以太坊 - 深入浅出虚拟机EVM

WhiteInterweaves

发布日期: 2020-06-23 12:40:47 浏览量: 55
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*转载请注明来自write-bug.com

在网络上看到一篇介绍以太坊虚拟机EVM基础原理,介绍得很不错的文章,原文链接(https://learnblockchain.cn/2019/04/09/easy-evm ),故转载分享。

虚拟机用来执行以太坊上的交易,更改以太坊状态。交易分两种:普通交易和智能合约交易。在执行交易时需要支付油费。智能合约之间的调用有四种方式。

一、以太坊虚拟机

以太坊虚拟机,简称 EVM,是用来执行以太坊上的交易的。业务流程如下图:

输入一笔交易,内部会转换成一个 Message 对象,传入 EVM 执行。

如果是一笔普通转账交易,那么直接修改 StateDB 中对应的账户余额即可。如果是智能合约的创建或者调用,则通过 EVM 中的解释器加载和执行字节码,执行过程中可能会查询或者修改 StateDB。

二、固定油费(Intrinsic Gas)

每笔交易过来,不管三七二十一先需要收取一笔固定油费,计算方法如下:

如果你的交易不带额外数据(Payload),比如普通转账,那么需要收取 21000 的油费。

如果你的交易携带额外数据,那么这部分数据也是需要收费的,具体来说是按字节收费:字节为 0 的收 4 块,字节不为 0 收 68 块,所以你会看到很多做合约优化的,目的就是减少数据中不为 0 的字节数量,从而降低油费 gas 消耗。

三、生成 Contract 对象

交易会被转换成一个 Message 对象传入 EVM,而 EVM 则会根据 Message 生成一个 Contract 对象以便后续执行:

可以看到,Contract 中会根据合约地址,从 StateDB 中加载对应的代码,后面就可以送入解释器执行了。

另外,执行合约能够消耗的油费有一个上限,就是节点配置的每个区块能够容纳的 GasLimit。

四、送入解释器执行

代码跟输入都有了,就可以送入解释器执行了。EVM 是基于栈的虚拟机,解释器中需要操作四大组件:

  • PC:类似于 CPU 中的 PC 寄存器,指向当前执行的指令

  • Stack:执行堆栈,位宽为 256 bits,最大深度为 1024

  • Memory:内存空间

  • Gas:油费池,耗光邮费则交易执行失败

具体解释执行的流程参见下图:

EVM 的每条指令称为一个 OpCode,占用一个字节,所以指令集最多不超过 256,具体描述参见:https://ethervm.io 。比如下图就是一个示例(PUSH1=0x60, MSTORE=0x52):

首先 PC 会从合约代码中读取一个 OpCode,然后从一个 JumpTable 中检索出对应的 operation,也就是与其相关联的函数集合。接下来会计算该操作需要消耗的油费,如果油费耗光则执行失败,返回 ErrOutOfGas 错误。如果油费充足,则调用 execute()执行该指令,根据指令类型的不同,会分别对 Stack、Memory 或者 StateDB 进行读写操作。

五、调用合约函数

前面分析完了 EVM 解释执行的主要流程,可能有些同学会问:那么 EVM 怎么知道交易想调用的是合约里的哪个函数呢?别急,前面提到跟合约代码一起送到解释器里的还有一个 Input,而这个 Input 数据是由交易提供的。

Input 数据通常分为两个部分:

  • 前面 4 个字节被称为“4-byte signature”,是某个函数签名的 Keccak 哈希值的前 4 个字节,作为该函数的唯一标识。(可以在该网站查询目前所有的函数签名)

  • 后面跟的就是调用该函数需要提供的参数了,长度不定

举个例子:我在部署完 A 合约后,调用 add(1)对应的 Input 数据是

  1. 0x87db03b70000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001

而在我们编译智能合约的时候,编译器会自动在生成的字节码的最前面增加一段函数选择逻辑:

  • 首先通过 CALLDATALOAD 指令将“4-byte signature”压入堆栈中

  • 然后依次跟该合约中包含的函数进行比对,如果匹配则调用 JUMPI 指令跳入该段代码继续执行

这么讲可能有点抽象,我们可以看一看上图中的合约对应的反汇编代码就一目了然了:

这里提到了 CALLDATALOAD,就顺便讲一下数据加载相关的指令,一共有 4 种:

  • CALLDATALOAD:把输入数据加载到 Stack 中

  • CALLDATACOPY:把输入数据加载到 Memory 中

  • CODECOPY:把当前合约代码拷贝到 Memory 中

  • EXTCODECOPY:把外部合约代码拷贝到 Memory 中

最后一个 EXTCODECOPY 不太常用,一般是为了审计第三方合约的字节码是否符合规范,消耗的 gas 一般也比较多。这些指令对应的操作如下图所示:

六、合约调用合约

合约内部调用另外一个合约,有 4 种调用方式:

  • CALL

  • CALLCODE

  • DELEGATECALL

  • STATICALL

后面会专门写篇文章比较它们的异同,这里先以最简单的 CALL 为例,调用流程如下图所示:

可以看到,调用者把调用参数存储在内存中,然后执行 CALL 指令。

CALL 指令执行时会创建新的 Contract 对象,并以内存中的调用参数作为其 Input。

解释器会为新合约的执行创建新的 Stack 和 Memory,从而不会破环原合约的执行环境。

新合约执行完成后,通过 RETURN 指令把执行结果写入之前指定的内存地址,然后原合约继续向后执行。

七、创建合约

前面都是讨论的合约调用,那么创建合约的流程时怎么样的呢?

如果某一笔交易的 to 地址为 nil,则表明该交易是用于创建智能合约的。

首先需要创建合约地址,采用下面的计算公式:Keccak(RLP(call_addr, nonce))[:12]。也就是说,对交易发起人的地址和 nonce 进行 RLP 编码,再算出 Keccak 哈希值,取后 20 个字节作为该合约的地址。

下一步就是根据合约地址创建对应的 stateObject,然后存储交易中包含的合约代码。该合约的所有状态变化会存储在一个 storage trie 中,最终以 Key-Value 的形式存储到 StateDB 中。代码一经存储则无法改变,而 storage trie 中的内容则是可以通过调用合约进行修改的,比如通过 SSTORE 指令。

八、gas 油费计算

最后啰嗦一下油费的计算,计算公式基本上是根据以太坊黄皮书中的定义。

当然你可以直接 read the fucking code,代码位于 core/vm/gas.go 和 core/vm/gas_table.go 中。

九、合约的四种调用方式

在中大型的项目中,我们不可能在一个智能合约中实现所有的功能,而且这样也不利于分工合作。一般情况下,我们会把代码按功能划分到不同的库或者合约中,然后提供接口互相调用。

在 Solidity 中,如果只是为了代码复用,我们会把公共代码抽出来,部署到一个 library 中,后面就可以像调用 C 库、Java 库一样使用了。但是 library 中不允许定义任何 storage 类型的变量,这就意味着 library 不能修改合约的状态。如果需要修改合约状态,我们需要部署一个新的合约,这就涉及到合约调用合约的情况。

合约调用合约有下面 4 种方式:

  • CALL

  • CALLCODE

  • DELEGATECALL

  • STATICCALL

9.1 CALL vs. CALLCODE

CALL 和 CALLCODE 的区别在于:代码执行的上下文环境不同。

具体来说,CALL 修改的是被调用者的 storage,而 CALLCODE 修改的是调用者的 storage。

我们写个合约验证一下我们的理解:

  1. pragma solidity ^0.4.25;
  2. contract A {
  3. int public x;
  4. function inc_call(address _contractAddress) public {
  5. _contractAddress.call(bytes4(keccak256("inc()")));
  6. }
  7. function inc_callcode(address _contractAddress) public {
  8. _contractAddress.callcode(bytes4(keccak256("inc()")));
  9. }
  10. }
  11. contract B {
  12. int public x;
  13. function inc() public {
  14. x++;
  15. }
  16. }

我们先调用一下 inc_call(),然后查询合约 A 和 B 中 x 的值有什么变化:

可以发现,合约 B 中的 x 被修改了,而合约 A 中的 x 还等于 0。

我们再调用一下 inc_callcode() 试试:

可以发现,这次修改的是合约 A 中 x,合约 B 中的 x 保持不变。

9.2 CALLCODE vs. DELEGATECALL

实际上,可以认为 DELEGATECALL 是 CALLCODE 的一个 bugfix 版本,官方已经不建议使用 CALLCODE 了。

CALLCODE 和 DELEGATECALL 的区别在于:msg.sender 不同。

具体来说,DELEGATECALL 会一直使用原始调用者的地址,而 CALLCODE 不会。

我们还是写一段代码来验证我们的理解:

  1. pragma solidity ^0.4.25;
  2. contract A {
  3. int public x;
  4. function inc_callcode(address _contractAddress) public {
  5. _contractAddress.callcode(bytes4(keccak256("inc()")));
  6. }
  7. function inc_delegatecall(address _contractAddress) public {
  8. _contractAddress.delegatecall(bytes4(keccak256("inc()")));
  9. }
  10. }
  11. contract B {
  12. int public x;
  13. event senderAddr(address);
  14. function inc() public {
  15. x++;
  16. emit senderAddr(msg.sender);
  17. }
  18. }

我们首先调用一下 inc_callcode(),观察一下 log 输出:

可以发现,msg.sender 指向合约 A 的地址,而非交易发起者的地址。

我们再调用一下 inc_delegatecall(),观察一下 log 输出:

可以发现,msg.sender 指向的是交易的发起者。

9.3 STATICCALL

STATICCALL 放在这里似乎有滥竽充数之嫌,因为目前 Solidity 中并没有一个 low level API 可以直接调用它,仅仅是计划将来在编译器层面把调用 view 和 pure 类型的函数编译成 STATICCALL 指令。

view 类型的函数表明其不能修改状态变量,而 pure 类型的函数则更加严格,连读取状态变量都不允许。

目前是在编译阶段来检查这一点的,如果不符合规定则会出现编译错误。如果将来换成 STATICCALL 指令,就可以完全在运行时阶段来保证这一点了,你可能会看到一个执行失败的交易。

话不多说,我们就先看看 STATICCALL 的实现代码吧:

可以看到,解释器增加了一个 readOnly 属性,STATICCALL 会把该属性置为 true,如果出现状态变量的写操作,则会返回一个 errWriteProtection 错误。

总结:以太坊虚拟机用来执行以太坊上的交易,更改以太坊状态。交易分两种:普通交易和智能合约交易。在执行交易时需要支付油费。智能合约之间的调用有四种方式。

~原文链接:https://learnblockchain.cn/2019/04/09/easy-evm

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