线程安全队列通过std::mutex和std::condition_variable实现，确保多线程下push和pop操作的安全性与阻塞等待机制，适用于生产者-消费者模型，需注意死锁预防、条件变量正确使用及性能权衡。
在多线程编程中，多个线程同时访问共享资源容易引发数据竞争和不一致问题。队列作为常见的数据结构，在任务调度、生产者-消费者模型等场景中频繁使用，因此实现一个线程安全的队列至关重要。C++ 中可以通过互斥锁（std::mutex）结合条件变量（std::condition_variable）来实现一个高效且安全的线程安全队列。
基本设计思路
线程安全队列的核心目标是保证在多线程环境下对队列的 push 和 pop 操作不会导致数据损坏，并支持阻塞等待机制，提高程序响应性。
主要组件包括：
std::queue：用于存储元素的底层容器。 std::mutex：保护队列的读写操作，防止并发冲突。 std::condition_variable：用于线程间通信，当队列为空时，消费者线程可以等待；当新元素入队时通知等待的线程。
代码实现示例
以下是一个完整的线程安全队列模板实现：
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#include #include #include #include templateclass 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(); // 通知一个等待的消费者 } 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() const { std::lock_guard lock(mtx); return data_queue.size(); }};
使用方式与注意事项
这个队列可以安全地在多个生产者和消费者之间共享。例如：
ThreadSafeQueue queue;// 生产者线程auto producer = [&]() { for (int i = 0; i < 5; ++i) { queue.push(i); std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100)); }};// 消费者线程auto consumer = [&]() { int value; for (int i = 0; i < 5; ++i) { queue.wait_and_pop(value); std::cout << "Consumed: " << value << std::endl; }};std::thread t1(producer);std::thread t2(consumer);t1.join();t2.join();
注意点：
避免死锁：确保每次加锁后都有对应的解锁，推荐使用 RAII（如 std::lock_guard、std::unique_lock）。 条件变量需配合谓词使用：wait 调用必须使用 lambda 判断条件，防止虚假唤醒。 性能考量：频繁加锁可能影响性能，若对性能要求极高，可考虑无锁队列（lock-free queue），但实现复杂度大幅上升。基本上就这些。这种基于锁的实现简单、可靠，适合大多数多线程应用场景。
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