线程安全队列通过互斥锁和条件变量实现，支持多线程并发访问。1. 使用 std::mutex 保护共享数据，防止数据竞争；2. 利用 std::condition_variable 在队列为空时阻塞消费者，避免忙等；3. push 操作后通知等待线程，确保及时唤醒；4. 提供阻塞（wait_and_pop）与非阻塞（try_pop）两种出队方式，适应不同场景；5. 所有公共方法均加锁，保证操作原子性。该设计高效支持生产者-消费者模型。
在多线程编程中，多个线程同时访问共享数据结构（如队列）时容易引发数据竞争。为了保证线程安全，需要对队列的操作进行同步控制。C++ 中可以通过互斥锁（std::mutex）和条件变量（std::condition_variable）来实现一个线程安全的队列。
线程安全队列的基本设计思路
一个线程安全的队列需要满足以下几点：
- 多个生产者线程可以安全地向队列添加元素。
- 多个消费者线程可以安全地从队列取出元素。
- 当队列为空时，消费者线程应阻塞等待，直到有新元素入队。
- 使用互斥锁保护共享数据，防止并发访问导致的数据不一致。
- 使用条件变量通知等待线程，避免忙等，提高效率。
代码实现示例
#include
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#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(); // 唤醒一个等待的消费者
}
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() cons
t {
std::lock_guard lock(mtx);
return data_queue.size();
}
};
使用示例
下面是一个简单的多线程使用场景，一个生产者线程不断入队，两个消费者线程从中取数据：
int main() {
ThreadSafeQueue queue;
auto producer = [&]() {
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
queue.push(i);
std::cout << "Produced: " << i << "\n";
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
}
};
auto consumer = [&](int id) {
for (int i = 0; i < 5; ++i) {
int value;
queue.wait_and_pop(value);
std::cout << "Consumer " << id << " got: " << value << "\n";
}
};
std::thread p(producer);
std::thread c1(consumer, 1);
std::thread c2(consumer, 2);
p.join();
c1.join();
c2.join();
return 0;
}
关键点说明
push() 使用 lock_guard 自动加锁，插入后调用 notify_one() 唤醒一个等待线程；wait_and_pop() 使用 unique_lock 配合 condition_variable 实现阻塞等待；try_pop() 提供非阻塞版本，适用于不想等待的场景。
该实现是通用、高效且线程安全的，适用于大多数生产者-消费者模型。
基本上就这些。
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t {
std::lock_guard