SV中，fork-join，fork-join_any、fork-join_none的理解

fork join的用法

我们早在学习Verilog语言时就学过：相对于begin-end顺序执行的语句块，还存在fork-join并行执行的语句块。这些知识用起来已经很顺手了，但是当学习到SystemVerilog语言的时候，突然告诉你：其实fork-join还有两个失散多年的亲兄弟活着！那就是fork-join_any和fork-join_none！！！

这三个兄弟虽然长的比较像，但是其实性格是不一样的！他们的主要性格区别是他们对待称为“线程”的小朋友的态度上。“线程”小朋友是轻量级的“进程”，是程序调度的基本单位。假如某一时段同时来了好几个线程小朋友去他们家吃饭，三兄弟性格可以表现的非常明显。其中fork-join的性格是最温和耐心的，他会静静等待所有线程小朋友全部吃完饭才去做别的事情。而fork-join_any性格是最健忘和丢三落四的，当他看到其中某个线程小朋友吃完后会直接忘了别的小朋友还在吃，以为都完成了，直接去做自己的事情。至于fork-join_none则是脾气最暴躁的，他不会等待任何一个线程小朋友吃饭，会直接去搞自己的事情！

那fork-join_any、fork-join_none一个健忘症一个暴脾气，他们是猴子请来搞笑的吗？除了增加我们的概念记忆还有什么作用？

   考虑遇到这样一种情况：当某些线程小朋友是无限循环的，永远吃不完，而下面我们就想结束所有的程序，那一直等下去有时就会出问题。 这时对于fork-join_any这个健忘症，就可以有用武之地了。我们常常设立一个吃的最快的线程小朋友作为“组长”，而fork-join_any通过等待“组长”来控制这段程序运行结束。

   实际中的一个常见经典用法如下，（初学者不需要了解代码中每行的含义，只需要对fork-join_any的应用有一个直观认识即可）想在记分板中控制验证平台的结束时，通过配置num参数来控制想收到的实际数据包数量，运行完for循环就会执行drop_objection，结束平台运行。这里面的for循环就是我们前面提到的“组长”，如果没有fork-join_any，单纯的使用fork-join便会一直停不下来，是不能实现这个功能的了。

对于fork-join_none这个暴脾气，其实也是很有用处的。比如有这样一个需求：把某个相同的线程并行启动运行100个。这个需求用fork-join可以实现，但是你要在其中罗列100次这个线程：

这样写显然不合理，太麻烦了，如果更大的数那就是不可能完成的任务了。这时候fork-join_none就显示出了很好的作用，如下，配合for循环几行就可以达到启动的100个的目的。

值得一提的是，这两段代码作用其实是不等价的，通过fork-join_none运行的100个线程，是并行启动了，但是不等他们全部结束程序就会进行到后面的程序中去，如果想要等价可以在后面使用wait fork语句来等待所有线程结束，如下代码就与fork-join控制的完全等价了。

fork join none的坑

1. 回忆下fork-join_none

fork-join_none相信大家应该熟悉了，新来的朋友可以回顾下jerry之前的文章，就是之前jerry提到的那个“暴脾气”的哥们，他不会去等别人，直接会着急做自己的事情。
前文回顾（点击查看）：fork-join挺好用的了，fork-join_any、fork-join_none有什么用？
回顾下那篇文章中我们举的一个例子，这个暴脾气可以这么用：

fork
aa( );
aa( );
aa( );
……
aa( );
aa( );
join

如上代码，我们想要并行的执行100个 aa( )这个函数进程。通过fork-join要写到手软，用这个暴脾气，几句话就搞定：

for(int i=0; i<100; i++)
fork
aa( );
join_none

但是，今天jerry告诉各位初学者，这个暴脾气有不好驾驭的那一面的哦，弄不好就很容易翻车！！

2. fork-join_none翻车现场

什么情况下容易翻车呢？

大家仔细看看上面的例子，并行运行的aa( )，都是一样的内容，放在for循环中，却并没有使用for循环的循环因子 i 啊～

有人说，这有什么关系吗？
好的，来，看看jerry今天准备的代码，逼出它的邪恶面！

我们还是通过暴脾气fork-join_none，外加for循环，这次我们用上for的循环因子i，
怎么用i呢？我们直接通过$display来打印，打出10个选美者的编号和颜值等级：

for (int i=0 ; i<10; i++)
fork
$display(“No%0d，My face_grade is %0d”, i ，i );
join_none

大家先不看答案，先猜猜，这个会怎么打？

算了，jerry先猜猜你们是怎么想的？是不是打印出下面这样？

No0，My face_grade is 0
No1，My face_grade is 1
No2，My face_grade is 2
No3，My face_grade is 3
……
No9，My face_grade is 9

大错特错！！太天真了！这个时候这个暴脾气只会在电脑的某个角落里看着你笑着说“愚蠢的人类”！！
jerry告诉你打印出来的是什么：

No10，My face_grade is 10
No10，My face_grade is 10
No10，My face_grade is 10
……
No10，My face_grade is 10

太阴险了！怎么会是这样呢？我0-9怎么还出来10了？

3. 再认识下for循环

先解释下这个for循环范围0-9，怎么打出来10了？
看下这段代码：

int apple_num；
for (apple_num=0 ; apple_num<10; apple_num++);
$display(“i have %0d apples”, apple_num );

直接告诉大家，这个代码打印出来的是：

i have 10 apples

这个代码，for循环是执行的一个空语句，for结束后才进行打印循环因子。让不注重细节的伙伴们再认识下for，for在最后执行完成他的值是还要再走apple_num++的，正是因为加到了10，才不满足apple_num<10的条件不再进行循环下去了。
我们再回头看看这个代码：

for (int i=0 ; i<10; i++)
fork
$display(“No%0d，My face_grade is %0d”, i ，i );
join_none

现在知道这个打印出来10是怎么来的了，是for循环执行完了以后循环因子i的值啊！！

好像差不多理解了：for循环的时候依次创建了10个进程，然后等for循环结束后，才并行执行10个fork进程。

因为fork-join_none，for全部循环完了以后， 10个$display(“No$display里面的i其实是同一个int i，i++是会改变它的。

4. 怎么防止它的翻车

来，jerry先直接告诉各位怎么解这个问题：

for (int i=0 ; i<10; i++)
fork
automatic int j=i；
$display(“No%0d，My face_grade is %0d”, j ，j );
join_none

这段代码打印的正是我们期望的：
No0，My face_grade is 0
No1，My face_grade is 1
No2，My face_grade is 2
No3，My face_grade is 3
……
No9，My face_grade is 9

为什么呢？我们来分析一下：

如上代码，我们加了一个automatic int j=i 转了一下，把i给j，我们打印j。

此处automatic类型，意味着进入fork进程被创建，结束被撤销。保证了10个并行的display语句，每个进程中的j是它自己的，是独一无二的（不清楚automatic和static的区别的可以自己查或者关注jerry后面的文章哈）。

先不要恍然大悟，仔细想想，仅仅保证了独一无二，就行了？automatic int j=i；

这句话还没执行，for不就应该执行完了？那这里的i岂不是还是应该是10？？

是啊！除非……？

没错！
automatic int j=i；在i++之前就执行了！！！

我们来验证下，假如这么写：

for (int i=0 ; i<10; i++)
fork
#0;
begin
automatic int j=i；
$display(“No%0d，My face_grade is %0d”, j ，j );
end
join_none

果然就又出错打印成下面这样了！！！

No10，My face_grade is 10
No10，My face_grade is 10
No10，My face_grade is 10
……
No10，My face_grade is 10

其实不要说那样，就即便如下这样都是不对的！！

for (int i=0 ; i<10; i++)
fork
automatic int j；
j=i；
$display(“No%0d，My face_grade is %0d”, j ，j );
join_none

看来除了保证独一无二，更关键的原因是执行顺序！！

什么执行顺序呢？

简单的说，如果把我们这段代码理解为两个过程：“创建进程”、“执行进程”。

创建进程的时候，创建10个并行的进程，然后统一执行。

这句神奇的automatic int j=i；偏偏就是在创建进程的过程中就执行了！

大家可以看一下下面的视频，DVE上的断点单步调试，上面提到的两种代码执行顺序对比：

先执行的94行for进入第一段代码“创建线程”阶段，然后马上95行神奇的automatic int j=i；可见它也是第一段代码“创建线程”阶段执行的！然后并没有接着执行96行的display，而是101行的for！进入了第二段代码的“创建线程”阶段！线程都创建完成之后才再回去96行进入执行进程阶段，执行了display，最后执行了102行的display。

各位初学者可以这样简单的理解这段代码，但是其实呢要更进一步探究就涉及到了
sv的仿真调度机制！！！

先简单看一眼，就是这些个东西啦：

我擦，短短几句代码需要想到这么多知识吗？这里这个调度机制我们就先不深究了，大家先擦擦汗，jerry后面的文章会娓娓道来的～

我们回到今天要讲的重点：“for循环+fork-join_none结构”的坑，怎么处理呢？最简单的一种方式就是用一个automatic int j=i 转一下，一定要在fork的一开始定义，并且赋值。

disable fork用法

SystemVerilog允许大家在使用fork + join/join_any/join_none创建进程之后，通过disable fork来提前结束这些进程。

例如下面的代码片段1，fork + join_any产生了两个并行的子进程：

第一个子进程等待valid信号，然后打印第12行的信息；

第二个子进程等待max_delay个ns，然后打印第16行的信息。

不论是哪一种结果，都会导致join_any跳出fork，接着执行disable fork来结束这个fork进程及其子进程。

代码片段1

这个task在等待valid的同时，为了避免长时间等待，加了一个超时机制。不论是等到valid，还是超时了，都不必再等待另一个子进程继续执行下去。这段代码乍一看好像没什么问题啊？

别急，继续往下看。

假如还有另一个task B，需要在启动task A之前启动，常见的做法就是先fork + join_none的方式启动B，再启动A。

如下面代码片段2所示。

代码片段2

执行task C，会惊奇的发现：不论task A里面是否wait valid成功，当执行后面的disable fork之后，task B始终都没有打印第27行的信息？

为什么会这样？是不是开始怀疑人生了？

别急，这是因为当disable fork的时候，不仅杀掉了task A里面的fork进程，连task C里面的fork/join_none进程也杀死了。disable的杀伤力，远远超出了想象，有没有？

不是我不小心，只是……

要避免这样的误杀，办法其实很多。最常见的做法是添加所谓的guard fork，来限制disable fork的作用范围。

如下面的代码片段3所示：

代码片段3

还有一种不太好做法是给fork的进程添加别名，然后disable这个指定的进程，如下面的代码片段4所示:

代码片段4

这种做法看似也OK，但是会引入另外一种风险。思考一下，不知道你是否猜到了？

Q哥带你揭晓答案。

如下面所示的代码片段5，task D里面通过fork join同时启动了两个调用task A的子进程并行执行。当调用A(1000)执行到disable p1的时候，会惊奇地发现，A(2000)也被意外地终结了。

代码片段5

给fork进程命名，弄巧成拙了。推荐大家还是使用guard fork，这是一种良好的coding style。