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c++怎么实现一个线程安全的队列_c++多线程安全队列实现方式

尼克

尼克

发布时间:2025-10-22 14:54:01

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来源于php中文网

原创

线程安全队列通过std::mutex和std::condition_variable实现,支持多生产者多消费者;push加锁并通知等待线程,wait_and_pop阻塞等待非空,try_pop非阻塞获取元素,empty和size在const函数中通过mutable锁访问,示例展示生产者消费者线程通信,该设计兼顾安全与效率,适合作为多线程数据传递基础组件。

c++怎么实现一个线程安全的队列_c++多线程安全队列实现方式

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。核心思路是通过互斥锁(std::mutex)保护共享数据,再结合条件变量(std::condition_variable)实现线程间的同步,比如阻塞等待队列非空或非满。

基本设计思路

一个线程安全的队列需要满足:

  • 多个生产者线程可以安全地入队(push)
  • 多个消费者线程可以安全地出队(pop)
  • 当队列为空时,消费者线程应能阻塞等待
  • 使用标准库容器(如 std::queue)配合锁机制

使用 std::mutex 和 std::condition_variable 实现

以下是一个完整的线程安全队列示例:

#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:加锁后插入元素,然后调用 notify_one() 唤醒一个正在等待的消费者线程。

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wait_and_pop:消费者线程会阻塞直到队列非空,适合生产-消费速度不匹配的场景。

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try_pop:非阻塞版本,立即返回是否成功获取元素,适合轮询或超时控制场景。

mutable mutex:允许 const 成员函数也能加锁,因为 empty() 和 size() 需要访问共享状态。

使用示例

简单演示两个线程间通信:

#include 
#include 

int main() {
    ThreadSafeQueue queue;

    std::thread producer([&] {
        for (int i = 0; i < 5; ++i) {
            queue.push(i);
            std::cout << "Produced: " << i << "\n";
        }
    });

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

    producer.join();
    consumer.join();
    return 0;
}

基本上就这些。这个实现适用于大多数多线程场景,兼顾效率与安全性。如果需要更高性能,可考虑无锁队列(lock-free),但复杂度显著上升。当前基于锁的方案清晰、可靠,是推荐的起点。

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