线程安全队列需保证多线程下push和pop操作的原子性与互斥性，通过std::mutex和std::condition_variable实现加锁与阻塞等待，避免数据竞争和资源浪费；典型实现封装std::queue，提供push、try_pop、wait_and_pop等方法，支持生产者-消费者模型，注意避免持有锁时执行耗时操作，可扩展超时机制或优化为无锁结构以提升性能。
线程安全队列的基本需求
在多线程环境中，多个线程可能同时向队列中添加或取出数据。如果不对操作加保护，会出现数据竞争、读写错乱甚至程序崩溃。实现一个线程安全的队列核心目标是：保证任意线程对队列的 push 和 pop 操作都是原子且互斥的，同时避免死锁和性能瓶颈。
关键点包括使用互斥锁（std::mutex）保护共享数据，用条件变量（std::condition_variable）实现阻塞等待机制，让取数据的线程在队列为空时自动挂起，有新数据时再唤醒。
基于 std::queue 的线程安全封装
可以封装标准库中的 std::queue，加上互斥锁和条件变量，实现一个通用的线程安全队列。以下是典型实现：
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#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(); // 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(); }};
说明：
push()：加锁后入队，调用 notify_one() 通知等待的线程。try_pop()：非阻塞尝试出队，返回布尔值表示是否成功。wait_and_pop()：阻塞直到队列非空，适合消费者线程使用。empty() / size()：查询状态，也需加锁防止读取过程中被修改。
使用示例与注意事项
下面是一个生产者-消费者模型的简单使用场景：
#include #include #include ThreadSafeQueue queue;void producer(int id) { for (int i = 0; i < 5; ++i) { queue.push(id * 10 + i); std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100)); }}void consumer() { for (int i = 0; i < 10; ++i) { int value; queue.wait_and_pop(value); std::cout << "Consumed: " << value << std::endl; }}int main() { std::thread p1(producer, 1); std::thread p2(producer, 2); std::thread c1(consumer); p1.join(); p2.join(); c1.join(); return 0;}
注意：
不要在持有锁的情况下执行耗时操作或调用用户定义的函数（如析构、拷贝构造），以防死锁或性能下降。若需支持多消费者，notify_all() 可唤醒所有等待线程，但可能造成“惊群效应”，一般用 notify_one() 更高效。可扩展加入超时弹出（wait_for/wait_until）功能，用于实现带超时的消费逻辑。
更高效的优化方向
上述实现简单可靠，但在高并发下可能成为性能瓶颈。进阶方案包括：
使用无锁队列（lock-free queue），基于原子操作和 CAS 实现，但复杂度高。采用环形缓冲区（ring buffer）+ 双指针，适用于固定大小的高性能场景。分离读写锁，或使用细粒度锁提升并发度。
对于大多数应用，带互斥锁和条件变量的阻塞队列已足够高效且易于维护。
基本上就这些，不复杂但容易忽略细节。
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