向多线程按引用传递变量引发堆损坏的原因解析

你遇到的问题核心不是“读取i”本身，而是引用捕获循环变量导致的竞态条件，进而引发了非线程安全容器的并发修改。咱们一步步拆解：

1. 引用捕获i的问题本质 #

在你的错误示例中，lambda捕获的是i的引用（&i），而i是主线程for循环的变量——这个变量在主线程的循环中会被不断修改（从0变成1），而且线程的执行时机是不确定的：

• 当你创建第一个线程时，主线程可能还没进入下一次循环，此时i的值是0；但也有可能第一个线程还没执行到if(i==0)的判断，主线程已经把i改成1了。
• 这就会导致原本应该往vec1添加元素的线程，因为i的值被主线程修改，转而往vec2添加元素；两个线程同时对vec2执行push_back操作。

2. 为什么会触发堆损坏？ #

C++的std::vector不是线程安全的容器，当多个线程同时调用push_back时，会引发严重的竞态条件：

• push_back在需要扩容时，会重新分配内存、复制旧元素、释放旧内存，这个过程如果被多个线程同时执行，会导致内存管理混乱（比如重复释放内存、访问已经失效的内存地址），最终出现你看到的double free or corruption错误。

3. 按值捕获i为什么能解决问题？ #

当你按值捕获i时，lambda会创建一个i的副本，这个副本属于当前线程，和主线程的i完全独立：

• 第一个线程捕获的是i=0的副本，第二个线程捕获的是i=1的副本，它们各自的判断逻辑不会被主线程的循环干扰。
• 最终两个线程分别操作vec1和vec2，每个容器只有一个线程在操作，避免了并发修改的问题，也就不会触发堆损坏了。

补充：关于循环变量捕获的细节 #

在C11标准中，普通for循环的变量i是在循环外声明的，每次迭代修改它的值；而C17之后，普通for循环的i会被视为每次迭代都是新变量（类似range-based for）。不过你的gcc 5.4.0是基于C++11/14的，所以还是旧的行为，这也是引用捕获出问题的原因之一。

错误示例代码 #

#include <thread>
#include <vector>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv) {
    vector<thread> threads;
    vector<string> vec1;
    vector<string> vec2;
    for (int i = 0; i < 2; i++) {
        threads.push_back(
            thread([&vec1, &vec2, &i]() {
                for (int j = 0; j < 10; j++) {
                    const string str = "foo";
                    if (i == 0) {
                        vec1.push_back(str);
                    } else {
                        vec2.push_back(str);
                    }
                }
            })
        );
    }
    for (auto& thread : threads) {
        thread.join();
    }
    return 0;
}

错误输出 #

*** Error in `/vagrant/bin/TempFileTest': double free or corruption (fasttop): 0x00007f00240008c0 ***
======= Backtrace: =========
/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6(+0x777e5)[0x7f002a0e97e5]
/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6(+0x8037a)[0x7f002a0f237a]
/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6(cfree+0x4c)[0x7f002a0f653c]
/vagrant/bin/TempFileTest(ZNSt6vectorINSt7__cxx1112basic_stringIcSt11char_traitsIcESaIcEEESaIS5_EE19_M_emplace_back_auxIJRKS5_EEEvDpOT+0x1a3)[0x4021b3]
/vagrant/bin/TempFileTest[0x401e83]
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6(+0xb8c80)[0x7f002a70ac80]
/lib/x86_64-linux-gnu/libpthread.so.0(+0x76ba)[0x7f002a9db6ba]
/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6(clone+0x6d)[0x7f002a17941d]
======= Memory map: ========
00400000-00403000 r-xp 00000000 08:02 2622834 /vagrant/bin/TempFileTest
00602000-00603000 r--p 00002000 08:02 2622834 /vagrant/bin/TempFileTest
00603000-00604000 rw-p 00003000 08:02 2622834 /vagrant/bin/TempFileTest
02182000-021b4000 rw-p 00000000 00:00 0 [heap]
7f001c000000-7f001c021000 rw-p 00000000 00:00 0
7f001c021000-7f0020000000 ---p 00000000 00:00 0
7f0024000000-7f0024021000 rw-p 00000000 00:00 0
7f0024021000-7f0028000000 ---p 00000000 00:00 0
7f0028d67000-7f0028d68000 ---p 00000000 00:00 0
7f0028d68000-7f0029568000 rw-p 00000000 00:00 0
7f0029568000-7f0029569000 ---p 00000000 00:00 0
7f0029569000-7f0029d69000 rw-p 00000000 00:00 0
7f0029d69000-7f0029e71000 r-xp 00000000 00:32 313 /lib/x86_64-linux-gnu/libm-2.23.so
7f0029e71000-7f002a070000 ---p 00108000 00:32 313 /lib/x86_64-linux-gnu/libm-2.23.so
7f002a070000-7f002a071000 r--p 00107000 00:32 313 /lib/x86_64-linux-gnu/libm-2.23.so
7f002a071000-7f002a072000 rw-p 00108000 00:32 313 /lib/x86_64-linux-gnu/libm-2.23.so
7f002a072000-7f002a232000 r-xp 00000000 00:32 45 /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.23.so
7f002a232000-7f002a432000 ---p 001c0000 00:32 45 /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.23.so
7f002a432000-7f002a436000 r--p 001c0000 00:32 45 /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.23.so
7f002a436000-7f002a438000 rw-p 001c4000 00:32 45 /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.23.so
7f002a438000-7f002a43c000 rw-p 00000000 00:00 0
7f002a43c000-7f002a452000 r-xp 00000000 00:32 314 /lib/x86_64-linux-gnu/libgcc_s.so.1
7f002a452000-7f002a651000 ---p 00016000 00:32 314 /lib/x86_64-linux-gnu/libgcc_s.so.1
7f002a651000-7f002a652000 rw-p 00015000 00:32 314 /lib/x86_64-linux-gnu/libgcc_s.so.1
7f002a652000-7f002a7c4000 r-xp 00000000 00:32 311 /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6.0.21
7f002a7c4000-7f002a9c4000 ---p 00172000 00:32 311 /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6.0.21
7f002a9c4000-7f002a9ce000 r--p 00172000 00:32 311 /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6.0.21
7f002a9ce000-7f002a9d0000 rw-p 0017c000 00:32 311 /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6.0.21
7f002a9d0000-7f002a9d4000 rw-p 00000000 00:00 0
7f002a9d4000-7f002a9ec000 r-xp 00000000 00:32 61 /lib/x86_64-linux-gnu/libpthread-2.23.so
7f002a9ec000-7f002abeb000 ---p 00018000 00:32 61 /lib/x86_64-linux-gnu/libpthread-2.23.so
7f002abeb000-7f002abec000 r--p 00017000 00:32 61 /lib/x86_64-linux-gnu/libpthread-2.23.so
7f002abec000-7f002abed000 rw-p 00018000 00:32 61 /lib/x86_64-linux-gnu/libpthread-2.23.so
7f002abed000-7f002abf1000 rw-p 00000000 00:00 0
7f002abf1000-7f002ac17000 r-xp 00000000 00:32 42 /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.23.so
7f002adf6000-7f002adfc000 rw-p 00000000 00:00 0
7f002ae15000-7f002ae16000 rw-p 00000000 00:00 0
7f002ae16000-7f002ae17000 r--p 00025000 00:32 42 /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.23.so
7f002ae17000-7f002ae18000 rw-p 00026000 00:32 42 /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.23.so
7f002ae18000-7f002ae19000 rw-p 00000000 00:00 0
7fff30694000-7fff306b5000 rw-p 00000000 00:00 0 [stack]
7fff30761000-7fff30763000 r--p 00000000 00:00 0 [vvar]
7fff30763000-7fff30765000 r-xp 00000000 00:00 0 [vdso]
ffffffff600000-ffffffffff601000 r-xp 00000000 00:00 0 [vsyscall]
Aborted (core dumped)

正确示例代码 #

#include <thread>
#include <vector>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv) {
    vector<thread> threads;
    vector<string> vec1;
    vector<string> vec2;
    for (int i = 0; i < 2; i++) {
        threads.push_back(
            thread([&vec1, &vec2, i]() {
                for (int j = 0; j < 10; j++) {
                    const string str = "foo";
                    if (i == 0) {
                        vec1.push_back(str);
                    } else {
                        vec2.push_back(str);
                    }
                }
            })
        );
    }
    for (auto& thread : threads) {
        thread.join();
    }
    return 0;
}

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