线程安全队列的核心挑战是避免多线程下push/pop的竞态，锁方案串行化开销大，无锁方案依赖原子操作与CAS但需处理ABA和内存释放；SPSC可用原子索引循环数组实现，MPMC则常用Michael-Scott链表或环形缓冲区；工程中优先用std::mutex，高争用场景再选成熟无锁库并配合TSAN验证。
线程安全队列的核心挑战
多线程环境下，队列的 push 和 pop 操作必须避免竞态：两个线程同时修改头/尾指针、同时读写同一节点、或一个线程正在析构节点而另一个正访问它。锁保护（如 mutex）能解决，但会串行化访问、引入阻塞和上下文切换开销；无锁（lock-free）设计则通过原子操作 + CAS 循环重试来实现高并发吞吐，代价是逻辑更复杂、需谨慎处理内存释放与 ABA 问题。
基于 std::atomic 的简单无锁单生产者单消费者（SPSC）队列
SPSC 是最易实现且性能最优的无锁场景，无需处理多个生产者竞争 tail 或多个消费者竞争 head。典型做法是用循环数组 + 原子索引：
- 用 std::atomic_size_t head_ 和 tail_ 记录读写位置（模数组长度）
- push 时：读 tail → 计算槽位 → 写入元素 → 原子递增 tail（CAS 不必要，因仅一个生产者）
- pop 时：读 head → 检查非空 → 读取元素 → 原子递增 head
- 注意：需用 std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire) 和 release 保证读写顺序，防止编译器/CPU 重排破坏可见性
多生产者多消费者（MPMC）无锁队列关键点
MPMC 更通用但也更难，主流方案有 Michael-Scott 队列（基于链表）和 Dmitry Vyukov 的无锁环形缓冲区。以 Michael-Scott 为例：
- 使用 std::atomic
head_, tail_ 指向哨兵节点构成的链表 - push：先 new 节点 → CAS 更新 tail_->next → 再 CAS 移动 tail；失败则重试
- pop：读 head_->next → CAS 将 head 指向该节点 → 成功后返回原 head_->next 的数据；失败重试
- ABA 问题：tail 被 A→B→A 修改，CAS 误判成功。可用 tagged pointer（高位存计数）或 Hazard Pointer / RCU 管理内存生命周期，避免提前释放被其他线程引用的节点
实用建议与避坑指南
无锁 ≠ 万能。实际工程中应权衡：
立即学习“C++免费学习笔记（深入）”；
- 优先考虑 std::mutex + std::queue —— 大多数场景下性能足够，代码清晰，不易出错
- 若确定是高争用瓶颈（如高频小消息通信），再选无锁；推荐复用成熟库如 boost::lockfree::queue 或 moodycamel::ConcurrentQueue，它们已处理内存序、ABA、异常安全等细节
- 务必用 TSAN（ThreadSanitizer） 测试竞态，无锁代码几乎无法靠肉眼验证正确性
- 避免在无锁结构中直接存储需析构的对象（如 std::string）；优先用 POD 类型或手动管理内存生命周期
