搞定EVM中的内存数据区

搞定 evm 中的 memory

在第一部分[2]，我们分析了 remix 的第一个合约示例 1_Storage.sol。

// SPDX-License-Identifier: GPL-3.0

pragma solidity >=0.7.0 <0.9.0;

/**
 * @title Storage
 * @dev Store & retrieve value in a variable
 */
contract Storage {

    uint256 number;

    /**
     * @dev Store value in variable
     * @param num value to store
     */
    function store(uint256 num) public {
        number = num;
    }

    /**
     * @dev Return value
     * @return value of 'number'
     */
    function retrieve() public view returns (uint256){
        return number;
    }
}

然后我们编译生成了字节码，并关注了与函数选择有关的部分。在这篇文章中，我们将重点讨论合约运行时字节码的前 5 个字节。

6080604052

60 80                       =   PUSH1 0x80
60 40                       =   PUSH1 0x40
52                          =   MSTORE

这 5 个字节代表了 "自由内存指针(free memory pointer)"的初始化。为了充分了解这意味着什么，以及这些字节的作用，我们必须首先建立你对管理合约内存(memory)的数据结构的认知。

这种功能是由 3 个操作码决定的，这些操作码对内存进行操作。当执行完上面的操作码，你可能会注意到一些奇怪的现象。首先，当我们写入一个单字节数据 0x22 到内存中，然后用 MLOAD8 到内存位置 0x20(十进制：32)取数据时，得到的不是而是

内存(memory)的数据结构

合约内存是一个简单的字节数组，数据可以以 32 字节（256 位）或 1 字节（8 位）为单位存储，以 32 字节（256 位）为单位读取。下面的图片说明了这种结构以及合约内存的读/写功能。

• MSTORE(x, y) - 从内存位置 "x "开始存储一个 32 字节（256 位）的值 "y"。
• MLOAD(x) - 从内存位置 "x "开始读取一个 32 字节（256 位）的值并加载到调用栈(stack)上
• MSTORE8(x, y) - 在内存位置 "x"（32 字节栈值的最小有效字节）存储一个 1 字节（8 位）的值 "y"。你可以把内存位置看成是开始写/读数据的数组索引。如果你想写/读超过一个字节的数据，你只需从下一个数组索引继续写或读。

EVM Playground

这个 EVM 操练场(EVM Playground)将有助于巩固你对这 3 个操作码的理解以及内存位置的工作原理。点击 "运行 "和右上方的卷曲箭头，步进操作码，看看堆栈和内存是如何被改变的。(在操作码的上方有注释，描述了每一部分的作用)

你也许会问了，我们只写入了一个字节，怎么会有这么多的零？

Memory Expansion(内存拓展)

当你的合约写到内存时，你必须为所写的字节数付费。如果你写到一个以前没有被写过的内存区域，那么第一次使用该区域会有一个额外的内存扩展费用。当写到以前未使用的内存空间时，内存以 32 字节（256 位）的增量进行扩展。

内存拓展成本在最初的 724 字节成线性比例增加，之后会以二次方比例增加 上面例子中我们在写入 1 个字节前已经使用了 32 字节内存。再继续写入这一字节，我们开始向之前未使用的内存写入，结果，内存又被扩大了 32 字节的增量，达到 64 字节。请注意，内存中的所有位置最初都被很好地定义为零，这就是为什么我们看到 2200000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 添加到我们的内存。

记住 EVM 中的内存存储器是个字节数组

第二个关键现象你可能已经注意到了，当我们运行 MLOAD 操作码从内存位置 0x21(十进制：33)读取数据时。我们获得一个返回值，并被压入了栈区(stack)。这意味着我们可以从非 32 字节对齐的内存位置读取数据。记住内存是一个字节数组，这意味着我们可以从任何内存位置开始读（和写）。我们不受限制于 32 的倍数。内存是线性的，可以在字节级别上寻址。

内存只能在一个函数中新创建。它可以是新实例化的复杂类型，如数组/结构（例如通过 new int[...]）或从存储引用(storage)的变量中复制。现在我们对数据结构有了一丢丢的了解，让我们回到自由内存指针(free memory pointer)的问题上。

Free Memory Pointer(自由内存指针)

Free Memory Pointer 只是一个指向自由内存开始位置的指针。它确保智能合约知道已写入和未写入的内存位置。这可以防止合约覆盖一些已经分配给另一个变量的内存。当一个变量被写入内存时，合约将首先参考 Free Memory Pointer，以确定数据应该被存储在哪里。然后，它更新 Free Memory Pointer，指出有多少数据将被写入新的位置。这两个值的简单相加将产生新的自由内存的起始位置。

freeMemoryPointer + dataSizeBytes(数据大小) = newFreeMemoryPointer

字节码

如前面所写，freeMemoryPointer 是通过这 5 个字节码相对应的操作码定义的

60 80                       =   PUSH1 0x80
60 40                       =   PUSH1 0x40
52                          =   MSTORE

这些实际上说明了 freeMemoryPointer 在内存中位于 memory 中的 0x40(十进制：64)位置，其值为 0x80(十进制 128). 你可能立马想问咯，为啥会使用 0x40 和 0x80 呢？这个问题下面会解释。

Solidity 的内存布局保留了 4 个 32 字节的插槽:

• 0x00 - 0x3f (64 bytes): scratch space
• 0x40 - 0x5f (32 bytes): free memory pointer
• 0x60 - 0x7f (32 bytes): zero slot 我们可以看到，0x40 是 solidity 为 freeMemoryPointer 预留的位置。值 0x80 只是在 4 个保留的 32 字节的插槽之后第一个可写的位置。我们快速浏览下每个保留部分的作用。

• Scratch space: 可以在语句之间使用，例如在内联汇编语句和哈希方法中使用。（译者注：我也没看懂:(
• Free Memory Pointer: 当前分配的内存大小，自由内存的起始位置，最初为 0x80
• Zero slot: 被用作动态内存数组的初始值，永远不能被写入。

实际合约中的内存

为了巩固我们到目前为止所学到的知识，我们要看一下内存和空闲内存指针是如何在真实的 solidity 代码中更新的。我创建了一个 MemoryLane 合约，并有意让它变得非常简单。它有一个函数，只是定义了两个长度为 5 和 2 的数组，然后给 b[0]赋值为 1。尽管很简单，但当这 3 行代码被执行时，会发生很多事情。

// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.3

contract MemoryLane {

    function memoryLane() public pure {
        bytes32[5] memory a;
        bytes32[2] memory b;
        b[0] = bytes32(uint256(1));
    }
}

为了查看这个 solidity 代码在 EVM 中的执行细节，可以把它复制到一个 remix IDE 中。复制后，你可以编译代码，部署它，运行 memoryLane()函数，然后进入调试模式，逐步浏览操作代码（关于如何做的说明，见这里[3]）。我已经将一个简化版本提取到 EVM Playground 中，并将在下面运行它。简化版按顺序组织操作码，去掉了 JUMP 和任何与内存操作无关的操作码。代码中加入了注释，以解释现在在做啥。这段代码被分成 6 个不同的部分，我们将深入研究。我不能不强调，使用 EVM Playground 和自己按步执行操作码是多么重要。这将大大促进你的学习。现在让我们来看看这 6 个部分。

Free Memory Pointer 初始化（EVM Playground Lines 1-15）

首先，咱已经在上面初步讨论过 FreeMemoryPointer 的初始化，一个 0x80 的值被放入 stack 中。这是 FreeMemoryPointer 的值，由 solidity 的内存布局决定。在这个阶段，我们的内存没有任何东西.

接下来，把 FreeMemoryPointer 的内存位置 0x40 放到 stack 中。

最后，我们调用 MSTORE，从 stack 中弹出 0x40，以确定写入内存的位置，第二个值 0x80 作为写入内容。这样 stack 就空了，但现在内存中存在一些值了。这个内存表示是十六进制的，每个字符代表 4 位。我们在内存中有 192 个十六进制字符，这意味着我们有 96 个字节（1 字节=8 比特=2 个十六进制字符）。如果我们参考 Solidity 的内存布局，我们知道前 64 个字节将被分配为 scratch 空间，接下来的 32 个字节将是 Free Memory Pointer。

内存分配变量 "a "和更新 Free Memory Pointer（EVM Playground 第 16-34 行）

对于剩下的部分，为了简洁起见，我们将跳到每一部分的结束状态，并对所发生的事情做一个高层次的概述。各个操作码的步骤可以通过 EVM 操场看到。接下来为变量 "a"（bytes32[5]）分配内存，并更新 Free Memory Pointer。编译器将通过数组大小和默认的数组元素大小确定需要多少空间。

请记住 Solidity 中内存数组中的元素总是占据 32 字节的倍数（这甚至对 bytes1[]来说也是如此，但对 bytes 和字符串来说不是如此） 数组的大小乘以 32 个字节，告诉我们需要分配多少内存。在这种情况下，5*32 的计算结果是 160，即十六进制的 0xa0。我们可以看到这个值被推入 stack，并与当前的 Free Memory Pointer 位置 0x80（十进制为 128）相加，得到新的 Free Memory Pointer。这将返回 0x120（十进制 288），我们可以看到它已被写入 Free Memory Pointer 位置。调用堆栈将变量 "a "的内存位置 0x80 保留在 stack 中，这样它就可以在以后需要时引用它。0xffff 代表一个 JUMP 位置，可以被忽略，因为它与内存操作无关。

内存初始化变量"a"（EVM Playground 第 35-95 行）

现在，内存已经分配完毕，Free Memory Pointer 也已更新，我们需要为变量 "a "初始化内存空间。由于该变量只是被声明而没有被分配，它将被初始化为零值。为了做到这一点，EVM 使用 CALLDATACOPY，它接收了 3 个变量。

• memoryOffset (要复制数据到哪个内存位置)
• calldataOffset (要复制的 calldata 中的字节偏移)
• size (要复制的字节大小) 在我们的例子中，memoryOffset 是变量 "a "的内存位置（0x80）。calldataOffset 是我们 calldata 的实际大小，因为我们不想复制任何 calldata，我们想用零值初始化内存。最后，大小是 0xa0 或 160 字节，因为这是该变量的大小。我们可以看到我们的内存已经扩展到 288 字节（这包括 zero slot），stack 再次持有变量的内存位置和调用堆栈上的一个 JUMP 位置。

内存分配变量 "B"和更新 Free Memory Pointer（EVM Playground 第 96-112 行）

这与变量 "a "的内存分配和 Free Memory Pointer 更新相同，只是这次是针对 "byte32[2]内存 b"。Free Memory Pointer 被更新为 0x160（十进制 352），这等于之前的 Free Memory Pointer 位置 288 加上新变量的大小（字节 64）。

请注意，Free Memory Pointer 在内存中已经更新到了 0x160，我们现在在 stack 上有变量 "b "的内存位置（0x120）。

内存初始化变量"b"（EVM Playground 第 113-162 行）

与变量 "a "的内存初始化相同。请注意，内存已经增加到 352 字节。stack 仍然保存着 2 个变量的内存位置。

为 b[0]赋值（EVM Playground 第 163-207 行）

最后，我们要给数组 "b "的索引 0 赋值。代码指出 b[0]应该有一个 1 的值。这个值 0x01 被 push 到 stack 的。接下来会发生一个位的左移，但是位移的输入是 0，意味着我们的值不会改变。接下来，要写到 0x00 的数组索引位置被推到 stack 中，并进行检查以确认这个值小于数组的长度 0x02。如果不是，执行就会跳到其他字节码，以处理这个错误状态。MUL(乘法)和 ADD 操作码用于确定在内存中需要写入的数值，以使其对应于正确的数组索引。

0x20 (32 in decimal) * 0x00 (0 in decimal) = 0x00

记住内存数组是 32 字节的元素，所以这个值代表数组索引的起始位置。鉴于我们正在向索引 0 写入，所以偏移值为 0。

0x00 + 0x120 = 0x120 (288 in decimal)

ADD 是用来将这个偏移值添加到变量 "b "的内存位置。鉴于我们的偏移量是 0，我们将直接把数据写到指定的内存位置。最后，一个 MLOAD 将数值 0x01 加载到这个内存位置 0x120。下面的图片显示了函数执行结束时的系统状态。stack 里所有的变量都已经被弹出了。注意在实际的 remix 中，有几个变量留在 stack 上了，一个 JUMP 位置和函数签名，但是它们与内存操作无关，因此在 EVM playground 中被省略了。我们的内存已经被更新，包括 b[0]=1 的赋值，在我们内存的倒数第三行，一个 0 值已经变成了 1。你可以验证该值是否在正确的内存位置，b[0]应该占据位置 0x120 - 0x13f（字节 289 - 320）。

我们终于搞定啦，吸收这么多知识，帮助我们对合约内存的工作有了坚实的理解。下次我们需要写一些 solidity 代码时，这将对我们有好处。当你执行一些合约操作码，看到某些内存位置不断 pop 出（0x40）时，你现在就会知道它们的确切含义。

原文链接：https://noxx.substack.com/p/evm-deep-dives-the-path-to-shadowy-d6b?s=r

猜你喜欢

比特币提现会被银行查吗？

比特币提现会被银行查吗？ 首先，根据《中华人民共和国反洗钱法》、《金融机构大额交易和可疑交易报告管理办法》、《金融机构报告涉嫌恐怖融资的可疑交易管理办法》等法律法规的相关规定，银行会对大额资金的流动做监控，主要是审查来源是否合法，是否涉嫌洗钱。

2022-05-21

比特币暴跌50%！30岁老公玩比特币输了好多钱

比特币暴跌50%！30岁老公玩比特币输了好多钱 过去的一周里，作为一个游曳在币圈边缘的键盘侠，见识了币圈度日如年的跌宕后，仍可以笑看潮起潮落。

2022-05-21

UST爆雷之后，USDT也要爆雷了？

这几天的行情，证明了良心哥的推测非常准确。 首先是5月10日分析luna背后是被人开了黑枪，并且持续看空luna。 次日消息实锤，luna再次跌了个99%。 昨天分析说，luna的死亡螺旋会带崩大盘。

2022-05-21

Luna币7天蒸发2000亿，但更怕的是熊市即将到来！

心哥昨天虽然不知道这里边的细节，但依然非常确定的告诉大家，这是一场狙击战，找的就是这个空档，打出来的子弹是要人命的。 另外排队枪毙这个场景，估计今天很多人也领教了。

2022-05-21

一天蒸发400亿人民币，Luna是如何被狙击的？

你们也都知道良心哥炒币是个渣渣，但良心哥的判断大体还是准确的。 可能这就是从业时间久了的盘感吧。 有人说luna的暴跌，ust抛锚，都他吗赖孙宇晨。 从5月5号孙宇晨宣布进军算法稳定币之后，大盘就崩了

2022-05-21

上一篇

web3与ethers调用对比

下一篇

使用solidity实现一个printf函数