实现线程安全的队列

假设我们忽略构造、赋值、互换、拷贝，那么只剩下3组操作。

1：empty、size，用于查询队列的整体状态

2：front、back，用于查询队列中的元素

3：push、pop，用于修改队列

一些细节：

• 由于接口存在固有的条件竞争，所以需要把front和pop合并成一个函数，这个和栈容器的top、pop合并非常类似。
• 当队列用于线程间传递数据的时候，负责接收的线程通常需要等待线程压入。所以需要提供两个pop变体：
  • try_pop：试图弹出队首元素，若失败直接返回
  • wait_and_pop：试图弹出队首元素，若失败，等待到有数据可以读

#include 
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#include 
template<typename T>

class threadsafe_queue {
private:
    mutable std::mutex mtx;     // 互斥必须用mutable修饰（针对const对象，准许其数据成员发生变动）
    std::queue<T> data_queue;
    std::condition_variable data_cond;
public:
    threadsafe_queue() {}

    threadsafe_queue(threadsafe_queue const& other) {
        std::lock_guard<std::mutex> lk(other.mtx);
        data_queue = other.data_queue;
    }

    threadsafe_queue(threadsafe_queue&& other) {
        std::lock_guard<std::mutex> lk(other.mtx);
        data_queue = std::move(other.data_queue);
    }

    threadsafe_queue& operator=(threadsafe_queue const& other) {
        std::lock_guard<std::mutex> lk(mtx);
        data_queue = other.data_queue;
        return *this;
    }

    threadsafe_queue& operator=(threadsafe_queue&& other) {
        std::lock_guard<std::mutex> lk(mtx);
        data_queue = std::move(other.data_queue);
        return *this;
    }
    
    void push(T new_value) {
        std::lock_guard<std::mutex> lk(mtx);
        data_queue.push(new_value);
        data_cond.notify_one();
    }

    void wait_and_pop(T& value) {
        std::unique_lock<std::mutex> lk(mtx);
        data_cond.wait(lk,[this]{
            return !data_queue.empty();
        });
        value = data_queue.front();
        data_queue.pop();
    }

    std::shared_ptr<T> wait_and_pop() {
        std::unique_lock<std::mutex> lk(mtx);
        data_cond.wait(lk, [this] {
           return !data_queue.empty();
        });
        std::shared_ptr<T> res(std::make_shared<T>(data_queue.front()));
        data_queue.pop();
        return res;
    }

    bool try_pop(T& value) {
        std::lock_guard<std::mutex> lk(mtx);
        if (data_queue.empty()) {
            return false;
        }
        value = data_queue.front();
        data_queue.pop();
        return true;
    }

    std::shared_ptr<T> try_pop() {
        std::lock_guard<std::mutex> lk(mtx);
        if (data_queue.empty()) {
            return std::shared_ptr<T>();
        }
        std::shared_ptr<T> res(std::make_shared<T>(data_queue.front()));
        data_queue.pop();
        return res;
    }

    bool empty() const {
        std::lock_guard<std::mutex> lk(mtx);
        return data_queue.empty();
    }

    size_t size() const {
        std::lock_guard<std::mutex> lk(mtx);
        return data_queue.size();
    }
};


void producer(threadsafe_queue<int>& q) {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        q.push(i);
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
    }
}

void consumer(threadsafe_queue<int>& q) {
    int value;
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        q.wait_and_pop(value);
        std::cout << "Consumer got value: " << value << std::endl;
    }
}

int main() {
    threadsafe_queue<int> q;
    std::thread t1(producer, std::ref(q));
    std::thread t2(consumer, std::ref(q));
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

在这个示例代码中，我们定义了一个生产者函数 producer 和一个消费者函数 consumer，它们分别向 threadsafe_queue 中推入数据和从中取出数据。我们创建了一个 threadsafe_queue 对象 q，并在两个线程中分别调用 producer 和 consumer 函数。在 producer 函数中，我们向 q 中推入了 10 个整数，每个整数之间间隔 100 毫秒。在 consumer 函数中，我们从 q 中取出了 10 个整数，并输出了每个整数的值。

需要注意的是，threadsafe_queue 是一个线程安全的队列，它使用了互斥量和条件变量来保证线程安全。在使用 threadsafe_queue 时，需要注意避免死锁和竞争条件的问题。同时，为了避免拷贝和移动对象时出现问题，我们增加了移动构造、析构函数、拷贝赋值运算符、移动赋值运算符。