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。
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 <queue>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
template<typename T>
class ThreadSafeQueue {
private:
std::queue<T> data_queue;
mutable std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
public:
ThreadSafeQueue() = default;
void push(T value) {
std::lock_guard<std::mutex> 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<std::mutex> 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<std::mutex> 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<std::mutex> lock(mtx);
return data_queue.empty();
}
size_t size() const {
std::lock_guard<std::mutex> 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。
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 <iostream>
#include <thread>
int main() {
ThreadSafeQueue<int> 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。
