满时等待 not_full.wait(lock, [this] { return data_queue.size() zuojiankuohaophpcn max_size; }); data_queue.push(std::move(item)); not_empty.notify_one(); // 唤醒一个等待消费的线程 } T take() { std::unique_lockzuojiankuohaophpcnstd::mutexyoujiankuohaophpcn lock(mtx); // 队列空时等待 not_empty.wait(lock, [this] { return !data_queue.empty(); }); T value = std::move(data_queue.front()); data_queue.pop(); not_full.notify_one(); // 唤醒一个等待插入的线程 return value; } bool empty() const { std::lock_guardzuojiankuohaophpcnstd::mutexyoujiankuohaophpcn lock(mtx); return data_queue.empty(); } size_t size() const { std::lock_guardzuojiankuohaophpcnstd::mutexyoujiankuohaophpcn lock(mtx); return data_queue.size(); }};
使用示例
下面是一个简单的生产者-消费者模型演示：
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int main() { BlockingQueuequeue(5); // 容量为5 auto producer = [&](int id) { for (int i = 0; i zuojiankuohaophpcn 10; ++i) { queue.put(i * 10 + id); std::cout zuojiankuohaophpcnzuojiankuohaophpcn "Producer " zuojiankuohaophpcnzuojiankuohaophpcn id zuojiankuohaophpcnzuojiankuohaophpcn " put: " zuojiankuohaophpcnzuojiankuohaophpcn i*10+id zuojiankuohaophpcnzuojiankuohaophpcn "\n"; std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100)); } }; auto consumer = [&]() { for (int i = 0; i zuojiankuohaophpcn 20; ++i) { int value = queue.take(); std::cout zuojiankuohaophpcnzuojiankuohaophpcn "Consumer got: " zuojiankuohaophpcnzuojiankuohaophpcn value zuojiankuohaophpcnzuojiankuohaophpcn "\n"; std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(50)); } }; std::thread p1(producer, 1); std::thread p2(producer, 2); std::thread c(consumer); p1.join(); p2.join(); c.join(); return 0;}
该示例创建了两个生产者线程和一个消费者线程，通过阻塞队列安全地传递数据。
关键点总结
实现阻塞队列时需要注意以下几点：
- 使用 std::unique_lock 配合 condition_variable，因为 wait() 需要可释放的锁。
- 条件变量的等待必须使用谓词（lambda），防止虚假唤醒。
- 每次修改队列后，调用 notify_one() 唤醒一个等待线程，提升效率。
- 对 front/pop 的操作必须在锁保护下进行，确保原子性。
- 使用 move 语义减少拷贝开销，提高性能。
基本上就这些。这个实现适用于大多数常见的生产者-消费者场景，可根据需要扩展超时操作（如 try_put/take_with_timeout）。
