systemverilog中关于多线程的若干思考-平芜编程栈

最近在做自研总线相关的验证，遇到的情景是2048个master和2048个slave同时并行发送和接收数据，这部分必然会用到systemverilog中fork相关的语法，而在这个过程中，遇到了从未见过的复杂组合，包括wait fork及disable fork作用域的问题。很多的理解需要做简单的仿真来进行实验，进而总结结论，加深印象，现总结如下。

例子1

多个initial块之间是并行执行的

在initial块内部，可以写begin……end的顺序结构，也可以写fork的并行结构。(包括fork……join，fork……join_none，fork……join_any)

如果是多个begin……end，是从上到下顺序执行的。

不太常见的写法，initial fork …… join结构

因此，了解这些语句执行顺序的关键首先要明白四种过程块结构的规则
begin……end 内部的语句依次按顺序执行
fork……join 内部语句同时开始执行，最晚的线程结束后，才会退出fork……join过程块，继续执行之后的语句
fork……join_any 内部语句同时开始执行，最早的线程结束后，即可走出fork……join_any过程块，继续执行之后的语句，与此同时，fork……join_any内未执行完的线程仍在继续执行，多个线程在并行执行。
fork……join_none 内部语句同时开始执行，但是并不会阻塞后面的线程，fork……join_none之后的线程会同时执行，多个线程同时并行执行。

sv绿皮书上很经典的一张图。对于fork……join_any和fork_join_none而言，跳出fork块，并不意味着fork块内还没有执行完的线程就会结束终止，而是仍在并行执行。

fork……join

仿真开始，运行10ns，然后进入fork块，四条语句同时开始执行
第10ns，01 print，02 print
第20ns，fork join块结束
第30ns，03 print
第40ns，04 print

fork……join_any

仿真开始，运行10ns，进入fork块，四条语句同时开始执行
第15ns，02 print，语句执行完成，走出fork块，其他线程继续执行，后续线程开始执行
第20ns，01 print，fork块内所有线程执行完成
第25ns，03 print
第35ns，04 print

fork……join_none

仿真开始，运行10ns，进入fork块，四条语句同时开始执行，同时，fork块之后的语句同时开始执行
第15ns，02 print
第20ns，01 print， 03 print，fork块内所有线程执行完成
第30ns，04 print

当fork块和begin end块连用和嵌套时，分析的基本原则是，从外到内，层层分析。遇到嵌套时，先把过程块当成一个整体。

fork……join中嵌套begin……end

仿真开始，运行10ns，进入fork块，在fork块内部，有四条语句，还有一个begin……end块，先把begin……end块当成一个整体，所以，begin end块和四条语句是并行执行的，而在begin end块内部，有三条语句，这三条语句是顺序执行的
第10ns，进入fork块，四条语句和begin……end块同时开始执行
第15ns，02 print
第20ns，01 print，03 print
第30ns，在begin end块中，74行的延时执行完成
第35ns，04 print，begin……end块执行完毕，走出fork join块
第45ns，05 print
第55ns，06 print

fork……join_none中很容易犯的书写错误

忘记在fork……join_none中添加 begin end，导致fork……join_none块里的语句都是并行的，这会导致很奇怪的现象，不容易debug出来。

fork……join_any中嵌套begin……end

仿真开始，运行10ns，进入fork块，在fork块内部，有四条语句，还有两个begin……end块，先把begin……end块当成一个整体，所以，两个begin end块和四条语句是并行执行的，而在begin end块内部，有三条语句，这三条语句是顺序执行的
第10ns，进入fork块，四条语句和两个begin end块同时并行执行
第15ns，02 print，此时fork……join_any块中最早的线程完成，走出fork块
第20ns，01 print，03 print，05 print
第25ns，07 print
第30ns，无打印
第35ns，04 print，06 print， 08 print

fork……join_none中嵌套begin……end

仿真开始，运行10ns，进入fork块，在fork块内部，有四条语句，还有两个begin……end块，先把begin……end块当成一个整体，所以，两个begin end块和四条语句是并行执行的，而在begin end块内部，有三条语句，这三条语句是顺序执行的
第10ns，进入fork块，四条语句和两个begin end块同时并行执行，同时开始执行fork块之后的语句
第15ns，02 print
第20ns，07 print，01 print，03 print， 05 print
第30ns，08 print
第35ns，04 print，06 print

不管有多少层级嵌套，都要遵守分析规则，由外到内，整体法层层分析

对自己狠一点，整一个复杂的嵌套，

从外到内，层层分析

在initial块的最上层，是begin end，这一层begin end中，可以看做四部分，第130行，第131~157行fork块，第158行，第159行。这四部分是顺序执行的。

进入fork块内部，fork……join_none内部，可以看做四部分，第132~137行fork join块，第138~144行fork join_any块，第145~151行begin end块，第152~156行begin end块，这四部分在fork……join_none块中是并行执行的。

第10ns，进入fork块，与此同时，fork块之后的语句也开始执行

第15ns，02 print

第20ns，09 print，01 print， 03 print，05 print，07 print，此时第132~137行fork join块结束

第25ns，04 print，06 print

第30ns，10 print

第35ns，08 print

利用循环产生多个并发线程

一种错误的写法

详细原因可以参考绿皮书，4次for循环，产生4个fork join_none，这4个同时开始，并发执行，但是产生这四个的时候，循环变量i已经到4了，因此最终打印的都是4

正确写法应该是写一个自动变量，将每次循环的值copy下来

把自动化变量的赋值，写在fork……join_none内部也是可以的

将这种写法等价于再begin……end块中，有多个fork……join_none块

此外，还有另一种写法，把for循环写到fork……join_none内部，注意这种写法和上面的写法结果是有本质差别的。

把foreach块当作一个整体，fork join_none只有一个线程，且会立即执行fork join_none之后的代码，但是之后for循环的执行，会按照begin end来顺序执行

按照deepseek的说法：

执行逻辑：fork join_none会将foreach循环当作一个整体来并发执行。也就是说，foreach循环的所有迭代会被一次性地提交到事件队列里，接着fork join_none块会立刻退出，后续的代码会继续执行。
时间顺序：由于foreach循环的所有迭代是一次性提交的，各个迭代里的延迟时间会决定它们执行的先后顺序。在上述示例中，array[0]会在0时刻显示，array[1]会在10时刻显示，依此类推。
并发情况：foreach循环的所有迭代是并发执行的，不过它们的显示顺序会由各自的延迟时间来决定。