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实现一个线程安全的队列：C++实战指南

news 2025/6/23 10:59:55

实现一个线程安全的队列：C++实战指南

在多线程编程中，线程安全的数据结构是确保程序正确性和稳定性的关键。队列作为一种常用的数据结构，广泛应用于任务调度、消息传递等场景。本文将详细介绍如何在C++中实现一个线程安全的队列，并提供完整的代码示例和详细的解释。

什么是线程安全的队列？

线程安全的队列是一种支持多线程并发访问的队列数据结构，确保在多个线程同时进行入队和出队操作时，不会出现数据竞争和不一致的问题。实现线程安全的队列通常需要使用互斥锁（mutex）和条件变量（condition variable）来进行同步。

设计思路

在实现线程安全的队列时，我们需要解决以下几个关键问题：

互斥访问：确保多个线程同时访问队列时，不会发生数据竞争。
条件同步：使用条件变量来管理队列的空和满状态，避免忙等待。
异常处理：确保在异常情况下，队列的状态保持一致。

代码实现

以下是一个完整的C++代码示例，展示如何实现一个线程安全的队列：

#include <iostream>
#include <queue>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <thread>
#include <vector>
#include <stdexcept>template <typename T>
class ThreadSafeQueue {
public:ThreadSafeQueue() = default;~ThreadSafeQueue() = default;// 禁用拷贝构造和赋值操作ThreadSafeQueue(const ThreadSafeQueue&) = delete;ThreadSafeQueue& operator=(const ThreadSafeQueue&) = delete;// 入队操作void enqueue(T item) {std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);queue.push(std::move(item));cv.notify_one();}// 出队操作T dequeue() {std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);cv.wait(lock, [this] { return !queue.empty(); });T item = std::move(queue.front());queue.pop();return item;}// 检查队列是否为空bool empty() const {std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);return queue.empty();}private:mutable std::mutex mtx;std::queue<T> queue;std::condition_variable cv;
};// 测试线程安全队列
void producer(ThreadSafeQueue<int>& tsQueue, int id) {for (int i = 0; i < 10; ++i) {tsQueue.enqueue(i + id * 100);std::cout << "Producer " << id << " enqueued " << i + id * 100 << std::endl;}
}void consumer(ThreadSafeQueue<int>& tsQueue, int id) {for (int i = 0; i < 10; ++i) {int item = tsQueue.dequeue();std::cout << "Consumer " << id << " dequeued " << item << std::endl;}
}int main() {ThreadSafeQueue<int> tsQueue;// 创建生产者和消费者线程std::vector<std::thread> producers;std::vector<std::thread> consumers;for (int i = 0; i < 3; ++i) {producers.emplace_back(producer, std::ref(tsQueue), i);consumers.emplace_back(consumer, std::ref(tsQueue), i);}// 等待所有线程完成for (auto& p : producers) {p.join();}for (auto& c : consumers) {c.join();}return 0;
}

代码解析

模板类设计：
- 使用模板类ThreadSafeQueue，支持任意类型的队列元素。
- 禁用拷贝构造和赋值操作，确保队列实例的唯一性。
互斥访问：
- 使用std::mutex和std::lock_guard确保队列的互斥访问。
- 在入队和出队操作中加锁，确保线程安全。
条件同步：
- 使用std::condition_variable管理队列的空和满状态。
- 在出队操作中使用cv.wait等待队列非空，避免忙等待。
异常处理：
- 在入队和出队操作中使用std::move，确保异常情况下队列状态的一致性。