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C++怎么实现一个线程安全的队列_C++多线程安全队列实现思路与示例

冰火之心

冰火之心

发布时间:2025-10-31 19:28:02

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来源于php中文网

原创

线程安全队列通过互斥锁和条件变量实现,确保多线程下数据同步;push插入元素并通知等待线程,wait_and_pop阻塞等待非空,try_pop提供非阻塞尝试,empty和size返回队列状态,适用于生产者-消费者模型。

c++怎么实现一个线程安全的队列_c++多线程安全队列实现思路与示例

在C++多线程编程中,线程安全的队列是常见的需求,比如生产者-消费者模型。要实现一个线程安全的队列,关键在于保护共享数据不被多个线程同时访问或修改。通常的做法是结合标准库中的 std::queuestd::mutexstd::condition_variable 来实现线程同步。

基本思路

实现线程安全队列的核心目标是:

  • 多个线程可以安全地入队(push)和出队(pop)元素
  • 当队列为空时,消费者线程应阻塞等待,直到有新元素加入
  • 使用互斥锁保护队列的内部状态
  • 使用条件变量通知等待线程数据已就绪

线程安全队列实现示例

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

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

public:
    ThreadSafeQueue() = default;

    void push(T value) {
        std::lock_guard lock(mtx);
        data_queue.push(std::move(value));
        cv.notify_one(); // 唤醒一个等待的线程
    }

    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;
    }

    void wait_and_pop(T& value) {
        std::unique_lock 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 lock(mtx);
        return data_queue.empty();
    }

    size_t size() const {
        std::lock_guard lock(mtx);
        return data_queue.size();
    }
};

使用示例:生产者-消费者模型

void producer(ThreadSafeQueue& queue) {
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        queue.push(i);
        std::cout << "Produced: " << i << "\n";
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
    }
}

void consumer(ThreadSafeQueue& queue) {
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        int value;
        queue.wait_and_pop(value);
        std::cout << "Consumed: " << value << "\n";
    }
}

int main() {
    ThreadSafeQueue queue;
    std::vector threads;

    threads.emplace_back(producer, std::ref(queue));
    threads.emplace_back(consumer, std::ref(queue));

    for (auto& t : threads) {
        t.join();
    }

    return 0;
}

关键点说明

push() 操作加锁后插入元素,并调用 notify_one() 唤醒一个等待的消费者。

wait_and_pop() 使用 unique_lock 配合 condition_variable 实现阻塞等待,避免忙等。

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try_pop() 提供非阻塞版本,适合某些需要轮询但不希望卡住的场景。

所有公共方法都对 mutex 加锁,确保任意时刻只有一个线程能操作队列。

基本上就这些。这个实现适用于大多数常规多线程场景,性能良好且易于理解。如果需要更高性能,可考虑无锁队列(lock-free queue),但复杂度会显著上升。

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