C# 闭包捕获变量的经典问题分析

问题描述

在编写异步代码时，我们经常会遇到这样的情况：使用 for 循环创建多个异步任务，期望每个任务处理循环中的不同值，但最终输出结果却与预期不符。

错误示例

internal class CommonTestCode 
{
    public static void Print() 
    {
        for (int i = 0; i < 100; i++) 
        {
            Task.Run(() => 
            {
                DoTask(i);
            });
        }
    }

    private static void DoTask(int i)
    {
        Console.WriteLine(i);
    }
}

internal class Program 
{
    private static void Main(string[] args) 
    {
        CommonTestCode.Print();
        Console.ReadLine();
    }
}

预期输出

我们期望看到 0-99 的无序数字输出。

实际输出

3
3
100
6
8
6
6
8
13
13
13
100
100
100
...

大部分输出是 100，只有少量中间数字。

错误原因分析

1. 闭包捕获的是变量引用，而非当前值

在 C# 中，lambda 表达式（如 () => DoTask(i)）会捕获变量的引用，而不是循环当时变量的具体值。

2. for 循环变量的作用域

在 for 循环中，迭代变量 i 是在循环外部声明的。这意味着所有异步任务共享同一个 i 的引用。

3. 异步任务执行时机滞后

Task.Run 会将任务放入线程池队列等待执行，而 for 循环本身是同步执行的，速度非常快。当循环执行完成时（i 从 0 递增到 100），大部分异步任务可能还未开始执行。

当这些任务最终执行 DoTask(i) 时，它们访问的 i 引用指向的是循环结束后的值 100，因此会打印大量 100。

解决方案：捕获变量的副本

要解决这个问题，需要在循环内部创建一个局部变量副本，让每个异步任务捕获该副本的引用：

for (int i = 0; i < 100; i++) 
{
    int current = i; // 创建当前迭代的副本
    Task.Run(() => 
    {
        DoTask(current); // 捕获副本，而非原始 i
    });
}

优化后输出

优化后，每个异步任务都会捕获独立的 current 变量，其值为循环当时 i 的具体值，最终会打印出 0-99 的无序数字。

原理总结

概念	描述
闭包	捕获外部变量的匿名函数或 lambda 表达式
变量捕获	lambda 表达式捕获变量的引用，而非值
迭代变量作用域	for 循环变量在循环外部声明，所有迭代共享
异步执行	线程池任务执行时机晚于同步循环完成
解决方案	在循环内部创建局部变量副本，让每个任务捕获独立副本

C# 5.0+ 的 foreach 优化

值得注意的是，C# 5.0 对 foreach 循环进行了优化，将迭代变量的作用域调整到了循环内部。因此，在 foreach 循环中使用 lambda 表达式时，无需手动创建副本：

// C# 5.0+ 中，foreach 循环无需手动创建副本
foreach (var item in collection)
{
    Task.Run(() => DoTask(item)); // 自动捕获当前迭代的 item 值
}

但 for 循环仍保持原有行为，需要手动创建副本。

最佳实践

1. 在 for 循环中创建异步任务时，始终创建变量副本
2. 了解闭包捕获的是引用，而非值
3. 区分 for 和 foreach 循环的变量作用域差异
4. 使用 C# 7.0+ 的本地函数可以更清晰地处理变量捕获

本地函数优化方案

C# 7.0 引入了本地函数，可以更清晰地处理变量捕获：

for (int i = 0; i < 100; i++) 
{
    ProcessItem(i);

    // 本地函数，自动捕获参数的副本
    void ProcessItem(int current)
    {
        Task.Run(() => DoTask(current));
    }
}

结论

闭包变量捕获是 C# 中一个容易出错的特性，特别是在异步编程中。通过理解其工作原理，并采用正确的解决方案（创建变量副本），我们可以避免这类问题，写出更可靠的异步代码。

记住：在 for 循环中使用 lambda 表达式时，始终创建迭代变量的本地副本！