std::thread默认引用捕获引发未定义行为的原因解析

先看出现问题的代码：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <thread>

int main()
{
    std::vector<std::thread> threads;

    for (int i = 0; i < 3; i++)
    {
        threads.emplace_back([&](){
          std::cout<<"wrong value of i = "<<i<<std::endl;
        });
    }

    for (auto &thread : threads)
    {
        thread.join();
    }

    return 0;
}

问题根源：引用捕获循环变量导致的未定义行为 #

这段代码的核心问题是lambda通过引用捕获了循环变量i：

• [&]表示引用捕获所有外部变量，lambda内部保存的是i的内存地址，而非创建线程时i的具体数值。
• 主线程的循环会持续修改i的值：从0递增到1、2，最后循环结束时i会变成3（因为i<3的条件不满足时，i已经自增到3）。
• 子线程的执行时机是不确定的——可能在主线程还在循环时执行，也可能在循环结束后才启动。当子线程执行lambda访问i时，读取的是该内存地址的当前值，而非创建线程时的i快照，因此会打印出错误的结果（比如多次输出3，或者混合输出1、2、3等），这属于C++中的未定义行为。

为什么[&,i]能正常运行？ #

[&,i]的捕获规则是：默认对外部变量使用引用捕获，但显式指定i按值捕获。

• 按值捕获时，lambda会在创建线程的瞬间，复制一份当前i的数值作为自己的内部变量。
• 后续主线程修改原i的值，完全不会影响lambda内部的i副本。每个子线程的lambda都持有各自创建时的i副本，因此能正确打印0、1、2这三个预期值。

额外补充：如果使用C++11及以后的范围for循环（如for (int i : {0,1,2})），循环变量i在每次迭代中都是全新的变量，此时用引用捕获也不会出现问题，但传统for循环中的i是同一个变量贯穿整个循环，必须按值捕获才能避免未定义行为。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者SolidMechanicsFan