用單例模式解決臨界區(CRITICAL_SECTION)的使用問題

一、前言

　　最近，在項目中涉及到多線程訪問臨界資源的問題。為了保護臨界資源，可以是使用互斥量或者是使用臨界區。由於，我不需要在多進程中同步，又為了效率的考量，所以選擇了使用臨界區的方式。但是，在使用臨界區的時候，發現了一個類是雞生蛋蛋生雞的問題。現將問題和自己的解決方法記錄如下，如有不對之處，還請指教。

二、出現的問題

　　在項目的開發過程中，需要把視屏流輸出成磁盤的文件，有時候可能有多路視頻流同時需要輸出到各自的文件中去。對於不同路的視頻需要進行分類，不同路的視頻存儲在不同的目錄下。於是在初始化輸出文件的時候，需要設置當前目錄。有多路視頻的時候，每一個都需要在初始化的時候設置當前目錄，於是設置的當前目錄就是臨界資源了。

　　下面，是我的輸出視頻流文件的類：

class CAVIFile
{
public:
    CAVIFile();

    HRESULT OpenFile(const string& strFileName, const string& strDirectoryPath)
    {
        // ....
        SetCurrentDirectory(strDirectoryPath.c_str());
        // ...
    }

    HRESULT WriteVideo(LPVOID lpBuffer, LONG cbBuffer); // 寫入視頻數據
    HRESULT WriteAudio(LPVOID lpBuffer, LONG cbBuffer); // 寫入獲取到的音頻數據
    void CloseFile();

private:
    // 一些與本內容無關的成員變量
    // ...
};

　　可以看出，如果多個線程同時，進行多路視頻的輸出時，都調用OpenFile()初始化輸出文件，當第一個線程設置當前目錄，還沒有初始化完成的時候，第二個線程也調用了OpenFile()設置了不同的當前目錄，那么第一個線程的初始化的當前目錄就會被覆蓋。此時就需要加鎖，這里選擇了臨界區。由於不同CAVIFile對象由不同的線程執行，而不同的CAVIFile對象設置當前目錄，都會相互影響，所以不同的CAVIFile對象需要公用一個臨界區。所以聲明臨界區為靜態成員。

　　下面是加上臨界區之后的代碼：

class CAVIFile
{
public:
    CAVIFile()
    {
        InitializeCriticalSection(&m_criticalSection); // 初始化臨界區  
    }
    HRESULT OpenFile(const string& strFileName, const string& strDirectoryPath)
    {
        // ....
        EnterCriticalSection(&m_criticalSection);
        SetCurrentDirectory(strDirectoryPath.c_str());
        // ...
        LeaveCriticalSection(&m_criticalSection);
        //...
    }
    // ...
private:
    // ...
    // 整個類設置當前目錄的互斥鎖
    static CRITICAL_SECTION m_criticalSection;
};
CRITICAL_SECTION CAVIFile::m_criticalSection;

　　但是上面的代碼還是有問題，那么就是每生成一個CAVIFile對象，就會InitializeCriticalSection(&m_criticalSection);一次，這是有問題的，m_criticalSection是靜態成員變量，這個臨界區是CAVIFile類對象共享的，每個m_criticalSection應該只需要InitializeCriticalSection(&m_criticalSection)一次，而這里會InitializeCriticalSection()多次，這樣可能導致資源的泄漏（對一個CRITICAL_SECTION對象InitializeCriticalSection()多次，會出現什么樣的問題，我自己沒有深入研究過，這里只是猜測！！但是CRITICAL_SECTION對象正常只需要InitializeCriticalSection()操作一次）。

1.加靜態變量標識是否需要InitializeCriticalSection()

　　對此這個InitializeCriticalSection(&m_criticalSection);多次的問題，我看到的一種解決方法是，加一個靜態變量去標識m_criticalSection所代表的臨界區是否已經InitializeCriticalSection()，如果已經InitializeCriticalSection()就不再InitializeCriticalSection()。

　　代碼如下：

class CAVIFile
{
public:
    CAVIFile()
    {
 6         if (m_shouldInit)
 7         {
 8             InitializeCriticalSection(&m_criticalSection); // 初始化臨界區
 9             m_shouldInit = false;
10  }     
    }
    HRESULT OpenFile(const string& strFileName, const string& strDirectoryPath)
    {
        // ....
        EnterCriticalSection(&m_criticalSection);
        SetCurrentDirectory(strDirectoryPath.c_str());
        // ...
        LeaveCriticalSection(&m_criticalSection);
        //...
    }
    // ...
private:
    // ...
    // 整個類設置當前目錄的互斥鎖
    static CRITICAL_SECTION m_criticalSection;
    static bool m_shouldInit;
};
CRITICAL_SECTION CAVIFile::m_criticalSection;
bool  CAVIFile::m_shouldInit = true;

 

　　這其實還是有問題的。在上面的代碼中多線程可能同時訪問m_shouldInit，判斷是否需要InitializeCriticalSection()臨界區，如果已經InitializeCriticalSection()，就不再InitializeCriticalSection()初始化臨界區，這看起來是正確一樣。但是僅僅是看起來。此時，當多線程訪問m_shouldInit的時候，m_shouldInit也變成了臨界資源了。為了保護m_shouldInit，難道我們再定義一個臨界區？那么我們再次定義的臨界區的只能InitializeCriticalSection(&m_criticalSection)一次的問題又出現了，我們再定義另一個靜態變成去標識我們剛剛為了保護m_shouldInit定義的臨界區的只一次InitializeCriticalSection()問題？此時，我們已經落入到蛋生雞，雞生蛋的邏輯中了。

　　明顯這種解決方法是不正確的！

2、使用單例模式

　　在單例模式中，一個使用單例模式的類，只能創建一個類的對象。我突然想起，這個類只能創建一個對象，那么也就是只會調用一次構造函數。那么，我可以利用單例模式進行InitializeCriticalSection()這個臨界區。

　　實現代碼如下：

class CAVIFile
{
public:
    // ...
    HRESULT OpenFile(const string& strFileName, const string& strDirectoryPath)
    {
        // ....
        EnterCriticalSection(&m_criticalSection);
        SetCurrentDirectory(strDirectoryPath.c_str());
        // ...
        LeaveCriticalSection(&m_criticalSection);
        //...
    }
    // ...
private:
    //...
    // 整個類設置當前目錄的互斥鎖
    static CRITICAL_SECTION m_criticalSection;
private:
    // Singleton,這個類使用單例模式，為了只初始化一次m_criticalSection
    // 餓漢式
22     class Singleton
23     {
24     private:
25         Singleton() { InitializeCriticalSection(&m_criticalSection); }
26         Singleton(const Singleton& other);
27         Singleton& operator=(const Singleton& other);
28 
29         static Singleton m_Singleton;
30     };
31     friend class Singleton;
};
CRITICAL_SECTION CAVIFile::m_criticalSection;
CAVIFile::Singleton CAVIFile::Singleton::m_Singleton;

　　這里，在類內定義了一個嵌套類，而嵌套類使用了餓漢式的單例模式，自動只會構造一次，那么就只會對m_criticalSection ，InitializeCriticalSection()一次。這樣就完美的解決了問題。