c++如何实现一个阻塞队列 c++生产者消费者模型【实例】

什么是阻塞队列

阻塞队列是一种线程安全的队列，当队列为空时，消费者线程调用 pop() 会自动等待，直到有新元素入队；当队列为满时（如有容量限制），生产者线程调用 push() 也会等待，直到有空位。这种“自动等待+唤醒”机制，天然适配生产者-消费者模型。

核心实现要点

要用 C++ 实现一个可靠的阻塞队列，需结合以下三要素：

• std::queue 或 std::deque 作为底层容器（推荐 deque，支持高效首尾操作）
• std::mutex 保护共享数据，防止多线程并发访问冲突
• std::condition_variable 实现线程挂起与唤醒：一个用于“非空”通知（消费者等数据），一个用于“非满”通知（生产者等空间）——若无容量限制，可只用一个条件变量

无界阻塞队列示例（常用场景）

下面是一个简洁、可直接运行的无界阻塞队列实现（支持 move 语义，线程安全）：

#include 
#include 
#include 
#include 
template 
class BlockingQueue {
private:
std::queue queue;
mutable std::mutex mtx;
std::condition_variable notempty;
std::condition_variable notfull; // 可选，无界时仅作占位
public:
void push(T item) {
std::uniquelock lock(mtx);
queue_.push(std::move(item));
notempty.notify_one(); // 唤醒等待消费的线程
}
T pop() {
    std::unique_lockzuojiankuohaophpcnstd::mutexyoujiankuohaophpcn lock(mtx_);
    not_empty_.wait(lock, [this] { return !queue_.empty(); });
    T item = std::move(queue_.front());
    queue_.pop();
    return item;
}

// 带超时的 pop（避免永久阻塞）
bool pop(T& item, std::chrono::milliseconds timeout) {
    std::unique_lockzuojiankuohaophpcnstd::mutexyoujiankuohaophpcn lock(mtx_);
    if (not_empty_.wait_for(lock, timeout, [this] { return !queue_.empty(); })) {
        item = std::move(queue_.front());
        queue_.pop();
        return true;
    }
    return false;
}

bool empty() const {
    std::unique_lockzuojiankuohaophpcnstd::mutexyoujiankuohaophpcn lock(mtx_);
    return queue_.empty();
}
};
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生产者-消费者完整实例
用上面的 BlockingQueue 启动多个生产者和消费者线程，模拟真实协作：

							

								
								

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#include 
#include 
#include 
#include 
BlockingQueue bq;
void producer(int id, int count) {
for (int i = 0; i < count; ++i) {
int val = id * 100 + i;
bq.push(val);
std::cout << "[P" << id << "] pushed " << val << "\n";
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
}
}
void consumer(int id) {
while (true) {
int val;
if (bq.pop(val, std::chrono::milliseconds(500))) {
std::cout << "[C" << id << "] consumed " << val << "\n";
} else {
std::cout << "[C" << id << "] timeout, exiting...\n";
break;
}
}
}
int main() {
std::vector producers, consumers;
// 启动 2 个生产者，各发 3 个数
for (int i = 0; i zuojiankuohaophpcn 2; ++i) {
    producers.emplace_back(producer, i, 3);
}

// 启动 3 个消费者
for (int i = 0; i zuojiankuohaophpcn 3; ++i) {
    consumers.emplace_back(consumer, i);
}

for (auto& t : producers) t.join();
for (auto& t : consumers) t.join();

return 0;
}
编译运行时加 -std=c++17 -pthread。输出会交错显示生产和消费过程，体现线程间自然同步。
注意事项与优化建议
实际工程中还需考虑：

若需有界队列，构造时传入最大容量，在 push() 中检查并用 not_full_.wait() 阻塞
增加 stop() 接口配合 std::atomic_bool 实现优雅退出（避免消费者无限等待）
对频繁操作场景，可用 std::deque 替代 std::queue 获得更好缓存局部性
避免在锁内做耗时操作（如 I/O、复杂计算），保持临界区尽量短