0

0

c++如何实现一个线程安全的队列_c++互斥锁与条件变量应用

尼克

尼克

发布时间:2025-12-14 08:38:04

|

706人浏览过

|

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,确保多线程环境下对队列的并发访问安全。使用std::mutex保护共享数据,std::condition_variable实现消费者等待机制,push操作入队并通知等待线程,wait_and_pop阻塞等待非空时出队,try_pop提供非阻塞出队方式,empty和size方法返回瞬时状态,适用于监控但不可用于逻辑控制。示例中生产者线程添加元素,消费者线程取出打印,避免忙等,提升效率。

c++如何实现一个线程安全的队列_c++互斥锁与条件变量应用

在C++中实现一个线程安全的队列,通常需要结合互斥锁(std::mutex)和条件变量(std::condition_variable)来保护共享数据并实现线程间的高效同步。下面是一个基于标准库的线程安全队列的完整实现与说明。

线程安全队列的基本设计思路

多个线程可能同时对队列进行入队(push)和出队(pop)操作,因此必须保证对内部容器的访问是互斥的。同时,当队列为空时,消费者线程应等待新元素到来,而不是忙等。这正是条件变量发挥作用的地方。

核心组件包括:

  • std::queue:作为底层容器存储元素。
  • std::mutex:保护对队列的并发访问
  • std::condition_variable:用于阻塞消费者线程直到有数据可读。

代码实现:线程安全的队列模板类

#include 
#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();
    }
};

关键点解析

push 操作

立即学习C++免费学习笔记(深入)”;

甲骨文AI协同平台
甲骨文AI协同平台

专门用于甲骨文研究的革命性平台

下载
  • 使用 std::lock_guard 自动加锁,确保线程安全地将元素加入队列。
  • 调用 notify_one() 通知正在等待的消费者线程可以尝试取数据。

wait_and_pop 操作

  • 使用 std::unique_lock 配合 cv.wait() 实现阻塞等待。
  • 条件变量的等待会自动释放锁,并在被唤醒后重新获取锁,避免忙等。
  • 使用 lambda 判断队列非空,防止虚假唤醒。

try_pop 操作

  • 非阻塞版本,适用于不想等待的场景。
  • 返回布尔值表示是否成功取出元素。

empty 和 size 方法

  • 虽然提供了这些方法,但在多线程环境下它们的返回值可能立即失效。
  • 不应依赖 empty() 的结果来判断是否调用 wait_and_pop(),而应直接调用后者。

使用示例

#include 

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

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

int main() {
    ThreadSafeQueue queue;
    std::thread c(consumer, std::ref(queue));
    std::thread p(producer, std::ref(queue));

    p.join();
    c.join();

    return 0;
}

该示例展示了生产者线程向队列添加数字,消费者线程逐个取出并打印。由于使用了条件变量,消费者不会占用CPU资源空转。

基本上就这些。这个实现简单、高效,适合大多数多线程通信场景。注意不要过度暴露内部状态查询接口,重点是通过原子性的操作保证线程安全。

相关专题

更多
lambda表达式
lambda表达式

Lambda表达式是一种匿名函数的简洁表示方式,它可以在需要函数作为参数的地方使用,并提供了一种更简洁、更灵活的编码方式,其语法为“lambda 参数列表: 表达式”,参数列表是函数的参数,可以包含一个或多个参数,用逗号分隔,表达式是函数的执行体,用于定义函数的具体操作。本专题为大家提供lambda表达式相关的文章、下载、课程内容,供大家免费下载体验。

204

2023.09.15

python lambda函数
python lambda函数

本专题整合了python lambda函数用法详解,阅读专题下面的文章了解更多详细内容。

190

2025.11.08

Python lambda详解
Python lambda详解

本专题整合了Python lambda函数相关教程,阅读下面的文章了解更多详细内容。

49

2026.01.05

硬盘接口类型介绍
硬盘接口类型介绍

硬盘接口类型有IDE、SATA、SCSI、Fibre Channel、USB、eSATA、mSATA、PCIe等等。详细介绍:1、IDE接口是一种并行接口,主要用于连接硬盘和光驱等设备,它主要有两种类型:ATA和ATAPI,IDE接口已经逐渐被SATA接口;2、SATA接口是一种串行接口,相较于IDE接口,它具有更高的传输速度、更低的功耗和更小的体积;3、SCSI接口等等。

1026

2023.10.19

PHP接口编写教程
PHP接口编写教程

本专题整合了PHP接口编写教程,阅读专题下面的文章了解更多详细内容。

66

2025.10.17

php8.4实现接口限流的教程
php8.4实现接口限流的教程

PHP8.4本身不内置限流功能,需借助Redis(令牌桶)或Swoole(漏桶)实现;文件锁因I/O瓶颈、无跨机共享、秒级精度等缺陷不适用高并发场景。本专题为大家提供相关的文章、下载、课程内容,供大家免费下载体验。

453

2025.12.29

java接口相关教程
java接口相关教程

本专题整合了java接口相关内容,阅读专题下面的文章了解更多详细内容。

10

2026.01.19

线程和进程的区别
线程和进程的区别

线程和进程的区别:线程是进程的一部分,用于实现并发和并行操作,而线程共享进程的资源,通信更方便快捷,切换开销较小。本专题为大家提供线程和进程区别相关的各种文章、以及下载和课程。

481

2023.08.10

Java JVM 原理与性能调优实战
Java JVM 原理与性能调优实战

本专题系统讲解 Java 虚拟机(JVM)的核心工作原理与性能调优方法,包括 JVM 内存结构、对象创建与回收流程、垃圾回收器(Serial、CMS、G1、ZGC)对比分析、常见内存泄漏与性能瓶颈排查,以及 JVM 参数调优与监控工具(jstat、jmap、jvisualvm)的实战使用。通过真实案例,帮助学习者掌握 Java 应用在生产环境中的性能分析与优化能力。

19

2026.01.20

热门下载

更多
网站特效
/
网站源码
/
网站素材
/
前端模板

精品课程

更多
相关推荐
/
热门推荐
/
最新课程
10分钟--Midjourney创作自己的漫画
10分钟--Midjourney创作自己的漫画

共1课时 | 0.1万人学习

Midjourney 关键词系列整合
Midjourney 关键词系列整合

共13课时 | 0.9万人学习

AI绘画教程
AI绘画教程

共2课时 | 0.2万人学习

关于我们 免责申明 举报中心 意见反馈 讲师合作 广告合作 最新更新
php中文网:公益在线php培训,帮助PHP学习者快速成长!
关注服务号 技术交流群
PHP中文网订阅号
每天精选资源文章推送

Copyright 2014-2026 https://www.php.cn/ All Rights Reserved | php.cn | 湘ICP备2023035733号