以太坊 – 深入浅出虚拟机

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

## 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](https://learnblockchain.cn/2018/01/04/understanding-smart-contracts/)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。 ## 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](https://learnblockchain.cn/2019/06/11/gas-mean/)消耗。 ## 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`。 ## 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。 ## 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](https://www.4byte.directory)） * 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 ``` 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：  ## 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。 ## 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。  ## 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](http://gavwood.com/paper.pdf)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。 ## 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 ### 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： ```javascript pragma solidity ^0.4.25; contract A { int public x; function inc_call(address _contractAddress) public { _contractAddress.call(bytes4(keccak256("inc()"))); } function inc_callcode(address _contractAddress) public { _contractAddress.callcode(bytes4(keccak256("inc()"))); } } contract B { int public x; function inc() public { x++; } } ``` 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。 ### 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： ``` pragma solidity ^0.4.25; contract A { int public x; function inc_callcode(address _contractAddress) public { _contractAddress.callcode(bytes4(keccak256("inc()"))); } function inc_delegatecall(address _contractAddress) public { _contractAddress.delegatecall(bytes4(keccak256("inc()"))); } } contract B { int public x; event senderAddr(address); function inc() public { x++; emit senderAddr(msg.sender); } } ``` 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。 ### 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](https://learnblockchain.cn/2017/11/20/whatiseth/)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。 作者Star Li，公众号[星想法](https://mp.weixin.qq.com/mp/profile_ext?action=home&__biz=MzU5MzMxNTk2Nw==&scene=124#wechat_redirect)有很多原创高质量文章，欢迎大家关注。 [深入浅出区块链](https://learnblockchain.cn/) - 系统学习区块链，学区块链都在这里，打造最好的区块链技术博客。

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。

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。

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。

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。

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

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：

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。

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。

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。

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

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：

pragma solidity ^0.4.25;

contract A {
  int public x;

  function inc_call(address _contractAddress) public {
      _contractAddress.call(bytes4(keccak256("inc()")));
  }
  function inc_callcode(address _contractAddress) public {
      _contractAddress.callcode(bytes4(keccak256("inc()")));
  }
}

contract B {
  int public x;

  function inc() public {
      x++;
  }
}

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。

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：

pragma solidity ^0.4.25;

contract A {
  int public x;

  function inc_callcode(address _contractAddress) public {
      _contractAddress.callcode(bytes4(keccak256("inc()")));
  }
  function inc_delegatecall(address _contractAddress) public {
      _contractAddress.delegatecall(bytes4(keccak256("inc()")));
  }
}

contract B {
  int public x;

  event senderAddr(address);
  function inc() public {
      x++;
      emit senderAddr(msg.sender);
  }
}

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。

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。

作者Star Li，公众号星想法有很多原创高质量文章，欢迎大家关注。

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• 发表于 2019-04-09 20:53
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• 分类：以太坊