线程安全队列通过互斥锁和条件变量实现，确保多线程环境下入队、出队操作的安全性与阻塞等待机制，满足生产者-消费者模型需求。
在多线程编程中，多个线程同时访问共享数据结构时容易引发竞争条件。队列作为常见的数据结构，在任务调度、生产者-消费者模型中广泛使用，因此实现一个线程安全的队列非常关键。C++ 提供了标准库中的 std::queue 和同步机制，结合互斥锁（std::mutex）和条件变量（std::condition_variable），我们可以设计一个高效且线程安全的队列。
线程安全队列的基本需求
一个线程安全的队列需要满足以下几点：
入队（push）操作线程安全：多个线程可以安全地向队列添加元素。出队（pop）操作线程安全：多个线程可以从队列中取出元素，避免数据竞争。阻塞等待机制：当队列为空时，消费线程应能阻塞等待，直到有新元素加入。异常安全：操作过程中抛出异常不应导致死锁或资源泄漏。
使用互斥锁和条件变量实现
下面是一个基于 std::queue、std::mutex 和 std::condition_variable 的线程安全队列实现：
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#include #include #includetemplateclass 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() const { std::lock_guard lock(mtx); return data_queue.size();}
};
关键点说明
push 操作：使用 std::lock_guard 自动加锁，确保插入操作的原子性。插入后调用 notify_one() 唤醒一个等待的消费者线程。
try_pop 非阻塞，立即返回是否成功获取元素。wait_and_pop 会阻塞，直到队列非空，适合生产者-消费者场景。
条件变量的使用：在 wait_and_pop 中，cv.wait() 会自动释放锁并等待，当被唤醒时重新获取锁，并检查谓词 !data_queue.empty()，防止虚假唤醒。
mutable mutex：将互斥量声明为 mutable，是为了在 empty() 和 size() 这类 const 成员函数中也能加锁。
使用示例：生产者-消费者模型
#include #include #includeint main() {ThreadSafeQueue queue;std::vector producers;std::vector consumers;
// 启动消费者线程for (int i = 0; i < 3; ++i) { consumers.emplace_back([&queue]() { for (int j = 0; j < 5; ++j) { int value; queue.wait_and_pop(value); std::cout << "Consumed: " << value << "n"; } });}// 启动生产者线程for (int i = 0; i < 2; ++i) { producers.emplace_back([&queue, i]() { for (int j = 0; j < 8; ++j) { queue.push(i * 10 + j); std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(10)); } });}// 等待所有线程完成for (auto& t : producers) t.join();for (auto& t : consumers) t.join();return 0;
}
该示例展示了多个生产者向队列推送数据，多个消费者从队列取出并处理数据的过程。由于队列是线程安全的，整个过程无需额外同步控制。
基本上就这些。这个实现简单、清晰，适用于大多数多线程场景。如果对性能要求更高，还可以考虑无锁队列（lock-free queue），但实现复杂度显著上升。对于一般应用，基于锁的线程安全队列已经足够可靠。
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