C++怎么实现生产者消费者模型_C++多线程并发模型与生产者消费者实现

尼克

发布时间：2025-12-06 18:26:02

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来源于php中文网

原创

生产者消费者模型通过互斥锁和条件变量实现线程安全的缓冲区共享，生产者在缓冲区未满时添加数据，消费者在非空时取出数据，配合谓词等待避免虚假唤醒，使用notify_one提升效率，可通过结束标志正常退出线程。

c++怎么实现生产者消费者模型_c++多线程并发模型与生产者消费者实现

生产者消费者模型是多线程编程中的经典问题，用于描述多个线程之间如何安全地共享有限缓冲区的数据。C++中可以通过标准库的多线程支持（、、）高效实现该模型。

使用互斥锁和条件变量实现生产者消费者

核心组件包括一个共享缓冲区、互斥锁保护数据访问、两个条件变量分别通知“有空位”和“有数据”。生产者在缓冲区未满时添加数据，消费者在缓冲区非空时取出数据。

以下是一个基于固定大小队列的实现示例：

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

std::queue buffer;
std::mutex mtx;
std::condition_variable not_full;
std::condition_variable not_empty;

const int max_size = 5;

void producer(int id) {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        std::unique_lock lock(mtx);
        not_full.wait(lock, []() { return buffer.size() < max_size; });
        buffer.push(i);
        std::cout << "Producer " << id << " produced: " << i << "\n";
        lock.unlock();
        not_empty.notify_one();
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
    }
}

void consumer(int id) {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        std::unique_lock lock(mtx);
        not_empty.wait(lock, []() { return !buffer.empty(); });
        int value = buffer.front();
        buffer.pop();
        std::cout << "Consumer " << id << " consumed: " << value << "\n";
        lock.unlock();
        not_full.notify_one();
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(150));
    }
}

在主函数中启动多个生产者和消费者线程即可观察协同工作：

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int main() {
    std::thread p1(producer, 1);
    std::thread p2(producer, 2);
    std::thread c1(consumer, 1);
    std::thread c2(consumer, 2);

    p1.join();
    p2.join();
    c1.join();
    c2.join();

    return 0;
}

关键机制说明

条件变量等待必须配合谓词使用：避免虚假唤醒导致逻辑错误。例如 not_full.wait(lock, [](){ return buffer.size() 确保只有真正满足条件时才继续执行。

notify_one 与 notify_all 的选择：若只有一个等待线程需被唤醒，用 notify_one 更高效；若存在多个同类等待者，根据场景决定是否广播。

解锁后通知：先释放锁再调用 notify 可减少唤醒后立即阻塞的概率，提升性能。

可改进方向

使用智能指针或自定义消息结构传递复杂数据
引入结束标志位，使消费者在生产完成后续正常退出
采用循环缓冲区或双缓冲技术提升吞吐量
使用 std::atomic 标记运行状态，避免强制终止线程

加入结束控制的简单方式是在共享区域添加：

bool done = false;
// 消费者中检测
not_empty.wait(lock, []() { return !buffer.empty() || done; });
if (done && buffer.empty()) break;

基本上就这些。C++11以后的标准库已足够支撑健壮的生产者消费者模型，关键是正确使用锁和条件变量组合，确保线程安全与响应性。

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