实现线程安全的环形缓冲区类，使用智能指针管理内存 -

题目

实现线程安全的环形缓冲区类，使用智能指针管理内存

信息

类型：问答
难度：⭐⭐⭐

考点

智能指针内存管理, 线程安全设计, 环形缓冲区算法, 资源所有权转移, 多线程同步

快速回答

实现要点：

使用std::unique_ptr<T[]>管理动态数组内存
通过双索引（head/tail）实现环形缓冲区逻辑
使用互斥锁（mutex）和条件变量（condition_variable）保证线程安全
正确处理缓冲区满/空时的阻塞等待
禁用拷贝构造，提供移动语义支持

## 解析

原理说明

环形缓冲区（Ring Buffer）是高效的生产者-消费者模型数据结构。使用智能指针管理内存可避免泄漏，结合线程同步机制实现安全并发访问。核心设计：

内存管理：unique_ptr<T[]>自动释放动态数组
环形逻辑：通过取模运算循环使用固定大小数组
线程同步：互斥锁保护共享状态，条件变量协调读写线程

代码示例

#include <memory>
#include <mutex>
#include <condition_variable>

template<typename T>
class ThreadSafeRingBuffer {
public:
    explicit ThreadSafeRingBuffer(size_t capacity) 
        : buffer_(std::make_unique<T[]>(capacity)), 
          capacity_(capacity) {}

    // 禁用拷贝
    ThreadSafeRingBuffer(const ThreadSafeRingBuffer&) = delete;
    ThreadSafeRingBuffer& operator=(const ThreadSafeRingBuffer&) = delete;

    // 支持移动语义
    ThreadSafeRingBuffer(ThreadSafeRingBuffer&&) = default;
    ThreadSafeRingBuffer& operator=(ThreadSafeRingBuffer&&) = default;

    void push(T item) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        not_full_.wait(lock, [this] { return count_ < capacity_; });

        buffer_[(head_ + count_) % capacity_] = std::move(item);
        ++count_;

        not_empty_.notify_one();
    }

    T pop() {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        not_empty_.wait(lock, [this] { return count_ > 0; });

        T item = std::move(buffer_[head_]);
        head_ = (head_ + 1) % capacity_;
        --count_;

        not_full_.notify_one();
        return item;
    }

private:
    std::unique_ptr<T[]> buffer_;  // 智能指针管理内存
    size_t head_ = 0;
    size_t count_ = 0;
    size_t capacity_;
    std::mutex mutex_;
    std::condition_variable not_empty_;
    std::condition_variable not_full_;
};

最佳实践

智能指针选择：优先unique_ptr明确所有权，避免shared_ptr的循环引用风险
异常安全：智能指针自动释放内存，确保异常时资源不泄漏
移动语义：支持移动构造/赋值，提升容器转移效率
条件变量使用：配合谓词防止虚假唤醒（spurious wakeup）

常见错误

错误类型	后果	解决方案
未禁用拷贝构造	多个实例共享同一内存导致UB	显式`=delete`拷贝操作
未处理缓冲区满/空	数据覆盖或读取无效值	条件变量+谓词双重检查
使用`new[]/delete[]`	异常安全风险	改用`make_unique<T[]>`
未用`std::move`	不必要的拷贝开销	移动语义优化性能