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。
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 <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。
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 <iostream>
#include <thread>
int main() {
ThreadSafeQueue<int> 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。
