c++如何实现一个线程安全的队列 _c++线程安全队列实现方法-C++-PHP中文网

c++如何实现一个线程安全的队列 _c++线程安全队列实现方法

穿越時空

发布： 2025-10-24 21:31:01

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答案：C++线程安全队列通过mutex保护共享数据，结合condition_variable实现阻塞与超时机制，确保多线程环境下队列操作的安全性与效率。

c++如何实现一个线程安全的队列 _c++线程安全队列实现方法

在C++中实现一个线程安全的队列，核心是保护共享数据不被多个线程同时访问导致竞争。最常用的方法是结合标准库中的 std::queue、std::mutex 和 std::lock_guard（或更灵活的 std::unique_lock），必要时使用 std::condition_variable 实现阻塞操作。

1. 基本线程安全队列（非阻塞）

适用于生产者-消费者模型中，不需要等待队列非空或非满的情况。

#include <queue>
#include <mutex>

template<typename T>
class ThreadSafeQueue {
private:
    std::queue<T> data_queue;
    mutable std::mutex mtx;  // mutable 允许在 const 函数中加锁

public:
    ThreadSafeQueue() = default;

    void push(T value) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        data_queue.push(std::move(value));
    }

    bool try_pop(T& value) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        if (data_queue.empty()) {
            return false;
        }
        value = std::move(data_queue.front());
        data_queue.pop();
        return true;
    }

    bool empty() const {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        return data_queue.empty();
    }

    size_t size() const {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        return data_queue.size();
    }
};

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2. 阻塞式线程安全队列

当队列为空时，消费者线程自动等待新元素加入，适合大多数并发场景。

#include <queue>
#include <mutex>
#include <condition_variable>

template<typename T>
class BlockingQueue {
private:
    std::queue<T> data_queue;
    mutable std::mutex mtx;
    std::condition_variable cv;

public:
    void push(T value) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        data_queue.push(std::move(value));
        cv.notify_one();  // 通知一个等待的消费者
    }

    T pop() {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
        cv.wait(lock, [this] { return !data_queue.empty(); });
        T value = std::move(data_queue.front());
        data_queue.pop();
        return value;
    }

    bool try_pop(T& value) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        if (data_queue.empty()) return false;
        value = std::move(data_queue.front());
        data_queue.pop();
        return true;
    }

    bool empty() const {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        return data_queue.empty();
    }
};

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3. 可选改进：支持超时弹出

避免无限等待，增强程序健壮性。

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使用 cv.wait_for 或 cv.wait_until 实现带超时的 pop 操作。

bool timed_pop(T& value, int milliseconds) {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    if (cv.wait_for(lock, std::chrono::milliseconds(milliseconds),
                    [this] { return !data_queue.empty(); })) {
        value = std::move(data_queue.front());
        data_queue.pop();
        return true;
    }
    return false;  // 超时或队列仍为空
}

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