本文首发于微信公众号“芯片学堂”，作者JKZHAN
多线程、并发、并行计算等这些概念我们在很多计算机相关的领域都会听到。具体去看，并行计算是一个非常广泛的课题，涵盖了计算机体系结构各个层面的众多计算机技术，包括了成熟的、先进的。而本文将展开介绍的SV多线程，只是在软件应用层面去看多线程，不必也不会去深挖仿真细节。
01 多线程概念
在介绍SystemVerilog语言支持的多线程开发之前，有必要先来看看一些基本概念，什么是多线程，以及为什么在芯片开发或者验证中会需要用到多线程。
先明确两个概念，进程（process）和线程（thread）。简单来说，进程（process）就是程序的某一次执行，也可以说成进程是有了执行进度的程序。它是操作系统进行资源分配和调度的一个独立单位，也就是说进程是竞争计算机资源的基本单位。线程（thread）则属于某一个进程，一个进程可以有一个或者多个线程。线程不独立拥有计算机资源，它只能跟同一进程中的其他线程共享这个进程所分配到的资源。线程是程序执行流的最小单元，或者叫操作系统进行执行调度的基本单元。
在SV中，LRM（Language Reference Manual）将其支持的并发结构叫并行块（parallel blocks），将创建出来的执行流叫并发进程（concurrent processes）。同时将“a process”定义成了“A thread of one or more programming statements that can be executed independently of other programming statements”。乍一看感觉跟计算机原本对进程和线程的定义有点混淆。但总之，SV多线程编程中的这个“线程”，可以理解成是共享了一个仿真进程所拥有的计算机资源（比如内存地址空间）的执行流。
另外，SV的多线程到底是并行执行的（parallel）还是并发执行的（concurrent），这是仿真器、操作系统和硬件的事情。对于仿真程序和验证平台开发者，能感知到的只是创建出来的这些线程是同时在跑的，后文中提到的“同时执行”、“并行执行”等词就都指的是用户层面的感知，而不严格区别并行和并发。
02 多线程使用场景
在我们使用SV的时候，其实已经不知不觉的用到了多线程。比如在最简单的testbench中，一般会用always块或者在initial块中用forever循环来产生时钟，然后在另一个initial块中给DUT（design under test）的接口信号做初始化和灌激励。实际上，这就是两个线程，一个是产生时钟的执行流，一个是端口信号驱动的执行流，这两个执行流是相互独立的。
在SV中，有静态（static）线程和动态（dynamic）线程。静态线程指的是从仿真一开始就一直存在的线程，它的创建方式就是使用initial过程块或者always过程块（包括always, always_comb, always_ff等）。这在使用Verilog等硬件描述语言做设计的时候就涉及到了。仿真的时候调度器（systemverilog scheduler）会根据敏感信号列表等触发事件来对线程进行调度执行。
本文重点要介绍的是SV的动态线程，也就是在仿真过程当中动态地创建出来的线程。动态多线程的编程方法在下一节会介绍。动态多线程的在芯片验证中，特别是在面向对象（OOP）的验证环境开发中非常有用，可以在仿真过程中动态地创建给多个接口灌激励的线程、可以用来创建复杂的断言等。当你试图写一个复杂的顺序执行流程，但却感到哪个地方碍手碍脚的时候，不妨试一试创建多个线程，拆分下任务，让它们各干各的。
03 SV多线程编程框架
SV的多线程编程采用Fork/Join框架，这跟Java中由Doug Lea引入的并行任务执行框架类似。Fork/Join框架的基本思想就是将一个大而功能复杂的任务拆解成能够独立运行的小任务，最后再将这些个小任务的计算结果组合起来，实现跟执行一个大任务一样的效果。像Fork/Join这种分而治之的思想在很多地方都可以看到它的影子，比如面向对象的编程方法，又比如用于大数据计算的MapReduce编程模型。分而治之可以使得程序结构易于扩展和维护，同时又能充分发挥计算机的并行计算能力，提高程序运行速度。
SV多线程编程的框架，包括线程创建、线程同步和通信、线程控制和线程销毁等方法，总结如下。
SV的有三种创建动态线程的方法：fork ... join fork ... join_any fork ... join_none。在Fork/Join结构中的每一个过程块都会对应创建出一个线程，这些线程是同时执行的。三种创建线程的方法区别就在于最后那个关键词，join指的是fork出来的线程都执行结束之后，join后面的语句才会继续往下执行；join_any指的是fork出来的线程中只要有一个执行结束，join_any后面的语句就会继续往下执行；join_none指的是fork出来的线程创建之后，join_none后面的语句就可以继续往下执行；
线程控制的常用方法有wait fork，disable fork。在Fork/Join结构之后，加一句wait fork，会阻塞后续语句，直到fork出来的进程都执行完；如果加一句disable fork，则是直接结束掉fork出来的进程，后续语句往下执行。
SV内建的这个Process类（fork出来的线程都属于这个类）提供了各种方法，包括self()、kill()、await()、suspend()、resume()、status()。这些方法的功能分别是获得线程句柄，杀死线程、等待线程执行完、线程挂起、线程恢复执行、获得线程状态。利用这些方法可以实现线程之间的同步和控制。
线程的同步和通信的方法有event（事件）、semaphore（旗语）和mailbox（信箱）。event可以用来传递简单的状态或者控制信号，比如一个线程可以触发一个事件，另一个线程等待该事件触发。semaphore可以通过分发key的方式来管理公共资源。mailbox就比较厉害了，可以用来传递更多的数据。
若有必要，再开一篇文章写一些例程，方便学习和借鉴。
参考文献
[1] IEEE Standard Association. "IEEE Standard for SystemVerilog-Unified Hardware Design, Specification, and Verification Language." (2013).
[2] Breshears, Clay. The art of concurrency: A thread monkey's guide to writing parallel applications. " O'Reilly Media, Inc.", 2009.
[3] Spear, Chris. SystemVerilog for verification: a guide to learning the testbench language features. Springer Science & Business Media, 2008.
