c++怎么实现一个阻塞队列_c++阻塞队列实现方法

答案是使用std::queue、std::mutex和std::condition_variable实现线程安全的阻塞队列，通过条件变量控制生产者和消费者在队列满或空时等待，确保多线程环境下正确同步。

在C++中实现一个阻塞队列，核心是结合线程安全的队列和条件变量来实现“阻塞”行为。当队列为空时，消费者线程自动等待；当队列满时（如果是有界队列），生产者线程也会等待。下面是一个基于标准库的简单、实用的阻塞队列实现。

使用std::queue + std::mutex + std::condition_variable

这是最常见且高效的实现方式，适用于多线程环境下的生产者-消费者模型。

#include 
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#include 
#include 
#include 

template 
class BlockingQueue {
private:
    std::queue data_queue;
    mutable std::mutex mtx;
    std::condition_variable not_empty;
    std::condition_variable not_full;
    size_t max_size;

public:
    explicit BlockingQueue(size_t max_sz = 1000) : max_size(max_sz) {}

    void put(T item) {
        std::unique_lock lock(mtx);
        not_full.wait(lock, [this] { return data_queue.size() < max_size; });
        data_queue.push(std::move(item));
        lock.unlock();
        not_empty.notify_one();
    }

    T take() {
        std::unique_lock lock(mtx);
        not_empty.wait(lock, [this] { return !data_queue.empty(); });
        T value = std::move(data_queue.front());
        data_queue.pop();
        lock.unlock();
        not_full.notify_one();
        return value;
    }

    bool empty() const {
        std::lock_guard lock(mtx);
        return data_queue.empty();
    }

    size_t size() const {
        std::lock_guard lock(mtx);
        return data_queue.size();
    }
};

关键点说明

理解每个组件的作用，才能正确使用和扩展：

• std::mutex：保护共享的队列，防止多个线程同时访问导致数据竞争。
• std::condition_variable：用于线程间通信。put 等待队列不满，take 等待队列不空。
• wait() 的谓词形式：如 not_empty.wait(lock, [&]{ return !data_queue.empty(); }); 可防止虚假唤醒。
• notify_one()：每次操作后通知一个等待线程。若高并发可考虑 notify_all()，但一般 notify_one 更高效。
• 有界 vs 无界：上面实现是有界队列（max_size 控制）。若要做无界队列，可去掉 not_full 条件和相关逻辑。

使用示例

测试阻塞队列的基本功能：

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int main() {
    BlockingQueue bq(5);

    std::thread producer([&] {
        for (int i = 0; i < 10; ++i) {
            bq.put(i);
            std::cout << "Produced: " << i << "\n";
        }
    });

    std::thread consumer([&] {
        for (int i = 0; i < 10; ++i) {
            int val = bq.take();
            std::cout << "Consumed: " << val << "\n";
        }
    });

    producer.join();
    consumer.join();

    return 0;
}

注意事项

实际使用中需注意以下几点：

• 模板类型 T 最好支持移动语义，避免拷贝开销。
• 若需线程安全的关闭机制（如停止标志），可额外添加 shutdown 标志和对应的 condition_variable 通知。
• 不要在持有锁的过程中做耗时操作，比如上面的 unlock() 后再 notify，虽然标准允许在锁内 notify，但先解锁更清晰。
• 异常安全：push 和 emplace 可能抛异常，确保资源管理正确。