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C++中多线程队列实现

2023-06-22 08:59:55 深夜i -- --

C++ 多线程队列实现并发编程

C++是一种高效且功能强大的编程语言，因此在多线程编程中被广泛使用。在实现多线程队列时，C++的STL库提供了许多有用的数据结构和算法，但是它们并没有直接提供多线程的支持。本文将介绍如何使用C++来实现一个多线程队列。

多线程队列是一种先进先出（FIFO）的数据结构，可以被多个线程同时访问和修改。在实现多线程队列时需要考虑到线程安全和同步的问题。最常用的实现方式是使用锁（mutex）和条件变量（condition variable）。

锁是一种机制，用于防止多个线程同时访问共享资源，例如多线程队列。在C++中，可以使用std::mutex类来实现锁。条件变量则是一种机制，用于在多线程编程中等待某个事件发生。在C++中，条件变量被实现为std::condition_variable类。

在实现多线程队列时，需要定义一个队列类，并提供以下几个基本操作：

1. push()：将一个元素添加到队列尾部。

2. pop()：从队列头部弹出一个元素。

3. empty()：判断队列是否为空。

4. size()：返回队列当前的元素个数。

在队列类中，需要定义一个std::queue成员变量来保存元素，以及一个std::mutex成员变量来保证多个线程对队列的访问是互斥的。此外，还需要定义一个std::condition_variable成员变量来处理等待和唤醒线程的事件。

下面是一个简单的多线程队列实现示例：


#include <iostream>
#include <queue>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
using namespace std;
template <typename T>
class ThreadSafeQueue {
public:
  void push(const T& t) {
    unique_lock<mutex> lock(m_mutex);
    m_queue.push(t);
    m_cv.notify_one();
  }
  bool empty() const {
    unique_lock<mutex> lock(m_mutex);
    return m_queue.empty();
  }
  int size() const {
    unique_lock<mutex> lock(m_mutex);
    return m_queue.size();
  }
  bool try_pop(T& t) {
    unique_lock<mutex> lock(m_mutex);
    if (m_queue.empty())
      return false;
    
    t = m_queue.front();
    m_queue.pop();
    return true;
  }
  void wait_and_pop(T& t) {
    unique_lock<mutex> lock(m_mutex);
    while (m_queue.empty()) {
      m_cv.wait(lock);
    }
    t = m_queue.front();
    m_queue.pop();
  }
private:
  mutable mutex m_mutex;
  queue<T> m_queue;
  condition_variable m_cv;
};

在上述多线程队列实现中，使用了三种方法：

1. push()：使用互斥锁保证多个线程对队列的访问是互斥的。如果队列为空，使用条件变量唤醒等待中的线程。

2. empty() 和 size()：使用互斥锁保证正确获取队列的元素个数和判断队列是否为空。

3. try_pop() 和 wait_and_pop()：使用互斥锁和条件变量保证线程安全和同步。wait_and_pop()在队列为空时会等待直至有新的元素进入。

在实际应用中，多线程队列可以应用于许多场景，例如消息队列、任务队列等。在使用时，需要注意的是，多线程队列应该被设计为线程安全的，并且要注意使用适当的同步方法。

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