c++如何使用condition_variable实现生产者消费者模型_c++线程同步

穿越時空 2026-01-15 00:00:00 次阅读

使用std::condition_variable实现生产者消费者模型，需结合互斥锁保护共享缓冲区，通过条件变量在缓冲区满或空时阻塞线程，并在状态变化时通知等待线程。

在C++中使用std::condition_variable实现生产者消费者模型，是一种典型的线程同步问题。核心目标是让生产者线程在缓冲区满时等待，消费者线程在缓冲区空时等待，通过条件变量和互斥锁配合完成安全的资源访问与通知机制。

基本组件准备

要实现该模型，需要以下几个关键元素：

std::mutex：保护共享缓冲区，防止数据竞争。
std::condition_variable：用于线程间通信，通知对方状态变化。
std::queue 或其他容器：作为共享任务缓冲区。
生产者线程函数：向队列添加数据，并通知消费者。
消费者线程函数：从队列取出数据，若为空则等待。

代码实现示例

下面是一个使用固定大小缓冲区的简单实现：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

std::queue buffer;
std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
const int MAX_SIZE = 5;

void producer(int id) {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        std::unique_lock lock(mtx);
        cv.wait(lock, [](){ return buffer.size() < MAX_SIZE; });

        buffer.push(i);
        std::cout << "Producer " << id << " produced: " << i << "\n";

        lock.unlock();
        cv.notify_all(); // 通知所有等待的消费者
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
    }
}

void consumer(int id) {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        std::unique_lock lock(mtx);
        cv.wait(lock, [](){ return !buffer.empty(); });

        int value = buffer.front();
        buffer.pop();
        std::cout << "Consumer " << id << " consumed: " << value << "\n";

        lock.unlock();
        cv.notify_all(); // 通知生产者可以继续生产
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(150));
    }
}

主函数启动多个生产者和消费者线程：

int main() {
    std::thread p1(producer, 1);
    std::thread p2(producer, 2);
    std::thread c1(consumer, 1);
    std::thread c2(consumer, 2);

    p1.join();
    p2.join();
    c1.join();
    c2.join();

    return 0;
}

关键点说明

使用condition_variable时需要注意以下几点：

必须配合unique_lock使用：wait()、notify_one()、notify_all()都要求传入std::unique_lock<:mutex>。
使用lambda判断条件：避免虚假唤醒，将条件判断写在wait()的第二个参数中。
及时通知对方：每次修改共享状态后调用notify_all()或notify_one()，确保等待线程能被唤醒。