使用互斥锁和条件变量实现线程安全队列，通过std::mutex保护共享数据、std::condition_variable支持阻塞等待，确保多线程环境下队列操作的安全性与效率。
在多线程编程中，多个线程可能同时访问和修改共享数据，因此需要保证数据的一致性和安全性。队列作为一种常见的数据结构，在任务调度、生产者-消费者模型等场景中广泛使用。实现一个线程安全的队列是C++并发编程中的基础需求。下面介绍一种基于标准库组件的线程安全队列设计与实现方法。
使用 std::queue 与 std::mutex 实现基本线程安全队列
最直接的方式是封装一个普通队列，并用互斥锁保护所有操作，确保同一时间只有一个线程能访问内部数据。
关键点：
- 使用 std::queue 作为底层容器
- 使用 std::mutex 保护 push 和 pop 操作
- 使用 std::lock_guard 管理锁的生命周期，防止死锁
#include <queue>
#include <mutex>
template<typename T>
class ThreadSafeQueue {
private:
std::queue<T> data_queue;
mutable std::mutex mut;
public:
ThreadSafeQueue() {}
void push(T item) {
std::lock_guard<std::mutex> lock(mut);
data_queue.push(std::move(item));
}
bool try_pop(T& value) {
std::lock_guard<std::mutex> lock(mut);
if (data_queue.empty()) {
return false;
}
value = std::move(data_queue.front());
data_queue.pop();
return true;
}
std::shared_ptr<T> try_pop() {
std::lock_guard<std::mutex> lock(mut);
if (data_queue.empty()) {
return nullptr;
}
auto result = std::make_shared<T>(std::move(data_queue.front()));
data_queue.pop();
return result;
}
bool empty() const {
std::lock_guard<std::mutex> lock(mut);
return data_queue.empty();
}
};
支持等待的阻塞队列（Blocking Queue）
在某些场景下，消费者线程希望在队列为空时自动等待，直到有新元素被加入。这时可以引入条件变量来实现阻塞式操作。
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改进点：
- 添加 std::condition_variable 用于通知等待线程
- 提供阻塞版本的 pop 接口
#include <queue>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
template<typename T>
class BlockingQueue {
private:
std::queue<T> data_queue;
mutable std::mutex mut;
std::condition_variable cond;
public:
void push(T item) {
std::lock_guard<std::mutex> lock(mut);
data_queue.push(std::move(item));
cond.notify_one(); // 唤醒一个等待线程
}
void wait_and_pop(T& value) {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mut);
cond.wait(lock, [this]{ return !data_queue.empty(); });
value = std::move(data_queue.front());
data_queue.pop();
}
std::shared_ptr<T> wait_and_pop() {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mut);
cond.wait(lock, [this]{ return !data_queue.empty(); });
auto result = std::make_shared<T>(std::move(data_queue.front()));
data_queue.pop();
return result;
}
bool try_pop(T& value) {
std::lock_guard<std::mutex> lock(mut);
if (data_queue.empty())
return false;
value = std::move(data_queue.front());
data_queue.pop();
return true;
}
bool empty() const {
std::lock_guard<std::mutex> lock(mut);
return data_queue.empty();
}
};
性能优化与注意事项
虽然上述实现已经满足基本线程安全需求，但在高并发场景下仍有改进空间。
- 减少锁持有时间：尽量只在必要时加锁，操作完成后立即释放
- 避免虚假唤醒：使用条件变量时始终配合循环判断条件
- 返回智能指针：避免拷贝开销，也防止对象析构问题
- 考虑无锁队列：对性能要求极高时可使用原子操作实现无锁结构（如基于环形缓冲区），但复杂度显著上升
