答案：通过结合std::queue、std::mutex和std::condition_variable实现线程安全队列，支持阻塞式入队和出队操作。使用互斥锁保护共享数据，条件变量等待非空队列，notify_one唤醒等待线程，提供empty和size方法查询状态，支持生产者-消费者模型。
在c++中实现一个线程安全的队列，关键在于保护共享数据不被多个线程同时访问导致竞争条件。最常用的方法是结合 std::queue、std::mutex 和 std::condition_variable 来实现阻塞式线程安全队列。下面是一个实用且高效的实现方式。
基本设计思路
线程安全队列需要满足以下几点：
- 多个线程可以安全地入队（push）和出队（pop）
- 当队列为空时，pop操作可以阻塞等待新元素
- 使用互斥锁保护队列数据结构
- 使用条件变量通知等待的线程
线程安全队列实现代码
#include <queue> #include <mutex> #include <condition_variable> 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 } void 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(); } std::shared_ptr<T> pop() { std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx); cv.wait(lock, [this]{ return !data_queue.empty(); }); auto result = std::make_shared<T>(std::move(data_queue.front())); data_queue.pop(); return result; } 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(); } };
使用示例
下面是一个生产者-消费者模型的简单使用场景：
#include <iostream> #include <thread> void producer(ThreadSafeQueue<int>& queue) { for (int i = 0; i < 5; ++i) { queue.push(i); std::cout << "Produced: " << i << "n"; } } void consumer(ThreadSafeQueue<int>& queue) { for (int i = 0; i < 5; ++i) { int value; queue.pop(value); std::cout << "Consumed: " << value << "n"; } } int main() { ThreadSafeQueue<int> queue; std::thread p(producer, std::ref(queue)); std::thread c(consumer, std::ref(queue)); p.join(); c.join(); return 0; }
关键点说明
push() 中使用 notify_one() 及时唤醒等待的消费者线程。
pop(T&) 和 pop() 返回 shared_ptr 是两种常见接口风格，后者避免了对象复制且更安全。
cv.wait() 使用 Lambda 判断条件，防止虚假唤醒。
所有公共方法都通过锁保护内部队列，确保线程安全。
基本上就这些。这个实现适用于大多数多线程场景，兼顾效率与安全性。