第五章. 面向对象编程基础

OOP概述

V属于过程性编程语言（代码逐行执行，无数据结构，类似C语言），V中没有结构，只有位向量和数组。而在对总线事务建模时往往需要数据结构，使用过程性语言不够便利。

SV属于面向对象编程语言（Object Oriented Programming，OOP），OOP所有的功能都是基于类来实现的，类中可以封装成员变量和成员方法，这极大提高了建模的效率。OOP的基本单元是类（class）和对象（object），通过这些基础的单元来实现OOP编程语言的三个特性，封装（encapsulation），继承（iheritance），多态（polymorphism）。因此，可以简单的说：OOP=类+对象+封装+继承+多态。

类

包含成员变量和成员方法。类不是对象，类描述了实例化对象的规则，定义了实例化对象中包含哪些成员变量和成员方法，可以简单理解类是图纸，对象是通过图纸构建的实体。

对象

是类的一个实例。类是抽象的，而对象是由抽象的类具体化的一个实体。在实例化对象时，必须先定义类，否则SV无法实例化对象，因为SV不知道如何创建对象。

封装

SV中使用类来实现封装。类中封装了成员变量和成员方法。

继承

允许通过现有的类去得到一个新类。现有的类称为父类或基类，得到的新类称为子类或派生类。子类拥有父类成员变量和成员方法。

多态

多态的实现基于继承概念。将父类中的方法声明为virtual，并在子类中实现该方法。当父类句柄指向子类对象时，通过父类句柄调用该方法，方法会依据父类句柄实际指向的对象选择调用子类中的方法，而不是父类中的方法。这种父类/子类有相同的方法名称，但能够依据对象准确调用的特性称为多态。

属性

类中存储数据的变量，其实就是成员变量。

方法

类宏定义的方法，其实就是成员方法。

原型

原型即程序的头，包含程序名，返回类型和参数列表。与程序头相对应的为程序体，包含了该函数要执行的代码。

句柄

对标C中指针（pointer）。

创建新对象

SV中可以把类定义在program，module，package或者在这些块之外的任何地方。类可以在程序和模块中使用。V和SV都具有例化的概念，但是在细节方面存在一些区别。V的例化是静态的（编译的时候例化），就像硬件一样在仿真的时候不会变化，只有信号值在改变。而SV中例化可以理解为动态的（运行的时候例化和释放内存），激励对象不断地被创建并且用来驱动DUT，检查结果，最后这些对象所占用的内存可以被释放，以供新的对象的使用。V的顶层模块是不会被显式的例化的，SV类在使用前必须先例化。另外，Verilog的实例名只可以指向一个实例，而SV句柄可以指向很多对象。

//声明和使用句柄
Transaction tr;         //声明句柄
tr = new();             //为tr分配内存空间

在声明句柄时，初始化为特殊值null，然后调用new（）函数创建Transaction对象。new函数为Transaction分配空间，将变量初始化为默认值（二值逻辑默认值为0，四值逻辑默认值为X）new为构造函数。

定义构造函数

new()函数称为构造函数，默认情况下构造函数会分配内存，初始化变量。new()函数不能有返回值，因为构造函数总是返回一个指向类对象的句柄，其类型就是类本身。SV怎么知道该调用哪个new()函数呢？这取决于赋值操作符左边的句柄类型。

class Transaction;
    logic [31:0] addr, crc, data[8];
    
    function new;
        addr = 3;
        foreach(data[i]) data[i] = 5;
    endfunction
endclass

将声明和创建分开

应该将声明和创建分开，避免在声明一个句柄的时候调用构造函数。虽然在语法上合法，但是这会引起顺序问题。因为构造函数在第一条过程语句之前就被调用了。

new()和new[]的区别

new()用来创建对象，可以包含参数；new[]用来为数组分配内存，只可以包含数组的大小。

对象的解除分配

SV不允许对句柄做和C类似的改变（C中一个无类型指针知识内存中的一个地址，可以将它设定为任何值，还可以通过预设增量来改变指针），也不允许将一种类型的句柄指向另一种类型的对象，SV中的指针更接近于Java。

垃圾回收就是一种自动释放不再被引用的对象的过程。SV分辨对象不再被引用的方法就是记住指向它的句柄的数量，当最后一个句柄不再引用某个对象了，SV就释放该对象的空间。而在C/C++中，指针可以指向一个不再存在的对象。SV不能回收一个被句柄引用的对象，可以通过给指针赋值nul，清除句柄。如果对象包含从一个线程派生出来的程序，那么只要该线程仍在运行，这个对象的空间就不会被释放。

使用对象

Transaction t;      //声明Transaction类型句柄
t = new();          //创建对象
t.addr = 32'h42;    //设置变量值
t.display();        //调用子程序

严格的OOP规定，只能通过对象的公有方法访问对象的变量，如get()和put()。此规定保证了无法通过类实例进行外部赋值来改变类成员变量的值，保证类的对外部的封装性。在创建测试平台中，目标是最大限度的控制所有变量，以产生最广泛的激励，所以不可能实现严格的OOP规定。

静态变量

全局变量：关键字static，将变量定义为全局变量（静态变量）。静态变量通常在声明时初始化，而不是在类的new函数中初始化。在类中定义静态变量，该变量属于类所有，即通过该类实例化的对象共享同一个变量，通过类名+类作用域操作符(::)+变量名方法访问class::parameter类的静态变量。

类的方法

静态方法：方法名称前加入static关键字。SV中可以在类中创建一个静态方法读写静态变量的值，SV不允许静态方法读写非静态变量。

在类外定义方法；在类中声明方法时在方法名称前添加extern关键字。然后将整个方法移至类的外部，并在方法名前加上类名和类作用域操作符::。类中的方法默认使用自动存储。

class transaction；
extern function void display；
endclass

function void transaction::display;
...
endfunction

作用域

作用域是一个代码块，例如模块，程序，任务，函数，类或者begin-end块。作用域可以相对于当前作用域，也可以使用绝对作用域，绝对作用域$root开始（类比Linux中的相对路径和绝对路径）。

//名字作用域
int limit;                          //$root.limit

program automatic p;
    int limit;                      //$root.p.limit
    
    class Foo;
        int limit, array[];         //$root.p.Foo.limit
        //$root.p.Foo.print.limit
        function void print (int limit);
            for(int i=0; i<limit; i++)
            begin
                $display("%m: array[%0d] = %0d", i, array[i]);
            end
        endfunction
    endclass
endprogram

this：当你使用一个变量名的时候，SV将首先在当前作用域内寻找，接着在上一级作用域内寻找，直到该找到改变量为止。当你想引用类一级的对象，可以使用this明确地指明变量的作用域为当前类。

编译顺序：如果需要编译一个类，而这个类包含一个尚未定义的类 。声明这个被包含的类的句柄会引起错误，因编译器还不认识这个新的数据类型。可以使用typedef语句声明一个类名。

//使用typedef class语句声明statistics是一个类
typedef class Statistics

class Transaction;
    Statistics status;
    ...
endclass

class Statistics;
    ...
endclass

动态对象

静态分配内存的语言中，每一块数据都有一个变量与之关联，而在OOP语言中，不存在这种一一对于关系。可能有很多对象，但是只定义了少量的句柄。

对象复制

复制分为浅复制（shallow copy）和深复制（deep copy）。

如果拷贝的对象里的元素只有值，没有句柄，浅拷贝和深拷贝没有差别。都会将原对象复制一份，产生一个新对象，对新对象的值进行修改不会影响原有的对象。

如果拷贝的对象里的元素包含句柄，则深拷贝和浅拷贝是不同的，浅拷贝复制的是原句柄，其指向与原句柄相同，使用浅拷贝新对象对句柄进行修改会改变原对象句柄指向值。深拷贝会复制原对象句柄指向的对象，产生一个新的对象，对深拷贝产生的新句柄修改不会影响原句柄的值。简单来说就是浅拷贝只是复制了句柄，并没有对句柄指向对象进行复制，浅拷贝复制的句柄与原句柄指向同一个对象。而深拷贝是将句柄指向的对象复制。

示例：

//使用new复制一个对象，创建了一个新的对象，并且复制了现有对象的所有变量。new复制属于浅复制。
Transaction src, dst;
initial
begin
    src = new;          //创建第一个对象
    dst = new src;      //使用new操作符进行浅复制
end

编写copy函数：copy函数属于深复制（注意复制对象中含有句柄的变量，需要调用句柄类型的copy函数，重新分配空间，指向一个新的对象）。

公有和私有

SV中类似其他OOP语言，成员变量的访问权限有以下三种local（类似C++中的private），protected，public，访问权限依次扩大。

• local：只有该类中函数可以访问，子类和外部类都无权访问。
• protected：该类和其子类中可以访问，类外部无权访问。
• public：类中，子类，类外均可访问。

SV中定的类中，数据默认被定义为local类型。