C++如何实现一个线程安全的队列_C++多线程编程与线程安全队列实现

技术教程
2025-11-12 13:21:02

线程安全队列通过互斥锁和条件变量实现，支持多线程环境下安全的入队、出队操作，空队列时阻塞等待。

c++如何实现一个线程安全的队列_c++多线程编程与线程安全队列实现

在C++多线程编程中，线程安全的队列是常见的需求，尤其是在生产者-消费者模型中。要实现一个线程安全的队列，核心是保护共享数据不被多个线程同时访问导致竞争条件。通常使用互斥锁（std::mutex）配合条件变量（std::condition_variable）来实现高效、安全的操作。

基本设计思路

一个线程安全的队列需要满足以下几点：

多个线程可以安全地向队列中添加元素（入队）
多个线程可以安全地从队列中取出元素（出队）
当队列为空时，出队操作应阻塞等待，直到有新元素加入
使用RAII机制自动管理锁，避免死锁

为此，我们封装一个模板类，内部使用 std::queue 存储数据，用 std::mutex 保护访问，用 std::condition_variable 实现线程等待与唤醒。

线程安全队列的实现代码

#include <queue>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <thread>

template<typename T>
class ThreadSafeQueue {
private:
    std::queue<T> data_queue;
    mutable std::mutex mtx;
    std::condition_variable cv;

public:
    ThreadSafeQueue() = default;

    void push(T value) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        data_queue.push(std::move(value));
        cv.notify_one();  // 唤醒一个等待的消费者
    }

    bool try_pop(T& value) {
        std::lock_guard<std::mutex> 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<std::mutex> 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<std::mutex> lock(mtx);
        return data_queue.empty();
    }

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

使用示例：生产者-消费者模型

下面是一个简单的多线程测试例子，演示两个生产者线程和一个消费者线程共享同一个队列。

#include <iostream>

void producer(ThreadSafeQueue<int>& 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<int>& queue) {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        int value;
        queue.wait_and_pop(value);
        std::cout << "Consumed: " << value << "\n";
    }
}

int main() {
    ThreadSafeQueue<int> queue;

    std::thread p1(producer, std::ref(queue));
    std::thread p2(producer, std::ref(queue));
    std::thread c1(consumer, std::ref(queue));

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

    return 0;
}

关键点说明

push() 使用 std::lock_guard 自动加锁，插入后调用 notify_one() 唤醒一个等待线程。如果多个消费者在等待，只会唤醒一个，避免惊群效应。

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