实现阻塞队列

题目描述
阻塞队列是一种特殊的队列，当队列为空时，从队列获取元素的操作会被阻塞，直到队列中有新元素；当队列已满时，向队列添加元素的操作会被阻塞，直到队列中有空闲位置。请实现一个线程安全的阻塞队列。

知识背景
阻塞队列是多线程编程中的重要同步工具，常用于生产者-消费者模型。它通过内部的条件变量和互斥锁来实现线程间的协调。

实现步骤

1. 基本结构设计
   我们需要一个队列容器（如数组或链表）、一个互斥锁（保证线程安全）和两个条件变量（分别对应队列空和队列满的条件）。

2. 核心操作分析

• put(element)：向队列添加元素。如果队列已满，则阻塞调用线程直到有空位。
• take()：从队列取出元素。如果队列为空，则阻塞调用线程直到有新元素。

3. 详细实现过程

步骤1：定义类成员

#include <queue>
#include <mutex>
#include <condition_variable>

template<typename T>
class BlockingQueue {
private:
    std::queue<T> queue_;          // 底层队列容器
    std::mutex mutex_;             // 互斥锁
    std::condition_variable not_empty_;  // 非空条件变量
    std::condition_variable not_full_;   // 非满条件变量
    size_t capacity_;              // 队列容量

这里使用标准库的queue作为底层容器，通过mutex实现互斥访问，两个condition_variable分别用于等待非空和非满条件。

步骤2：构造函数初始化

public:
    explicit BlockingQueue(size_t capacity) : capacity_(capacity) {}

构造函数接收一个容量参数，用于指定队列的最大长度。

步骤3：实现put方法

    void put(const T& item) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        
        // 等待队列非满（条件变量的标准用法：循环检查防止虚假唤醒）
        not_full_.wait(lock, [this]() { 
            return queue_.size() < capacity_; 
        });
        
        queue_.push(item);          // 添加元素到队列
        not_empty_.notify_one();    // 通知可能等待的消费者
    }

• 获取互斥锁后，检查队列是否已满
• 如果已满，则通过wait释放锁并阻塞，直到被其他线程唤醒
• 添加元素后，通过notify_one唤醒一个可能等待的消费者线程

步骤4：实现take方法

    T take() {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        
        // 等待队列非空
        not_empty_.wait(lock, [this]() { 
            return !queue_.empty(); 
        });
        
        T item = queue_.front();    // 获取队首元素
        queue_.pop();               // 移除队首元素
        not_full_.notify_one();     // 通知可能等待的生产者
        return item;
    }

• 与put方法对称，先等待队列非空
• 取出元素后通知可能阻塞的生产者线程

步骤5：可选辅助方法

    bool empty() const {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
        return queue_.empty();
    }
    
    size_t size() const {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
        return queue_.size();
    }

这些辅助方法也需要加锁保证线程安全。

关键要点

1. 条件变量使用模式：总是使用while循环（或lambda表达式）检查条件，防止虚假唤醒
2. RAII锁管理：使用unique_lock自动管理锁的获取和释放
3. 通知时机：在改变条件状态后立即通知等待的线程
4. 异常安全：确保在异常情况下锁能被正确释放

这个实现提供了阻塞队列的核心功能，可以安全地在多线程环境下使用，是理解线程同步的经典案例。