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c++中如何实现一个线程安全的队列_c++多线程安全队列设计与实现

冰火之心

冰火之心

发布时间:2025-10-21 11:52:01

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来源于php中文网

原创

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push和pop操作的同步与阻塞等待。

c++中如何实现一个线程安全的队列_c++多线程安全队列设计与实现

在C++多线程编程中,线程安全队列是常见的需求,尤其在生产者-消费者模型中广泛应用。要实现一个线程安全的队列,核心是保护共享数据不被多个线程同时访问导致竞争条件。通常使用互斥锁(std::mutex)配合条件变量(std::condition_variable)来实现高效同步。

基本设计思路

一个线程安全队列需要满足以下几点:

  • 多个线程可以同时调用入队(push)和出队(pop)操作而不引发数据竞争
  • 当队列为空时,消费线程应阻塞等待,直到有新元素加入
  • 使用RAII机制自动管理锁,避免死锁

使用 std::queue + std::mutex + std::condition_variable 实现

下面是一个简洁、实用的线程安全队列实现:

#include 
#include 
#include 

template
class ThreadSafeQueue {
private:
    std::queue data_queue;
    mutable std::mutex mtx;
    std::condition_variable cv;

public:
    ThreadSafeQueue() = default;

    void push(T value) {
        std::lock_guard 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 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 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 lock(mtx);
        return data_queue.empty();
    }

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

关键点说明

push 操作:加锁后将元素加入队列,并调用 notify_one() 唤醒一个可能阻塞的消费者线程。

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wait_and_pop:适用于消费者必须获取任务的场景。若队列为空,线程会阻塞等待,直到有新任务到来。

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try_pop:非阻塞版本,用于尝试取数据,适合轮询或超时控制场景。

empty 和 size:这些状态函数也需加锁,因为外部无法保证并发调用时的安全性。

使用示例

简单演示生产者和消费者协作:

#include 
#include 

int main() {
    ThreadSafeQueue queue;
    bool done = false;

    std::thread producer([&]() {
        for (int i = 0; i < 5; ++i) {
            queue.push(i);
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
        }
    });

    std::thread consumer([&]() {
        int value;
        for (int i = 0; i < 5; ++i) {
            queue.wait_and_pop(value);
            std::cout << "Consumed: " << value << '\n';
        }
    });

    producer.join();
    consumer.join();

    return 0;
}

基本上就这些。这个实现简单、安全,适用于大多数多线程场景。可根据需要扩展超时弹出(wait_for_pop)、停止信号等机制。关键是保护共享状态,合理使用锁与条件变量协调线程。

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