①thread之可连接和分离的线程 | Joinable and Detached Threads

介绍

默认情况下，创建的线程即是可连接的（或可结合的，joinable）。这意味着我们可以使用pthread_join()函数在任何其它线程中等待它（可连接线程）的终止：

#include <pthread.h>
int pthread_join(
    pthread_t thread,  //thread to join
    void **value_ptr   //store value returned by thread
);

这个函数将阻塞调用线程，直到目标线程thread终止。当value_ptr非空时，其中将包含着由thread线程返回的信息。在我们的文章POSIX线程参数传递 | Pthreads argument passing中看到了如何使用pthread_join()函数。被释放的内存空间仅仅是系统空间，你必须手动清除程序分配的空间，比如 malloc() 分配的空间。一个线程只能被一个线程所连接，被连接的线程必须是非分离的，否则连接会出错。所以可以看出pthread_join()有两种作用：

1.用于等待其他线程结束：当调用 pthread_join() 时，当前线程会处于阻塞状态，直到被调用的线程结束后，当前线程才会重新开始执行。

2.对线程的资源进行回收：如果一个线程是非分离的（默认情况下创建的线程都是非分离）并且没有对该线程使用 pthread_join() 的话，该线程结束后并不会释放其内存空间，这会导致该线程变成了“僵尸线程”。

可连接的线程及其结果

一个线程在我们连接（join）它之前可能就已经终止了。结果是，当一个线程是可连接时，POSIX线程系统必须保持、维护某些信息：至少是该线程的ID和返回值（the returned value）[1]。的确，正在等待连接该线程的线程是需要这些信息的。
实际上，POSIX线程系统也可保持和可连接线程相关的其它资源信息，比如线程的栈。从POSIX的角度来看，这是完全合法的。事实上，pthread_join()保证回收与已连接线程的任何存储空间。

Pthreads的内部实现

维护整个线程的栈可能仅仅几个字节被确切需要，这看起来像是对系统资源的极大浪费（在一个64位的架构上，线程ID和返回值信息加起来一般也只需要16个字节）。然而，一些Pthreads实现使用这种可能性来简化和优化线程管理。实际上，线程实现需要存储和管理每个线程特有的属性，比如：

线程ID，线程属性，起始入口函数，参数及返回值；
线程的调度策略和优先级；
信号掩码，备用信号栈；
用于取消、清理缓存的标志；
用于线程私有数据的键；
错误编号；
... ...

让我们称线程的这种管理存储为线程控制块（the Thread Control Block, TCB）。一种常见的技术是一次性分配堆栈和TCB（比如使用单次mmap()调用），并把TCB放在栈的开始位置处[2]。

在这样类似的架构上，我们不能在没有回收TCB的情况下回收整个栈。这就是问题的关键所在：对于连接操作所需要的信息是TCB的一部分，因此整个栈空间都需要被维持。众所周知，在Linux、AIX、Sloaris等的Pthreads的实现中都采用这种技术。

分离线程

那当我的线程不返回任何有用的信息，并且我不必等待它的完成时，我该怎么办？仅仅为了清理的意图，无论如何还是得必须调用pthrad_join()吗？
幸运的是，不必这样做。Pthreads提供了一种机制告诉管理系统：我正在开启这个线程，但我对连接它并没有兴趣；一旦该线程结束，请为我执行清理动作。这个操作叫做分离一个线程。我们可以按照如下方法分离一个线程：

在线程的创建期间，采用detachstate线程属性
在任何线程处调用pthread_detach()函数

让我们先看一下第二种形式，也是最简单的：

#include <pthread.h>
int pthread_detach(
    pthread_t thread  //thread to detach
);

函数pthread_detach()可以被任何线程调用，特别是从线程内分离（即自家线程调用，通过pthread_self() API可以获得它自己的线程ID）。
要想以分离状态创建一个线程，我们可以通过pthread_attr_setdetachstate()函数设置detachstate线程属性为PTHREAD_CREATE_DETACHED。如下所示：

#include <pthread.h>
#
pthread_t      tid;  // thread ID
pthread_attr_t attr; // thread attribute
#
// set thread detachstate attribute to DETACHED
pthread_attr_init(&attr);
pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
#
// create the thread 
pthread_create(&tid, &attr, start_routine, arg);
...

下述程序阐明了分离一个线程的两种方法。

/*------------------------------- join_01.c --------------------------------*
On Linux, compile with: 
cc -std=c99 -pthread join_01.c -o join_01 
 #
Check your system documentation how to enable C99 and POSIX threads on 
other Un*x systems.
 #
Copyright Loic Domaigne. 
Licensed under the Apache License, Version 2.0.
*--------------------------------------------------------------------------*/
 #
#include <unistd.h>  // sleep()
#include <pthread.h> 
#include <stdio.h>   
#include <stdlib.h>  // EXIT_SUCCESS
#include <string.h>  // strerror() 
#include <errno.h>
 #
/***************************************************************************/
/* our macro for errors checking                                           */
/***************************************************************************/
#define COND_CHECK(func, cond, retv, errv) 
if ( (cond) ) 
{ 
   fprintf(stderr, "
[CHECK FAILED at %s:%d]
| %s(...)=%d (%s)

",
              __FILE__,__LINE__,func,retv,strerror(errv)); 
   exit(EXIT_FAILURE); 
}
 #
#define ErrnoCheck(func,cond,retv)  COND_CHECK(func, cond, retv, errno)
#define PthreadCheck(func,rc) COND_CHECK(func,(rc!=0), rc, rc)
 #
/*****************************************************************************/
/* thread- dummy thread                                                      */
/*****************************************************************************/
void*
thread(void* ignore)
{
   sleep(1);
   return NULL;
}
 #
/*****************************************************************************/
/* detach_state. Print detachstate of a thread.                              */
/*****************************************************************************/
/* 
 * We find out indirectly if a thread is detached using pthread_join().  
 * If a thread is detached, then pthread_join() fails with EINVAL. 
 * Otherwise the thread is joined, and hence was joinable. 
 *
 */
void
detach_state(
   pthread_t   tid,  // thread to check detach status
   const char *tname // thread name
   )
{
   int rc; // return code
 #
   rc = pthread_join(tid, NULL);
   if ( rc==EINVAL ) 
   {
      printf("%s is detached
", tname);
   }
   else if ( rc==0 )  
   {  
      printf("%s was joinable
", tname);
   }
   else 
   {
      printf("%s: pthread_join() = %d (%s)
", 
             tname, rc, strerror(rc)
            );
   }
}
 #
/*****************************************************************************/
/* main- main thread                                                         */
/*****************************************************************************/
int
main()
{
   pthread_t tid1, tid2, tid3; // thread 1,2 and 3.
   pthread_attr_t attr;        // thread's attribute
   int rc;  // return code
 #
   /*--------------------------------------------------------*/
   /* 1st test: normal thread creation                       */
   /*--------------------------------------------------------*/
   rc = pthread_create(&tid1, NULL, thread, NULL);
   PthreadCheck("pthread_create", rc);
   detach_state(tid1, "thread1"); // expect: joinable 
 #
   /*--------------------------------------------------------*/
   /* 2nd test: detach thread from main thread               */
   /*--------------------------------------------------------*/
   rc = pthread_create(&tid2, NULL, thread, NULL);
   PthreadCheck("pthread_create", rc);
   rc = pthread_detach(tid2);
   PthreadCheck("pthread_detach", rc);
   detach_state(tid2, "thread2"); // expect: detached
 #
   /*--------------------------------------------------------*/
   /* 3rd test: create detached thread                       */
   /*--------------------------------------------------------*/
 #
   // set detachstate attribute to DETACHED
   //
   rc=pthread_attr_init(&attr);
   PthreadCheck("pthread_attr_init", rc);
   rc=pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
   PthreadCheck("pthread_attr_setdetachstate", rc);
 #
   // create thread now 
   //
   rc = pthread_create(&tid3, &attr, thread, NULL);
   PthreadCheck("pthread_create", rc);
   detach_state(tid3, "thread3");
 #
   /*--------------------------------------------------------*/
   /* that's all folks!                                      */
   /*--------------------------------------------------------*/
   return EXIT_SUCCESS;
}

对于连接或分离最重要的规则就是：

不要连接一个已经被连接的线程；（注：已连接的线程栈空间已被收回，再次连接将得不到可连接线程的信息）
不要连接一个分离线程；（注：连接操作只可用于可连接的线程，因为分离线程栈空间的收回是由系统内部来做的）
如果你分离一个线程，你不能“重连接”它；（注：调用pthread_detach()后，可连接线程的栈空间已被收回，无法再恢复）

Notes and further Reading

[1] pthread & detach. A post on c.p.t. where Patrick TJ MacPhee explains that (in theory) only the thread ID and returned value should be retained.
[2] pthread_join and thread stack. A post on c.p.t. where Paul Pluzhnikov explains why the stack is held until the thread is joined.
The main thread. Article where we discuss the special semantic of the main thread.
Pthreads argument passing. Article where we discuss how to pass arguments between threads.
David R. Butenhof: Programming with POSIX Threads, Addison-Wesley, ISBN-13 978-0-201-63392-4. See in particular Section 2.1, pp 35-39 and section 5.2.3, pp 138-141.