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操作的原子性与阻塞等待，适用于生产者-消费者模型。
在c++多线程编程中，实现一个线程安全的队列是常见需求，比如用于生产者-消费者模型。要保证多个线程同时访问队列时不会出现数据竞争或状态不一致，必须使用同步机制。下面介绍一种基于std::queue、std::mutex和std::condition_variable的安全队列实现方式。
基本设计思路
线程安全队列的核心目标是：多个线程可以安全地入队（push）和出队（pop），包括阻塞等待机制以提高效率。
关键点：
- 使用
std::mutex保护对内部队列的访问 - 使用
std::condition_variable实现线程等待非空/非满状态 - 提供
push和pop操作的原子性与阻塞性
代码实现示例
#include <queue> #include <mutex> #include <condition_variable> #include <thread> template<typename T> class ThreadSafeQueue { private: std::queue<T> data_queue; mutable std::mutex mtx; std::condition_variable cv; public: ThreadSafeQueue() = default; void push(T value) { std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); data_queue.push(std::move(value)); cv.notify_one(); // 唤醒一个等待的pop线程 } 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; } void wait_and_pop(T& value) { std::unique_lock<std::mutex> 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<std::mutex> lock(mtx); return data_queue.empty(); } size_t size() const { std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); return data_queue.size(); } };
使用场景说明
这个队列适合大多数多线程协作场景：
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- 生产者线程调用
push()添加任务 - 消费者线程调用
wait_and_pop()阻塞等待新任务 - 若不想阻塞，可用
try_pop()尝试获取元素
例如：
ThreadSafeQueue<int> task_queue; // 生产者 auto producer = [&]() { for (int i = 0; i < 5; ++i) { task_queue.push(i); std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100)); } }; // 消费者 auto consumer = [&]() { int value; for (int i = 0; i < 5; ++i) { task_queue.wait_and_pop(value); std::cout << "Consumed: " << value << "n"; } }; std::thread t1(producer); std::thread t2(consumer); t1.join(); t2.join();
注意事项与优化方向
虽然上述实现已满足基本线程安全需求，但仍有几点需要注意：
- 频繁加锁可能影响性能，可考虑无锁队列（如使用CAS操作）用于高并发场景
- 当前版本未支持超时弹出（如
wait_for或wait_until），可根据需要扩展 - 若需限制队列容量，可在
push中加入等待非满逻辑 - 注意异常安全：确保所有路径都正确释放锁
基本上就这些。这个设计简洁实用，适用于大多数C++多线程项目中的任务调度或消息传递。