3 mailbox

3.1概述

•    线程之间如果传递信息，可以使用mailbox。
•    mailbox和队列queue有相近之处。

•    mailbox是一个对象，因此也可以用new()来例化，例化时，有一个可选的参数size来限定其存储的最大数量，如果size是0或者没有指定，则信箱是无限大的，可以容纳任意多的条目。

•    使用put()可以把数据放入mailbox, 使用get()可以从信箱移除数据。
•    如果信箱为满，则put()会阻塞；如果信箱为空，则get()会阻塞。
•    peek()可以获取对信箱里数据的拷贝而不移除它。
•    线程之间的同步方法需要注意，哪些是阻塞方法，哪些是非阻塞 方法，即哪些是立即返回的，而哪些可能需要等待时间的。

3.2代码演练 

program automatic bounded;
mailbox mbx;
initial begin
mbx = new(l); //容量为1 
fork 
// Producer线程
for (int i=l; i<4; i++) begin
$display("Producer: before put(%0d)", i); 
mbx.put(i);
$display("Producer: after put(%0d}", i);
end 
// Consumer线程
repeat(4) begin
int j;
#lns mbx.get(j); 
$display("Consumer:after get(%0d}", j);
end
join
end
endprogram

Producer: before put(1)
Producer: after put(1)

Producer: before put(2)

Consumer: after get(1)

Producer: after put(2)

Producer: before put(3)

Consumer: after get(2)

Producer: after put (3)

Consumer: after get(3) 

3.3实例演练

对于一辆车子而言，如果要实时显示这辆车子的状态，会需要多个仪表。显示的参数包括车速、油量、发动机的转速和温度等， 这些参数涉及到了各个传感器到汽车控制中枢的通信。

如果我们继续通过上面这辆BYD, 来模拟不同传感器（线程）到车的中央显示的通信，可以利用SV的mailbox (信箱）来满足多个线程之间的数据通信。

class car;
mailbox tmp_mb, spd_mb, fuel_mb; 
int sample_period;
function new(); 
sample_period = 10; 
tmp_mb = new(); 
spd_mb = new(); 
fuel_mb = new(); 
endfunction
 
task sensor_tmp;
int tmp; 
forever begin
std::randomize(tmp) with {tmp >= 80 && tmp <= 100;}; 
tmp_mb.put(tmp);
#sample_period; 
end 
endtask 
 
task sensor_spd, 
int spd; 
forever begin 
std::randomize(spd) with {spd>= 50 && spd <=60;};
spd_mb.put(spd),
#sample_period;
end 
endtask
 
task sensor_fuel;
int fuel;
forever begin
Std::randomize (fuel) with {fuel>= 30 && fuel <= 35;}; 
fuel_mb.put(fuel); 
#sample_periode;
end 
endtask 
task drive () ;
fork
sensor_tmp (); 
sensor_spd (); 
sensor_ fuel (); 
display(tmp_mb, "temperature"); 
display(spd_mb, "speed"); 
display(fuel_mb, "feul"); 
join_none 
endtask
task display(mailbox_mb, string name="mb") ;
int val;
forever begin
mb.get(val): 
$display ("car: %s is %0d", name, val)
end
endtask
endclass
 
module road; 
car byd = new(); 
initial begin 
byd. drive(); 
end 
endmodule 

 -    # car:: temperature is 100
-    # car:: speed is 50
-    # car:: feul is 30
-    # car:: temperature is 96
-    # car:: speed is 55 
-    # car:: feul is 33
-    # car:: temperature is 89
-    # car:: speed is 57 
-    # car:: feul is 31

对于mailbox的用法，与FIFO的使用很相似。如果我们将上面的mailbox用队列来替代的话，则可以修改为下面的例码。 

class car;
//mailbox tmp_mb, spd_mb, fuel_mb; 
int tmp_q[$],spd_q[$],fuel_q[$];
int sample_period;
function new(); 
sample_period = 10; 
//tmp_mb = new(); 
//spd_mb = new(); 
//fuel_mb = new(); 
endfunction
 
task sensor_tmp;
int tmp; 
forever begin
std::randomize(tmp) with {tmp >= 80 && tmp <= 100;}; 
//tmp_mb.put(tmp);
tmp_q.push_back(tmp);
#sample_period; 
end 
endtask 
 
task sensor_spd, 
int spd; 
forever begin 
std::randomize(spd) with {spd>= 50 && spd <=60;};
//spd_mb.put(spd);
spd_q.push_back (spd);
#sample_period;
end 
endtask
 
task sensor_fuel;
int fuel;
forever begin
Std::randomize (fuel) with {fuel>= 30 && fuel <= 35;}; 
//fuel_mb.put(fuel); 
fuel_q.push_back(fuel);
#sample_periode
end 
endtask 
task drive () ;
fork
sensor_tmp (); 
sensor_spd (); 
sensor_ fuel (); 
display(tmp_mb, "temperature"); 
display(spd_mb, "speed"); 
display(fuel_mb, "feul"); 
join_none 
endtask
task display(string name, ref int q[$]);
int val;
forever begin
//mb.get(val);
wait(q.size() > 0) ; 
val = q.pop_front(); 
$display ("car: : %s is %0d", name,val);
//$display ("car: %s is %0d", name, val);
end
endtask
endclass
 
module road; 
car byd = new(); 
initial begin 
byd. drive(); 
end 
endmodule 

通过队列改造来完成进程间通信的例子， 我们可以找出maibox与queue在使用时的差别：

maibox必须通过new()例化，而队列只需要声明。

mailbox可以将不同的数据类型同时存储，不过这么做是不建议的，对于队列来讲，它内部存储的元素类型必须一致。

mailbox 的存取方式put()和get()是阻塞方式，即使用它们时，方法不一定会立即返回，而队列所对应的存取方式，push_back()和pop_front()方法是非阻塞的，会立即返回。因此在使用queue取数时，需要额外填写wait(queue.size()>0)才可以在其后对非空的queue做取数操作，此外也应该注意，如果要调用阻塞方法，那么只可以在task中调用，因为阻塞方法是耗时的，而调用非阻塞方法，例如，queue中的push_back()和pop_front()方法，则既可以在task又可以在function中。

mailbox只能够用作FIFO,而queue除了按照FIFO使用，还有其它应用的方式例如LIFO（last in first out）

对于mailbox变量的操作，在传递形式参数时，实际传递并拷贝的是mailbox的指针，而在第二个例子中的task display()，关于queue的形式参数声明是ref方向，因为如果采用默认的input方向，那么传递过程中发生是数组的拷贝，以至于方向内部对queue的操作并不会影响外部的queue本身，因此在传递数组时，大家应该考虑到，对数组做的是引用还是拷贝，进而考虑端口的声明方向。

•    mailbox在例化时，通过new(N)的方式可以使其变为定长 (fixed length)容器。这样在负载到长度N以后，无法再对其写入。如果用new()的方式，则表示信箱容量不限大小。
•    除了put()/get()/peek()这样的阻塞方法，用户也可以考虑使用try _put()/try _get()/try _peek()等非阻塞方法。
•    如果要显式地限定mailbox中元素的类型，可以通过mailbox #(type = T)的方式来声明。例如上面的三个mailbox存储的是int, 则可以在声明时进一步限定其类型为mailbox #(int)。

3.4 event semaphore mailbox对同一功能的实现代码比较 

•    除了上面的三种常见需求， 有时候， 进程之间也需要同步。 这里我们来考虑， 如果要对这辆车熄火(stall)的话， 得先检查是否车挂挡在P (park) , 进而再将车钥匙拔出。
•    我们可以将stall和park两个线程的同步视作， 先由stall发起同步请求， 再等待park线程完成并响应同步请求， 最后由stall线程继续其余的程序， 最终结束熄火的过程。
•    我们不妨用之前掌握的SV三种进程通信的方式event、semaphore和mailbox来解决进程间的同步问题。

event代码实现： 

class car;
event e_stall; 
event e_park; 
 
task stall;
$display ( "car::stall started"); 
#lns; 
-> e_stall;
@e_park; 
$display ( "car::stall finished") ; 
endtask
 
task park;
@e_stall;
$display ("car: : park started"); 
#lns; 
-> e_park; 
$display("car::park finished"); 
endtask
task drive() ;
fork
this.stall(); 
this.park(); 
join_none 
endtask 
endclass 

semaphore 代码实现：

class car;
semaphore key; 
function new(); 
key= new(0); 
endfunction 
 
task stall; 
$display("car::stall started"); 
#lns; 
key.put(); 
key.get(); 
$display("car::stall finished");
endtask
 
task park;
key.get() ; 
$display("car: :park started"); 
#lns; 
key.put() ; 
$display("car: :park finished"); 
endtask
task drive();
fork
this.stall();
this.park();
join_none 
endtask 
endclass 

mailbox代码实现：

 
task stall;
int val = 0; 
$display ("car:: stall started"); 
#lns; 
mb.put(val);
mb.get(val); 
$display("car::stall finished"); 
endtask
 
task park;
int val = 0; 
mb.get(val);
$display ("car::park started"); 
#lns; 
mb.put(val); 
$display("car::park finished");
endtask
 
task drive();
fork
this.stall();
this.park();
join_none 
endtask 
endclass

•    上面三种用来实现线程A请求同步线程B, 线程B再晌应线程A的同步 方式输出结果保持一致。
•    从这三段代码可以看出， 用来做线程同步的选择也有多种。

•    如果要在同步（事件）的同时， 完成一些数据传输， 那么更合适的是mailbox, 因为它可以用来存储一些数据，而event和semaphore更偏向于小信息量的同步， 即不包含更多的数据信息。
# car::stall started
# car::park started 
# car::park finished 
# car::stall finished 

event: 最小信息量的触发，即单一的通知功能。可以用来做事件的触发， 也可以多个event组合起来用来做线程之间的同步。

semaphore: 共享资源的安全卫士。如果多线程间要对某一公共资源做访问，即可以使用这个要素。

mailbox: 精小的SV原生FIFO。在线程之间做数据通信或者内部数 据缓存时可以考虑使用此元素。