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。
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(); } };
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(); } };
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 }
4. 使用建议与注意事项
实现线程安全队列时需注意以下几点：
- 所有对内部 queue 的访问都必须被 mutex 保护
- 使用 std::lock_guard 简化锁管理，防止死锁
- 用 std::unique_lock 配合 condition_variable，因为它支持条件变量的 wait 操作
- 传递对象时尽量使用右值引用和 std::move，减少拷贝开销
- 避免在持有锁期间执行耗时操作（如 I/O、网络请求）
基本上就这些。一个高效、安全的线程安全队列，关键在于正确使用同步原语，并考虑实际使用场景是否需要阻塞或超时机制。