进程与进程间通信：fork-join、事件、信号量与邮箱

第 9 章用 fork...join 演示过 automatic 生命周期的坑，但没有正式讲过它。真实的 testbench 往往同时运行着好几个并发的部分——产生激励的、驱动信号的、监测输出的、记分板比对结果的——这一章正式讲清楚如何显式启动这些并发进程，以及它们之间该怎么协调。

fork...join：显式启动并发进程

每个 initial/always 块本来就会和其他块并发运行；fork...join 则是在一个过程块内部再启动多个并发进程：

initial begin
  fork
    $display("process A at time %0t", $time);
    $display("process B at time %0t", $time);
  join
  $display("both done");
end

fork...join 有三种变体，区别在于外层代码要等到什么时候才继续往下走：

initial begin
  fork
    begin #10; $display("A done at %0t", $time); end
    begin #20; $display("B done at %0t", $time); end
  join_any
  $display("continuing at %0t (B might still be running)", $time);
end

上面这个例子里，join_any 会在 A（10 个时间单位后完成）结束时就让外层代码继续往下，而 B 这时候还没跑完，会在后台继续运行到第 20 个时间单位。

disable fork 与 wait fork：收尾还留在后台的进程

join_any/join_none 之后，可能还有 fork 出来的进程留在后台继续跑——上面的例子里，join_any 走了之后 B 还在后台运行到第 20 个时间单位。如果不管它，这个进程会一直跑到自然结束，可能带来两个问题：它可能在你不再关心的时候还占用资源、修改共享状态；或者你其实想等它也彻底跑完再继续。两个内置写法专门用来收尾这种"还留在后台"的进程：

initial begin
  fork
    begin #10; $display("A done at %0t", $time); end
    begin #20; $display("B done at %0t", $time); end
  join_any
  // 这里 A 已完成，B 还在后台跑
 
  disable fork;   // 立刻终止当前进程 fork 出来、还没完成的所有子进程（这里是 B）
  $display("B has been killed, continuing at %0t", $time);
end

• disable fork：立刻终止当前进程通过 fork 启动、但还没执行完的所有子进程——常见场景是 join_any 等到"最先完成的那个"之后，不再需要另一个还在跑的进程，直接把它杀掉，避免它继续占用资源或产生不需要的副作用。
• wait fork：不终止任何进程，而是阻塞等待当前进程 fork 出来的所有子进程都执行完（包括 join_any/join_none 之后仍在后台运行的那些）——用于"我确实需要等它们全部跑完，只是不想在 join 这一行就死等"的场景。

两者刚好相反：disable fork 是"不等了，直接杀掉"；wait fork 是"还是要等，只是换个地方等"。

event：进程间的同步信号

event 是一种轻量的同步信号，本身不携带数据，纯粹用来协调"这件事发生了没有"：一个进程触发（trigger）它，另一个进程等待它被触发：

event data_ready;
 
initial begin
  #10;
  -> data_ready;   // 触发事件
end
 
initial begin
  @(data_ready);   // 阻塞等待，直到事件被触发
  $display("data is ready at time %0t", $time);
end

第二个 initial 块会一直阻塞在 @(data_ready);，直到第一个块在第 10 个时间单位触发了这个事件，才会继续往下执行。

semaphore：管理有限数量的共享资源

semaphore（信号量）维护一定数量的"钥匙"：进程调用 get(n) 尝试拿走 n 把钥匙，如果钥匙不够就阻塞等待；用完之后调用 put(n) 把钥匙还回去。最常见的用法是把钥匙数设成 1，实现互斥访问（类似其他语言里的锁）：

semaphore sem = new(1);  // 只有 1 把钥匙，等价于互斥锁
 
task automatic access_resource(int id);
  sem.get(1);
  $display("process %0d entering critical section at %0t", id, $time);
  #5;
  $display("process %0d leaving critical section at %0t", id, $time);
  sem.put(1);
endtask
 
initial begin
  fork
    access_resource(1);
    access_resource(2);
  join
end

因为只有 1 把钥匙，两个并发调用不可能同时进入"临界区"：先拿到钥匙的进程执行完 #5 延时、调用 put(1) 还回钥匙之后，另一个进程才能拿到钥匙继续往下走——两段 entering/leaving 打印永远不会交叉出现。

mailbox：进程间传递数据

event 只能同步、不能带数据；mailbox 则是一个专门用于进程间传递数据的先进先出队列，一个进程把数据 put() 进去，另一个进程用 get() 取出来：

mailbox #(int) mbx = new();  // #(int) 表示这个 mailbox 只能传递 int 类型的数据
 
initial begin  // 生产者
  for (int i = 0; i < 3; i++) begin
    mbx.put(i);
    $display("produced %0d", i);
  end
end
 
initial begin  // 消费者
  int val;
  repeat (3) begin
    mbx.get(val);
    $display("consumed %0d", val);
  end
end

get() 会阻塞等待，直到 mailbox 里有数据可取；如果创建 mailbox 时指定了容量上限（比如 new(4)），put() 在 mailbox 已满时也会阻塞，直到有空间。这正是经典 testbench 里"激励产生者"和"驱动者"之间最常见的通信方式——产生者把一个个事务对象 put() 进 mailbox，驱动者 get() 出来依次驱动到 DUT 上，两者作为独立的并发进程运行，只通过 mailbox 交换数据。

小结