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C++队列线程安全实现

2023-07-11 08:32:23 深夜i -- --

C++ 队列线程安全实现

C++队列是常用的数据结构之一，在多线程编程中也经常会被使用。但是，由于多线程的特性，队列的操作可能会出现线程安全问题，例如竞态条件、内存泄漏等。因此，在使用C++队列时，我们需要注意线程安全问题，并实现正确的线程安全机制。

实现线程安全队列的常用方法是使用互斥锁和条件变量。互斥锁可以确保同一时间只有一个线程可以访问队列，从而避免竞态条件的问题。条件变量用于通知等待中的线程有新的元素可供取用，从而避免空闲线程的浪费。下面是一个基于互斥锁和条件变量的线程安全队列的实现：


#include <queue>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
template<typename T>
class ThreadSafeQueue {
public:
  ThreadSafeQueue() {}
  void push(T value) {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(m_mutex);
    m_queue.push(value);
    m_cond.notify_one();
  }
  bool tryPop(T& value) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(m_mutex);
    if (m_queue.empty())
      return false;
    
    value = m_queue.front();
    m_queue.pop();
    return true;
  }
  void waitAndPop(T& value) {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(m_mutex);
    m_cond.wait(lock, [this](){ return !m_queue.empty(); });
    value = m_queue.front();
    m_queue.pop();
  }
  bool empty() const {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(m_mutex);
    return m_queue.empty();
  }
private:
  std::queue<T> m_queue;
  mutable std::mutex m_mutex;
  std::condition_variable m_cond;
};

该线程安全队列使用了三个成员变量：一个std::queue用于存储元素，一个std::mutex用于保护队列，一个std::condition_variable用于在队列不为空时通知等待线程。push()函数实现元素的插入操作，并通过notify_one()通知等待中的线程。tryPop()函数实现元素的取出操作，如果队列为空则返回false。waitAndPop()函数则在队列为空时进入等待状态，并通过lambda表达式判断队列是否已经有元素。empty()函数则用于查询队列是否为空。

在使用该线程安全队列时，我们可以直接使用push()、tryPop()、waitAndPop()、empty()这四个函数进行操作，而不需要再关注线程安全问题。

总而言之，线程安全队列是一个非常常用的数据结构，在多线程编程中经常会被使用。借助互斥锁和条件变量，实现线程安全队列是比较容易的，而且代码中的操作和普通队列相似，使用起来也比较方便。

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