c++中如何实现一个阻塞队列_c++线程安全阻塞队列的设计思路

裘德小鎮的故事

发布时间：2025-10-17 23:59:01

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原创

答案是使用互斥锁、条件变量和队列实现线程安全的阻塞队列，通过加锁和条件等待确保push和pop操作在多线程下的正确性，支持阻塞与唤醒机制。

c++中如何实现一个阻塞队列_c++线程安全阻塞队列的设计思路

在C++中实现一个线程安全的阻塞队列，核心是结合互斥锁（std::mutex）、条件变量（std::condition_variable）和一个底层容器（如 std::queue）。阻塞队列的特点是：当队列为空时，出队操作会阻塞；当队列满时（如果有容量限制），入队操作也会阻塞。

基本设计思路

阻塞队列需要满足多线程环境下安全地进行 push 和 pop 操作。主要依赖以下机制：

std::mutex：保护共享数据（队列），防止多个线程同时访问导致数据竞争。
std::condition_variable：用于线程间通信，使等待的线程在条件满足时被唤醒。
std::queue：作为内部存储结构。
可选的固定容量限制：实现有界队列，提高资源控制能力。

关键操作逻辑

两个核心成员函数是 push 和 pop，它们都需要加锁，并在特定条件下等待。

push(value) 操作流程：

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获取互斥锁。
如果队列已满（设置了最大容量），则等待 not_full 条件变量。
将元素加入队列。
通知可能正在等待的 pop 线程（通过 notify_one 或 notify_all）。
释放锁。

pop() -> value 操作流程：

获取互斥锁。
如果队列为空，等待 not_empty 条件变量。
取出队首元素并移除。
通知可能正在等待的 push 线程。
返回取出的值。

C++ 示例代码

下面是一个简单的线程安全阻塞队列实现：

#include 
#include 
#include 
#include 

template 
class BlockingQueue {
private:
    std::queue queue_;
    std::mutex mtx_;
    std::condition_variable not_empty_;
    std::condition_variable not_full_;
    size_t max_size_;

public:
    explicit BlockingQueue(size_t max_size = SIZE_MAX) : max_size_(max_size) {}

    void push(const T& item) {
        std::unique_lock lock(mtx_);
        not_full_.wait(lock, [this] { return queue_.size() < max_size_; });
        queue_.push(item);
        not_empty_.notify_one();
    }

    T pop() {
        std::unique_lock lock(mtx_);
        not_empty_.wait(lock, [this] { return !queue_.empty(); });
        T item = std::move(queue_.front());
        queue_.pop();
        not_full_.notify_one();
        return item;
    }

    bool empty() const {
        std::lock_guard lock(mtx_);
        return queue_.empty();
    }

    size_t size() const {
        std::lock_guard lock(mtx_);
        return queue_.size();
    }
};

使用示例：

BlockingQueue bq(5);

std::thread producer([&]() {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        bq.push(i);
        std::cout << "Produced: " << i << "\n";
    }
});

std::thread consumer([&]() {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        int val = bq.pop();
        std::cout << "Consumed: " << val << "\n";
    }
});

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