线程安全队列通过互斥锁和条件变量实现多线程同步，使用std::mutex保护共享数据，std::condition_variable支持阻塞等待与唤醒机制，避免轮询浪费资源，结合RAII和移动语义确保高效安全，适用于大多数并发场景。
在C++多线程编程中，线程安全队列是常见的需求。多个线程可能同时向队列中添加或取出数据，若不加保护，会导致数据竞争、崩溃或未定义行为。实现一个线程安全的队列，关键在于对共享资源（即队列内部容器）进行同步访问控制。
使用std::queue配合互斥锁（std::mutex）
最基础且常用的方法是将中的std::queue与std::mutex结合，通过锁机制保护每次操作。
基本思路：所有对队列的读写操作都必须先获取互斥锁，操作完成后再释放锁。
示例代码：
#include <queue> #include <mutex> #include <thread> template<typename T> class ThreadSafeQueue { private: std::queue<T> data_queue; mutable std::mutex mtx; // mutable允许在const方法中加锁 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(); } };
这种方式简单可靠，但try_pop是非阻塞的——如果队列为空，调用者需要轮询，浪费CPU资源。
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加入条件变量实现阻塞式等待
为了提高效率，可以让消费者线程在队列为空时自动等待，直到有新元素入队。这可以通过std::condition_variable实现。
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73 改进版代码：
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(); // 唤醒一个等待的消费者 } 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 empty() const { std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); return data_queue.empty(); } };
pop()会一直阻塞，直到队列非空。使用unique_lock是因为wt()需要能释放和重新获取锁。
可选优化：支持超时弹出
有时我们希望等待一段时间后放弃操作，比如处理实时任务。可以添加带超时的try_pop_for或try_pop_until。
示例方法：
bool try_pop_for(T& value, int timeout_ms) { std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx); if (cv.wait_for(lock, std::chrono::milliseconds(timeout_ms), [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 }
这样调用者可以根据返回值判断是成功获取还是超时。
注意事项与建议
- 始终使用RAII锁管理（如lock_guard或unique_lock），避免死锁
- 移动语义（std::move）减少拷贝开销
- 注意异常安全：push中如果构造对象失败，不应影响队列状态
- 若性能要求极高，可考虑队列（lock-free queue），但实现复杂，需深入理解内存模型
基本上就这些。一个简单的线程安全队列，用std::mutex + std::condition_variable就能满足大多数场景需求，既安全又易于维护。
以上就是++中如何实现一个线程安全的队列_c++多线程数据同步结构实现的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！
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