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c++如何实现一个线程安全的队列 _c++线程安全队列实现方法

穿越時空

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发布时间:2025-10-24 21:31:01

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来源于php中文网

原创

答案:C++线程安全队列通过mutex保护共享数据,结合condition_variable实现阻塞与超时机制,确保多线程环境下队列操作的安全性与效率。

c++如何实现一个线程安全的队列 _c++线程安全队列实现方法

在C++中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。最常用的方法是结合标准库中的 std::queuestd::mutexstd::lock_guard(或更灵活的 std::unique_lock),必要时使用 std::condition_variable 实现阻塞操作。

1. 基本线程安全队列(非阻塞)

适用于生产者-消费者模型中,不需要等待队列非空或非满的情况。

#include 
#include 

template
class ThreadSafeQueue {
private:
    std::queue data_queue;
    mutable std::mutex mtx;  // mutable 允许在 const 函数中加锁

public:
    ThreadSafeQueue() = default;

    void push(T value) {
        std::lock_guard lock(mtx);
        data_queue.push(std::move(value));
    }

    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;
    }

    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();
    }
};

2. 阻塞式线程安全队列

当队列为空时,消费者线程自动等待新元素加入,适合大多数并发场景。

#include 
#include 
#include 

template
class BlockingQueue {
private:
    std::queue data_queue;
    mutable std::mutex mtx;
    std::condition_variable cv;

public:
    void push(T value) {
        std::lock_guard lock(mtx);
        data_queue.push(std::move(value));
        cv.notify_one();  // 通知一个等待的消费者
    }

    T pop() {
        std::unique_lock lock(mtx);
        cv.wait(lock, [this] { return !data_queue.empty(); });
        T value = std::move(data_queue.front());
        data_queue.pop();
        return value;
    }

    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;
    }

    bool empty() const {
        std::lock_guard lock(mtx);
        return data_queue.empty();
    }
};

3. 可选改进:支持超时弹出

避免无限等待,增强程序健壮性。

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使用 cv.wait_forcv.wait_until 实现带超时的 pop 操作。

bool timed_pop(T& value, int milliseconds) {
    std::unique_lock lock(mtx);
    if (cv.wait_for(lock, std::chrono::milliseconds(milliseconds),
                    [this] { return !data_queue.empty(); })) {
        value = std::move(data_queue.front());
        data_queue.pop();
        return true;
    }
    return false;  // 超时或队列仍为空
}

4. 使用建议与注意事项

实现线程安全队列时需注意以下几点:

  • 所有对内部 queue 的访问都必须被 mutex 保护
  • 使用 std::lock_guard 简化锁管理,防止死锁
  • std::unique_lock 配合 condition_variable,因为它支持条件变量的 wait 操作
  • 传递对象时尽量使用右值引用和 std::move,减少拷贝开销
  • 避免在持有锁期间执行耗时操作(如 I/O、网络请求)
基本上就这些。一个高效、安全的线程安全队列,关键在于正确使用同步原语,并考虑实际使用场景是否需要阻塞或超时机制。

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