线程安全队列通过互斥锁保护共享数据、条件变量实现线程同步，确保生产者-消费者模型中多线程并发访问时的数据一致性与高效协作。
在C++多线程编程中，实现一个线程安全的队列是常见的需求。比如生产者-消费者模型就需要多个线程同时访问同一个队列，而不会引发数据竞争或状态不一致的问题。通过使用互斥锁（std::mutex）和条件变量（std::condition_variable），我们可以构建一个高效且安全的并发队列。
基本设计思路
线程安全队列的核心目标是：确保任意数量的生产者和消费者可以并发地入队和出队，而不会破坏内部数据结构或导致竞态条件。
关键点包括：
使用互斥锁保护对队列的读写操作，防止多个线程同时修改队列。 使用条件变量通知等待的线程——当队列为空时，消费者等待；当有新元素加入时，唤醒消费者。 避免忙等待，提高效率。
使用 std::queue + std::mutex + std::condition_variable 实现
下面是一个完整的线程安全队列实现示例：
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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(); // 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(); }};
各方法说明与使用建议
push(T value)：将元素加入队列。加锁后插入，并调用 notify_one() 唤醒一个正在等待的消费者线程。
try_pop(T& value)：非阻塞尝试弹出元素。如果队列为空返回 false，否则赋值并返回 true。适合不想阻塞的场景。
wait_and_pop(T& value)：阻塞式出队。若队列为空，则等待直到有元素可用。内部使用 unique_lock 配合条件变量实现高效等待。
empty() 和 size()：提供只读查询功能。注意这些值可能在调用后立即变化，仅作参考。
使用示例：生产者-消费者模型
以下是一个简单的多线程测试例子：
#include void producer(ThreadSafeQueue& queue) { for (int i = 0; i < 5; ++i) { queue.push(i); std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100)); }}void consumer(ThreadSafeQueue& queue) { for (int i = 0; i < 5; ++i) { int value; queue.wait_and_pop(value); std::cout << "Consumed: " << value << 'n'; }}int main() { ThreadSafeQueue queue; std::thread p(producer, std::ref(queue)); std::thread c(consumer, std::ref(queue)); p.join(); c.join(); return 0;}
这个例子中，生产者每100ms放入一个数，消费者同步取出并打印。由于使用了条件变量，消费者不会占用CPU空转，而是被唤醒后处理数据。
基本上就这些。只要正确使用互斥锁保护共享状态，配合条件变量实现线程间通信，就能写出稳定高效的并发队列。实际项目中还可以扩展支持超时弹出（wait_for）、多消费者唤醒等特性。
以上就是C++怎么实现一个线程安全的队列_C++使用互斥锁和条件变量构建并发队列的详细内容，更多请关注创想鸟其它相关文章！
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