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C++多线程队列（Queue）

2023-07-05 12:22:09 深夜i -- --

C++ 多线程队列线程安全生产者消费者模型

在多线程编程中，队列是一种常用的数据结构。C++中标准库中自带了队列（queue）容器，但是该容器是线程不安全的。这意味着如果多个线程同时访问队列，可能会导致数据竞争和错误结果。为了解决这个问题，我们需要使用线程安全的队列（thread-safe queue）来提供安全的数据共享。

C++中实现线程安全队列的方法有很多，最常见的方法是使用互斥锁（mutex）和条件变量（condition variable）。在队列的Push和Pop操作中，我们使用互斥锁来保证各线程的互斥性，条件变量来通知线程有新的数据可以处理。具体地，队列中的Push操作中，首先获取互斥锁，然后插入元素，最后通知条件变量，唤醒等待中的线程；而队列中的Pop操作中，首先获取互斥锁，然后弹出元素，最后判断队列是否为空，如果为空，则等待条件变量的通知。

这里是使用互斥锁和条件变量实现的一个线程安全队列的示例：


template<typename T>
class thread_safe_queue{
private:
 mutable std::mutex mut;
 std::queue<T> data_queue;
 std::condition_variable data_cond;
public:
 thread_safe_queue(){}
 void push(T new_value){
  std::lock_guard<std::mutex> lk(mut); // 获取互斥锁
  data_queue.push(std::move(new_value));
  data_cond.notify_one(); // 通知条件变量
 }
 void wait_and_pop(T& value){
  std::unique_lock<std::mutex> lk(mut); // 获取互斥锁
  data_cond.wait(lk,[this]{return !data_queue.empty();}); // 等待条件变量
  value=std::move(data_queue.front());
  data_queue.pop();
 }
 std::shared_ptr<T> wait_and_pop(){
  std::unique_lock<std::mutex> lk(mut); // 获取互斥锁
  data_cond.wait(lk,[this]{return !data_queue.empty();}); // 等待条件变量
  std::shared_ptr<T> res(std::make_shared<T>(std::move(data_queue.front())));
  data_queue.pop();
  return res;
 }
 bool try_pop(T& value){
  std::lock_guard<std::mutex> lk(mut); // 获取互斥锁
  if(data_queue.empty())
   return false;
  value=std::move(data_queue.front());
  data_queue.pop();
  return true;
 }
 std::shared_ptr<T> try_pop(){
  std::lock_guard<std::mutex> lk(mut); // 获取互斥锁
  if(data_queue.empty())
   return std::shared_ptr<T>();
  std::shared_ptr<T> res(std::make_shared<T>(std::move(data_queue.front())));
  data_queue.pop();
  return res;
 }
 bool empty() const{
  std::lock_guard<std::mutex> lk(mut);
  return data_queue.empty();
 }
};

该实现提供了一些不同类型的Pop操作：wait_and_pop会等待直到队列中出现新的数据；try_pop会立即返回，如果队列为空，则返回false。同时，还提供了empty操作用来检查队列是否为空。

当多个线程同时访问该队列时，数据会被自动保护，从而避免了数据竞争和错误。

在使用时，需要注意实现的类型是泛型的，即可以适用于任何类型的数据，例如：


thread_safe_queue<int> my_queue;
my_queue.push(42);
int value;
my_queue.wait_and_pop(value);
std::shared_ptr<int> ptr=my_queue.try_pop();

总之，线程安全队列是多线程编程中非常重要的一种数据结构。使用C++中的互斥锁和条件变量，可以很容易地实现线程安全队列，并且可以适用于任何类型的数据。为了保证程序的正确性和效率，在设计多线程程序时，我们应该优先考虑线程安全队列的使用。

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