以太坊 - 深入浅出虚拟机

创业有三种状态:投机,寻租以及自恋。屌丝程序员发现区块链是快速改变自己阶级命运的神器,一股脑冲进去,这是投机。早期的创业者,初初接触商业,寻求各种社会资源,各种“优惠”,努力实现“旱涝保收”的状态,这是寻租。稳定盈利的创业者会自恋,认为自己无所不能。创业过程会在这三种状态之间徘徊。在每个状态都要理智控制自己的情绪和理智。创业,最美妙的心理历程是以自己可控方式进入自恋的状态,做自己想做的事情,反推现状,寻找破局。

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。

01

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,从而降低油费消耗。

02

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。

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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。

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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:

05

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。

06

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。

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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:http://gavwood.com/paper.pdf

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。

08

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
8.1 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:

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。

8.2 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:

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。

8.3 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。

原文发布于微信公众号 - 深入浅出区块链技术(blockchaincore)

原文发表时间:2019-04-12

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