用单例模式解决临界区(CRITICAL_SECTION)的使用问题

一、前言

　　最近，在项目中涉及到多线程访问临界资源的问题。为了保护临界资源，可以是使用互斥量或者是使用临界区。由于，我不需要在多进程中同步，又为了效率的考量，所以选择了使用临界区的方式。但是，在使用临界区的时候，发现了一个类是鸡生蛋蛋生鸡的问题。现将问题和自己的解决方法记录如下，如有不对之处，还请指教。

二、出现的问题

　　在项目的开发过程中，需要把视屏流输出成磁盘的文件，有时候可能有多路视频流同时需要输出到各自的文件中去。对于不同路的视频需要进行分类，不同路的视频存储在不同的目录下。于是在初始化输出文件的时候，需要设置当前目录。有多路视频的时候，每一个都需要在初始化的时候设置当前目录，于是设置的当前目录就是临界资源了。

　　下面，是我的输出视频流文件的类：

 class CAVIFile
 {
 public:
     CAVIFile();

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

     HRESULT WriteVideo(LPVOID lpBuffer, LONG cbBuffer); // 写入视频数据
     HRESULT WriteAudio(LPVOID lpBuffer, LONG cbBuffer); // 写入获取到的音频数据
     void CloseFile();

 private:
     // 一些与本内容无关的成员变量
     // ...
 };

　　可以看出，如果多个线程同时，进行多路视频的输出时，都调用OpenFile()初始化输出文件，当第一个线程设置当前目录，还没有初始化完成的时候，第二个线程也调用了OpenFile()设置了不同的当前目录，那么第一个线程的初始化的当前目录就会被覆盖。此时就需要加锁，这里选择了临界区。由于不同CAVIFile对象由不同的线程执行，而不同的CAVIFile对象设置当前目录，都会相互影响，所以不同的CAVIFile对象需要公用一个临界区。所以声明临界区为静态成员。

　　下面是加上临界区之后的代码：

 class CAVIFile
 {
 public:
     CAVIFile()
     {
         InitializeCriticalSection(&m_criticalSection); // 初始化临界区
     }
     HRESULT OpenFile(const string& strFileName, const string& strDirectoryPath)
     {
         // ....
         EnterCriticalSection(&m_criticalSection);
         SetCurrentDirectory(strDirectoryPath.c_str());
         // ...
         LeaveCriticalSection(&m_criticalSection);
         //...
     }
     // ...
 private:
     // ...
     // 整个类设置当前目录的互斥锁
     static CRITICAL_SECTION m_criticalSection;
 };
 CRITICAL_SECTION CAVIFile::m_criticalSection;

　　但是上面的代码还是有问题，那么就是每生成一个CAVIFile对象，就会InitializeCriticalSection(&m_criticalSection);一次，这是有问题的，m_criticalSection是静态成员变量，这个临界区是CAVIFile类对象共享的，每个m_criticalSection应该只需要InitializeCriticalSection(&m_criticalSection)一次，而这里会InitializeCriticalSection()多次，这样可能导致资源的泄漏（对一个CRITICAL_SECTION对象InitializeCriticalSection()多次，会出现什么样的问题，我自己没有深入研究过，这里只是猜测！！但是CRITICAL_SECTION对象正常只需要InitializeCriticalSection()操作一次）。

1.加静态变量标识是否需要InitializeCriticalSection()

　　对此这个InitializeCriticalSection(&m_criticalSection);多次的问题，我看到的一种解决方法是，加一个静态变量去标识m_criticalSection所代表的临界区是否已经InitializeCriticalSection()，如果已经InitializeCriticalSection()就不再InitializeCriticalSection()。

　　代码如下：

 class CAVIFile
 {
 public:
     CAVIFile()
     {
 6         if (m_shouldInit)
 7         {
 8             InitializeCriticalSection(&m_criticalSection); // 初始化临界区
 9             m_shouldInit = false;
10         }
     }
     HRESULT OpenFile(const string& strFileName, const string& strDirectoryPath)
     {
         // ....
         EnterCriticalSection(&m_criticalSection);
         SetCurrentDirectory(strDirectoryPath.c_str());
         // ...
         LeaveCriticalSection(&m_criticalSection);
         //...
     }
     // ...
 private:
     // ...
     // 整个类设置当前目录的互斥锁
     static CRITICAL_SECTION m_criticalSection;
     static bool m_shouldInit;
 };
 CRITICAL_SECTION CAVIFile::m_criticalSection;
 bool  CAVIFile::m_shouldInit = true;

　　这其实还是有问题的。在上面的代码中多线程可能同时访问m_shouldInit，判断是否需要InitializeCriticalSection()临界区，如果已经InitializeCriticalSection()，就不再InitializeCriticalSection()初始化临界区，这看起来是正确一样。但是仅仅是看起来。此时，当多线程访问m_shouldInit的时候，m_shouldInit也变成了临界资源了。为了保护m_shouldInit，难道我们再定义一个临界区？那么我们再次定义的临界区的只能InitializeCriticalSection(&m_criticalSection)一次的问题又出现了，我们再定义另一个静态变成去标识我们刚刚为了保护m_shouldInit定义的临界区的只一次InitializeCriticalSection()问题？此时，我们已经落入到蛋生鸡，鸡生蛋的逻辑中了。

　　明显这种解决方法是不正确的！

2、使用单例模式

　　在单例模式中，一个使用单例模式的类，只能创建一个类的对象。我突然想起，这个类只能创建一个对象，那么也就是只会调用一次构造函数。那么，我可以利用单例模式进行InitializeCriticalSection()这个临界区。

　　实现代码如下：

 class CAVIFile
 {
 public:
     // ...
     HRESULT OpenFile(const string& strFileName, const string& strDirectoryPath)
     {
         // ....
         EnterCriticalSection(&m_criticalSection);
         SetCurrentDirectory(strDirectoryPath.c_str());
         // ...
         LeaveCriticalSection(&m_criticalSection);
         //...
     }
     // ...
 private:
     //...
     // 整个类设置当前目录的互斥锁
     static CRITICAL_SECTION m_criticalSection;
 private:
     // Singleton,这个类使用单例模式，为了只初始化一次m_criticalSection
     // 饿汉式
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;

　　这里，在类内定义了一个嵌套类，而嵌套类使用了饿汉式的单例模式，自动只会构造一次，那么就只会对m_criticalSection ，InitializeCriticalSection()一次。这样就完美的解决了问题。