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非同步匿名函數捕捉區域變數的陷阱與三種解決策略

編輯：關於.NET

經典 Bug：迴圈變數在多執行緒中「同步」失效

看看這段看似合理的程式碼：

static void Main(string[] args) {
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        Thread t = new Thread(delegate() {
            Thread.Sleep(new Random().Next(1, 10000));
            Console.Write(i + ", ");
        });
        t.Start();
    }
}

預期輸出應是 0~9 的隨機順序，實際卻全印出 10, 10, 10...。原因在於匿名委派捕捉的是 i 的參考，而非當下的值。當執行緒真正跑起來時，迴圈早已結束，i 變成了 10。

編譯器視角：閉包與自動產生類別

用 Reflector 看編譯後的 IL 就一目瞭然：編譯器會產生一個「顯示類別」來封裝被捕捉的區域變數，匿名方法實際上存取的是這個類別的欄位。所有執行緒共享同一個顯示類別實例，自然看到同一個最終值。

編譯前後對比

解決方案一：縮小變數作用域（建立新的捕捉上下文）

在迴圈內部宣告區域變數 j，每次迭代都會建立新的顯示類別實例，j 的值被複製進去：

for (int i = 0; i < 10; i++) {
    int j = i; // 每次迭代新建 j
    Thread t = new Thread(delegate() {
        Thread.Sleep(new Random().Next(1, 10000));
        Console.Write(j + ", ");
    });
    t.Start();
}

方案一示意圖

輸出即為預期的亂序 0~9。缺點是意圖不明顯，建議加註解警告維護者勿動。

解決方案二：透過參數傳值（切斷閉包鏈結）

利用 Thread.Start(object) 或 ThreadPool.QueueUserWorkItem 將值當參數傳入，匿名函數只用參數 arg：

ThreadPool.QueueUserWorkItem(delegate(object arg) {
    Thread.Sleep(new Random().Next(1, 1000));
    Console.Write(arg + ", ");
}, i);

方案二示意圖

參數在呼叫時壓入堆疊，與外部變數完全無關，同樣能得到正確結果。

解決方案三：共享可變狀態配合同步（Queue 模式）

若需保證處理順序（如 Boss 要求輸出 0,1,2...9），必須讓執行緒共享一個 Queue<int> 並加鎖：

Queue<int> q = new Queue<int>();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    q.Enqueue(i);
    Thread t = new Thread(delegate() {
        Thread.Sleep(new Random().Next(1, 10000));
        lock (q) {
            if (q.Count > 0)
                Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.Name + ": do " + q.Dequeue());
        }
    });
    t.Name = "線程" + i;
    t.Start();
}

輸出會依序列出 0~9，但因鎖競爭降低平行度。也可將 Queue 當參數傳入避免閉包。

Queue 同步輸出範例