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编程问答

深入了解以太坊虚拟机

發(fā)布時(shí)間：2025/3/15 编程问答 15 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了深入了解以太坊虚拟机小編覺(jué)得挺不錯(cuò)的,現(xiàn)在分享給大家,幫大家做個(gè)參考.

本文由幣乎社區(qū)（bihu.com）內(nèi)容支持計(jì)劃贊助。

譯者說(shuō)，深入了解以太坊虛擬機(jī)是一個(gè)系列的文章，一共5篇！本文是第1篇，主要介紹的是以太坊虛擬機(jī)匯編代碼基礎(chǔ)。后續(xù)的4篇譯文鏈接在本文的結(jié)尾處。

Solidity提供了很多高級(jí)語(yǔ)言的抽象概念，但是這些特性讓人很難明白在運(yùn)行程序的時(shí)候到底發(fā)生了什么。我閱讀了Solidity的文檔，但依舊存在著幾個(gè)基本的問(wèn)題沒(méi)有弄明白。

string, bytes32, byte[], bytes之間的區(qū)別是什么？

該在什么地方使用哪個(gè)類型？
將 string 轉(zhuǎn)換成bytes時(shí)會(huì)怎么樣？可以轉(zhuǎn)換成byte[]嗎？
它們的存儲(chǔ)成本是多少？

EVM是如何存儲(chǔ)映射( mappings)的？

為什么不能刪除一個(gè)映射？
可以有映射的映射嗎？(可以，但是怎樣映射？)
為什么存在存儲(chǔ)映射，但是卻沒(méi)有內(nèi)存映射？

編譯的合約在EVM看來(lái)是什么樣子的？

合約是如何創(chuàng)建的？
到底什么是構(gòu)造器？
什么是 fallback 函數(shù)？

我覺(jué)得學(xué)習(xí)在以太坊虛擬機(jī)(EVM)上運(yùn)行的類似Solidity 高級(jí)語(yǔ)言是一種很好的投資，有幾個(gè)原因：

Solidity不是最后一種語(yǔ)言。更好的EVM語(yǔ)言正在到來(lái)。（拜托？）

EVM是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)引擎。要理解智能合約是如何以任意EVM語(yǔ)言來(lái)工作的，就必須要明白數(shù)據(jù)是如何被組織的，被存儲(chǔ)的，以及如何被操作的。

知道如何成為貢獻(xiàn)者。以太坊的工具鏈還處于早期，理解EVM可以幫助你實(shí)現(xiàn)一個(gè)超棒的工具給自己和其他人使用。

智力的挑戰(zhàn)。EVM可以讓你有個(gè)很好的理由在密碼學(xué)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)的交集之間進(jìn)行翱翔。

在這個(gè)系列的文章中，我會(huì)拆開(kāi)一個(gè)簡(jiǎn)單的Solidity合約，來(lái)讓大家明白它是如何以EVM字節(jié)碼(bytecode)來(lái)運(yùn)行的。

我希望能夠?qū)W習(xí)以及會(huì)書(shū)寫的文章大綱：

EVM字節(jié)碼的基礎(chǔ)認(rèn)識(shí)
不同類型(映射，數(shù)組)是如何表示的
當(dāng)一個(gè)新合約創(chuàng)建之后會(huì)發(fā)生什么
當(dāng)一個(gè)方法被調(diào)用時(shí)會(huì)發(fā)生什么
ABI如何橋接不同的EVM語(yǔ)言

我的最終目標(biāo)是整體的理解一個(gè)編譯的Solidity合約。讓我們從閱讀一些基本的EVM字節(jié)碼開(kāi)始。

EVM指令集將是一個(gè)比較有幫助的參考。

一個(gè)簡(jiǎn)單的合約

我們的第一個(gè)合約有一個(gè)構(gòu)造器和一個(gè)狀態(tài)變量：

// c1.sol pragma solidity ^0.4.11; contract C {uint256 a;function C() {a = 1;} }

用solc來(lái)編譯此合約：

$ solc --bin --asm c1.sol ======= c1.sol:C ======= EVM assembly:/* "c1.sol":26:94 contract C {... */mstore(0x40, 0x60)/* "c1.sol":59:92 function C() {... */jumpi(tag_1, iszero(callvalue))0x0dup1revert tag_1: tag_2:/* "c1.sol":84:85 1 */0x1/* "c1.sol":80:81 a */0x0/* "c1.sol":80:85 a = 1 */dup2swap1sstorepop/* "c1.sol":59:92 function C() {... */ tag_3:/* "c1.sol":26:94 contract C {... */ tag_4:dataSize(sub_0)dup1dataOffset(sub_0)0x0codecopy0x0return stop sub_0: assembly {/* "c1.sol":26:94 contract C {... */mstore(0x40, 0x60)tag_1:0x0dup1revert auxdata: 0xa165627a7a72305820af3193f6fd31031a0e0d2de1ad2c27352b1ce081b4f3c92b5650ca4dd542bb770029 } Binary: 60606040523415600e57600080fd5b5b60016000819055505b5b60368060266000396000f30060606040525b600080fd00a165627a7a72305820af3193f6fd31031a0e0d2de1ad2c27352b1ce081b4f3c92b5650ca4dd542bb770029

6060604052...這串?dāng)?shù)字就是EVM實(shí)際運(yùn)行的字節(jié)碼。

一小步一小步的來(lái)

上面一半的編譯匯編是大多數(shù)Solidity程序中都會(huì)存在的樣板語(yǔ)句。我們稍后再來(lái)看這些。現(xiàn)在，我們來(lái)看看合約中獨(dú)特的部分，簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)變量賦值：

a = 1

代表這個(gè)賦值的字節(jié)碼是6001600081905550。我們把它拆成一行一條指令：

60 01 60 00 81 90 55 50

EVM本質(zhì)上就是一個(gè)循環(huán)，從上到下的執(zhí)行每一條命令。讓我們用相應(yīng)的字節(jié)碼來(lái)注釋匯編代碼(縮進(jìn)到標(biāo)簽tag_2下)，來(lái)更好的看看他們之間的關(guān)聯(lián)：

tag_2:// 60 010x1// 60 000x0// 81dup2// 90swap1// 55sstore// 50pop

注意0x1在匯編代碼中實(shí)際上是push(0x1)的速記。這條指令將數(shù)值1壓入棧中。

只是盯著它依然很難明白到底發(fā)生了什么，不過(guò)不用擔(dān)心，一行一行的模擬EVM是比較簡(jiǎn)單的。

模擬EVM

EVM是個(gè)堆棧機(jī)器。指令可能會(huì)使用棧上的數(shù)值作為參數(shù)，也會(huì)將值作為結(jié)果壓入棧中。讓我們來(lái)思考一下add操作。

假設(shè)棧上有兩個(gè)值：

[1 2]

當(dāng)EVM看見(jiàn)了add，它會(huì)將棧頂?shù)?項(xiàng)相加，然后將答案壓入棧中，結(jié)果是：

[3]

接下來(lái)，我們用[]符號(hào)來(lái)標(biāo)識(shí)棧：

// 空棧 stack: [] // 有3個(gè)數(shù)據(jù)的棧，棧頂項(xiàng)為3，棧底項(xiàng)為1 stack: [3 2 1]

用{}符號(hào)來(lái)標(biāo)識(shí)合約存儲(chǔ)器：

// 空存儲(chǔ) store: {} // 數(shù)值0x1被保存在0x0的位置上 store: { 0x0 => 0x1 }

現(xiàn)在讓我們來(lái)看看真正的字節(jié)碼。我們將會(huì)像EVM那樣來(lái)模擬6001600081905550字節(jié)序列，并打印出每條指令的機(jī)器狀態(tài)：

// 60 01:將1壓入棧中 0x1stack: [0x1] // 60 00: 將0壓入棧中 0x0stack: [0x0 0x1] // 81: 復(fù)制棧中的第二項(xiàng) dup2stack: [0x1 0x0 0x1] // 90: 交換棧頂?shù)膬身?xiàng)數(shù)據(jù) swap1stack: [0x0 0x1 0x1] // 55: 將數(shù)值0x01存儲(chǔ)在0x0的位置上 // 這個(gè)操作會(huì)消耗棧頂兩項(xiàng)數(shù)據(jù) sstorestack: [0x1]store: { 0x0 => 0x1 } // 50: pop (丟棄棧頂數(shù)據(jù)) popstack: []store: { 0x0 => 0x1 }

最后，棧就為空棧，而存儲(chǔ)器里面有一項(xiàng)數(shù)據(jù)。

值得注意的是Solidity已經(jīng)決定將狀態(tài)變量uint256 a保存在0x0的位置上。其他語(yǔ)言完全可以選擇將狀態(tài)變量存儲(chǔ)在其他的任何位置上。

6001600081905550字節(jié)序列在本質(zhì)上用EVM的操作偽代碼來(lái)表示就是：

// a = 1 sstore(0x0, 0x1)

仔細(xì)觀察，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)dup2，swap1，pop都是多余的，匯編代碼可以更簡(jiǎn)單一些：

0x1 0x0 sstore

你可以模擬上面的3條指令，然后會(huì)發(fā)現(xiàn)他們的機(jī)器狀態(tài)結(jié)果都是一樣的：

stack: [] store: { 0x0 => 0x1 }

兩個(gè)存儲(chǔ)變量

讓我們?cè)兕~外的增加一個(gè)相同類型的存儲(chǔ)變量：

// c2.sol pragma solidity ^0.4.11; contract C {uint256 a;uint256 b;function C() {a = 1;b = 2;} }

編譯之后，主要來(lái)看tag_2：

$ solc --bin --asm c2.sol //前面的代碼忽略了 tag_2:/* "c2.sol":99:100 1 */0x1/* "c2.sol":95:96 a */0x0/* "c2.sol":95:100 a = 1 */dup2swap1sstorepop/* "c2.sol":112:113 2 */0x2/* "c2.sol":108:109 b */0x1/* "c2.sol":108:113 b = 2 */dup2swap1sstorepop

匯編的偽代碼：

// a = 1 sstore(0x0, 0x1) // b = 2 sstore(0x1, 0x2)

我們可以看到兩個(gè)存儲(chǔ)變量的存儲(chǔ)位置是依次排列的，a在0x0的位置而b在0x1的位置。

存儲(chǔ)打包

每個(gè)存儲(chǔ)槽都可以存儲(chǔ)32個(gè)字節(jié)。如果一個(gè)變量只需要16個(gè)字節(jié)但是使用全部的32個(gè)字節(jié)會(huì)很浪費(fèi)。Solidity為了高效存儲(chǔ)，提供了一個(gè)優(yōu)化方案：如果可以的話，就將兩個(gè)小一點(diǎn)的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行打包然后存儲(chǔ)在一個(gè)存儲(chǔ)槽中。

我們將a和b修改成16字節(jié)的變量：

pragma solidity ^0.4.11; contract C {uint128 a;uint128 b;function C() {a = 1;b = 2;} }

編譯此合約：

$ solc --bin --asm c3.sol

產(chǎn)生的匯編代碼現(xiàn)在更加的復(fù)雜一些：

tag_2:// a = 10x10x0dup10x100expdup2sloaddup20xffffffffffffffffffffffffffffffffmulnotandswap1dup40xffffffffffffffffffffffffffffffffandmulorswap1sstorepop// b = 20x20x00x100x100expdup2sloaddup20xffffffffffffffffffffffffffffffffmulnotandswap1dup40xffffffffffffffffffffffffffffffffandmulorswap1sstorepop

上面的匯編代碼將這兩個(gè)變量打包放在一個(gè)存儲(chǔ)位置(0x0)上，就像這樣：

[ b ][ a ] [16 bytes / 128 bits][16 bytes / 128 bits]

進(jìn)行打包的原因是因?yàn)槟壳白畎嘿F的操作就是存儲(chǔ)的使用：

sstore指令第一次寫入一個(gè)新位置需要花費(fèi)20000 gas
sstore指令后續(xù)寫入一個(gè)已存在的位置需要花費(fèi)5000 gas
sload指令的成本是500 gas
大多數(shù)的指令成本是3~10 gas

通過(guò)使用相同的存儲(chǔ)位置，Solidity為存儲(chǔ)第二個(gè)變量支付5000 gas，而不是20000 gas，節(jié)約了15000 gas。

Gas 的使用

600080547002000000000000000000000000000000006001608060020a03199091166001176001608060020a0316179055

注意0x200000000000000000000000000000000被嵌入到了字節(jié)碼中。但是編譯器也可能選擇使用exp(0x2, 0x81)指令來(lái)計(jì)算數(shù)值，這會(huì)導(dǎo)致更短的字節(jié)碼序列。

但結(jié)果是0x200000000000000000000000000000000比exp(0x2, 0x81)更便宜。讓我們看看與gas費(fèi)用相關(guān)的信息：

一筆交易的每個(gè)零字節(jié)的數(shù)據(jù)或代碼費(fèi)用為 4 gas
一筆交易的每個(gè)非零字節(jié)的數(shù)據(jù)或代碼的費(fèi)用為 68 gas

來(lái)計(jì)算下兩個(gè)表示方式所花費(fèi)的gas成本：

0x200000000000000000000000000000000字節(jié)碼包含了很多的0，更加的便宜。
(1 * 68) + (32 * 4) = 196
608160020a字節(jié)碼更短，但是沒(méi)有0。
5 * 68 = 340

更長(zhǎng)的字節(jié)碼序列有很多的0，所以實(shí)際上更加的便宜！

總結(jié)

EVM的編譯器實(shí)際上不會(huì)為字節(jié)碼的大小、速度或內(nèi)存高效性進(jìn)行優(yōu)化。相反，它會(huì)為gas的使用進(jìn)行優(yōu)化，這間接鼓勵(lì)了計(jì)算的排序，讓以太坊區(qū)塊鏈可以更高效一點(diǎn)。

我們也看到了EVM一些奇特的地方：

EVM是一個(gè)256位的機(jī)器。以32字節(jié)來(lái)處理數(shù)據(jù)是最自然的
持久存儲(chǔ)是相當(dāng)昂貴的
Solidity編譯器會(huì)為了減少gas的使用而做出相應(yīng)的優(yōu)化選擇

Gas成本的設(shè)置有一點(diǎn)武斷，也許未來(lái)會(huì)改變。當(dāng)成本改變的時(shí)候，編譯器也會(huì)做出不同的優(yōu)化選擇。

本系列文章其他部分譯文鏈接：

固定長(zhǎng)度數(shù)據(jù)類型的表示方法(第2部分)
動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)類型的表示方法(第3部分)
ABI編碼外部方法調(diào)用的方式(第4部分)
一個(gè)新合約被創(chuàng)建后會(huì)發(fā)生什么(第5部分)

翻譯作者: 許莉
原文地址：Diving Into The Ethereum VM Part One

作者：Lilymoana
鏈接：https://www.jianshu.com/p/1969f3761208
來(lái)源：簡(jiǎn)書(shū)
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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的深入了解以太坊虚拟机的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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Gas 的使用

總結(jié)

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