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c++怎么实现一个线程安全的队列_c++多线程安全容器设计

冰火之心

冰火之心

发布时间:2025-11-08 22:38:02

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来源于php中文网

原创

线程安全队列通过std::mutex和std::condition_variable实现,确保多线程下push和pop操作的原子性与阻塞等待,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++多线程安全容器设计

在C++多线程编程中,实现一个线程安全的队列是常见需求,比如用于生产者-消费者模型。要保证多个线程同时访问队列时不会出现数据竞争或状态不一致,必须使用同步机制。下面介绍一种基于std::queuestd::mutexstd::condition_variable的安全队列实现方式。

基本设计思路

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),包括阻塞等待机制以提高效率。

关键点:

  • 使用std::mutex保护对内部队列的访问
  • 使用std::condition_variable实现线程等待非空/非满状态
  • 提供pushpop操作的原子性与阻塞性

代码实现示例

#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pop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();
    }
};

使用场景说明

这个队列适合大多数多线程协作场景:

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  • 生产者线程调用push()添加任务
  • 消费者线程调用wait_and_pop()阻塞等待新任务
  • 若不想阻塞,可用try_pop()尝试获取元素

例如:

ThreadSafeQueue task_queue;

// 生产者
auto producer = [&]() {
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        task_queue.push(i);
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
    }
};

// 消费者
auto consumer = [&]() {
    int value;
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        task_queue.wait_and_pop(value);
        std::cout << "Consumed: " << value << "\n";
    }
};

std::thread t1(producer);
std::thread t2(consumer);
t1.join(); t2.join();

注意事项与优化方向

虽然上述实现已满足基本线程安全需求,但仍有几点需要注意:

  • 频繁加锁可能影响性能,可考虑无锁队列(如使用CAS操作)用于高并发场景
  • 当前版本未支持超时弹出(如wait_forwait_until),可根据需要扩展
  • 若需限制队列容量,可在push中加入等待非满逻辑
  • 注意异常安全:确保所有路径都正确释放锁
基本上就这些。这个设计简洁实用,适用于大多数C++多线程项目中的任务调度或消息传递。

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