C++11 线程安全消息总线: 从零实现 Pub/Sub 模型

消息总线（Message Bus）作为一种重要的通信模式，被应用于解耦系统中的组件，实现异步通信和事件驱动架构。本文介绍如何使用 C++11 实现一个基于 mutex 保护的消息总线。

完整代码: message_bus

1. 设计方案

1.1 核心数据结构

#include <functional>
#include <cstdint>
#include <map>
#include <vector>
#include <list>
#include <mutex>
#include <string>

typedef std::function<void(const std::string& param1, int param2)> Callback_t;
typedef std::function<void()> TimeOutCallback_t;

enum class CallbackType_t {
    ALWAYS = 0,
    ONCE
};

struct CallbackItem_t {
    Callback_t callback = nullptr;
    TimeOutCallback_t timeOutCallback = nullptr;
    uint32_t timeoutInterval = 1000;    // milliseconds
    uint64_t timeoutStamp = 0;          // milliseconds (与 timeoutInterval 统一单位)
    std::vector<int> msgNumVec;
    CallbackType_t callbackType = CallbackType_t::ALWAYS;
};

注: 原始版本中 timeoutInterval 单位为 ms，timeoutStamp 单位为 us，容易引发换算 bug。此处统一为 ms。

1.2 MessageBus 类

class MessageBus {
public:
    // C++11 保证局部静态变量初始化是线程安全的 (Magic Statics)
    static MessageBus& instance() {
        static MessageBus ins;
        return ins;
    }

    void publish(int msg, const std::string& param1, int param2 = 0);
    void timeOutCheck();
    bool subscribe(const CallbackItem_t& item);
    void reset();
    void stop();
    void start();

private:
    MessageBus() = default;
    MessageBus(const MessageBus&) = delete;
    MessageBus& operator=(const MessageBus&) = delete;

    std::mutex mutex_;
    // 内部使用 mutex_ 保护订阅表的读写
};

注: publish 和 subscribe 的参数改为 const& 传递，避免不必要的 std::string 和 CallbackItem_t 拷贝。

1.3 核心特性

• 单例模式，全局唯一消息总线实例（C++11 Magic Statics 保证线程安全初始化）
• 支持一次性 (ONCE) 和持久 (ALWAYS) 两种订阅模式
• 内置超时检测机制
• 线程安全（std::mutex 保护订阅表读写）

注: publish 内部持有 std::mutex，属于阻塞式互斥。对于需要真正无锁发布的场景，请参考 mccc-bus 的 Lock-free MPSC 实现。

2. 优缺点分析

优点：

• 解耦发布者和订阅者
• 支持超时回调机制
• 接口简洁，易于集成

缺点：

• 使用 std::function 和 std::map，存在堆分配
• publish 持有 mutex，高频发布场景下存在锁竞争
• 全局单例模式，不适合多总线场景
• 缺少优先级和背压控制

（完整实现请参阅代码仓库）

原文链接: CSDN 代码仓库: Gitee