C++并发数据结构实战指南（从零构建线程安全队列）

为什么需要线程安全队列？

在生产者-消费者模型中，多个线程（生产者）向队列中添加任务，而其他线程（消费者）从中取出任务执行。如果使用普通 std::queue，在没有同步机制的情况下，多个线程同时操作会导致未定义行为。

因此，我们需要一个 线程安全队列 —— 它能自动处理同步问题，让开发者无需手动加锁。

实现一个简单的线程安全队列

下面我们将使用 C++11 标准库中的 std::mutex 和 std::condition_variable 来实现一个基础但功能完整的线程安全队列。

#include <queue>#include <mutex>#include <condition_variable>template<typename T>class ThreadSafeQueue {private:    mutable std::mutex              mut;    std::queue<T>                   data_queue;    std::condition_variable         data_cond;public:    ThreadSafeQueue() = default;    void push(T new_value) {        std::lock_guard<std::mutex> lk(mut);        data_queue.push(std::move(new_value));        data_cond.notify_one();    }    void wait_and_pop(T& value) {        std::unique_lock<std::mutex> lk(mut);        data_cond.wait(lk, [this] { return !data_queue.empty(); });        value = std::move(data_queue.front());        data_queue.pop();    }    std::shared_ptr<T> wait_and_pop() {        std::unique_lock<std::mutex> lk(mut);        data_cond.wait(lk, [this] { return !data_queue.empty(); });        auto 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);        if (data_queue.empty())            return false;        value = std::move(data_queue.front());        data_queue.pop();        return true;    }    std::shared_ptr<T> try_pop() {        std::lockeguard<std::mutex> lk(mut);        if (data_queue.empty())            return std::shared_ptr<T>();        auto 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();    }};

这段代码展示了如何封装 std::queue，通过互斥锁（mutex）保护内部数据，并使用条件变量（condition_variable）实现阻塞式等待。这是 C++并发数据结构 中的经典模式。

进阶：无锁数据结构简介

虽然基于锁的并发数据结构简单易懂，但在高并发场景下可能成为性能瓶颈。此时，我们可以考虑 无锁数据结构（Lock-Free Data Structures），它们利用原子操作（如 std::atomic）和 CAS（Compare-And-Swap）指令实现线程安全，避免了锁带来的上下文切换开销。

不过，无锁编程复杂度极高，容易出错，通常只在对性能要求极高的系统中使用。对于大多数应用，基于互斥锁的线程安全队列已经足够高效且稳定。

总结

通过本教程，你已经学会了：

• 什么是 C++并发数据结构 及其重要性
• 如何实现一个线程安全队列
• C++多线程编程 中的关键同步原语（mutex、condition_variable）
• 了解了 无锁数据结构 的概念与适用场景

掌握这些知识后，你就能自信地在多线程项目中使用安全、高效的并发数据结构了！继续深入学习，你将能构建更复杂的并发系统。

关键词回顾：C++并发数据结构、线程安全队列、C++多线程编程、无锁数据结构。