阻塞队列通过std::queue、std::mutex和std::condition_variable实现线程安全的生产者-消费者模型，支持队列满时生产者阻塞、队列空时消费者阻塞，利用wait与notify机制实现高效同步。
阻塞队列是实现 C++ 多线程生产者-消费者模型的核心数据结构。它允许一个或多个生产者线程向队列中添加元素，同时一个或多个消费者线程从队列中取出元素。当队列为空时，消费者线程会被阻塞，直到有新数据到来；当队列满时，生产者线程也会被阻塞，直到有空位可用。
在 C++ 中，可以通过 std::queue、std::mutex、std::condition_variable 来实现一个线程安全的阻塞队列。
基本组件说明
实现阻塞队列需要以下几个关键部分：
- std::queue<T>：用于存储数据的底层容器。
- std::mutex：保护共享队列，防止多线程竞争。
- std::condition_variable：用于线程间通信，实现“等待-通知”机制。
- 最大容量（可选）：限制队列大小，实现有界阻塞队列。
阻塞队列代码实现
下面是一个简单的有界阻塞队列实现：
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#include <queue>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <thread>
template <typename T>
class BlockingQueue {
private:
std::queue<T> data_queue_;
std::mutex mtx_;
std::condition_variable not_full_;
std::condition_variable not_empty_;
size_t max_size_;
public:
explicit BlockingQueue(size_t max_size = 1000) : max_size_(max_size) {}
void put(T item) {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx_);
// 队列满时等待
not_full_.wait(lock, [this] { return data_queue_.size() < max_size_; });
data_queue_.push(std::move(item));
not_empty_.notify_one(); // 通知消费者
}
T take() {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx_);
// 队列空时等待
not_empty_.wait(lock, [this] { return !data_queue_.empty(); });
T item = std::move(data_queue_.front());
data_queue_.pop();
not_full_.notify_one(); // 通知生产者
return item;
}
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();
}
};
生产者-消费者示例
使用上面的阻塞队列实现一个简单的生产者-消费者模型：
#include <iostream>
void producer(BlockingQueue<int>& queue) {
for (int i = 0; i < 5; ++i) {
queue.put(i);
std::cout << "Produced: " << i << "\n";
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
}
}
void consumer(BlockingQueue<int>& queue) {
for (int i = 0; i < 5; ++i) {
int value = queue.take();
std::cout << "Consumed: " << value << "\n";
}
}
int main() {
BlockingQueue<int> queue(3); // 容量为3
std::thread p1(producer, std::ref(queue));
std::thread c1(consumer, std::ref(queue));
p1.join();
c1.join();
return 0;
}
关键点总结
实现阻塞队列需要注意以下几点：
- 使用 unique_lock 配合 condition_variable 的 wait 方法，避免忙等。
- wait 的谓词应使用 lambda 表达式检查条件，防止虚假唤醒。
- 每次修改队列后，通过 notify_one 或 notify_all 唤醒等待线程。
- 考虑是否需要支持超时操作（如 put_with_timeout），可根据实际需求扩展接口。
基本上就这些。这个阻塞队列足够支撑大多数生产者-消费者场景，且线程安全、易于使用。
