智能合约的可升级改造实践

背景起因

近期开发基于以太坊的智能合约，为实验室的分布式电商系统提供可信的“第三方信用担保”功能。

由于初期项目需求变动会比较频繁，并且智能合约一经发布于区块链上就无法修改，即使智能合约中有Bug需要修复或者业务逻辑变更，它也不能直接在原有的合约上直接修改再重新发布。因此在即将发布第一版之前，需要结合业务场景考虑合理的升级改造机制。

初版的智能合约主要包括如下功能：

1. 买家创建订单，合约记录订单基本信息并且需要买方向合约支付交易费用

2. 卖家取消订单，卖家在发货前可以取消订单，合约自动将交易费用退回给买家

3. 卖家发货，合约记录相应订单的物流信息，修改订单状态

4. 买家确认收货，合约将交易费用转移至卖家，并且修改订单状态为已完成

5. 基本的订单查询功能

通过简单的需求介绍，可以看出合约中会保存着交易费用，订单数据以及基本的电商交易流程动作。

设计方案

起初写的智能合约全部集中在一个contract，里面会保存交易费用，订单数据以及电商交易的全部流程。一旦发布就不能修改（哪怕是添加一个方法，修改方法逻辑以及数据中添加新的字段，，，），因为重新发布新的合约之后，之前的订单数据以及交易费用全部在旧的合约中，从工程的角度来看，同时维护新旧合约（也许好多个旧合约，，，，）简直不能更糟糕。

因此决定将业务逻辑和数据从合约代码层面就做好分离，即合约分为了两类：逻辑合约以及数据合约。逻辑合约通过访问数据合约获得数据，并对数据做逻辑处理，然后写回数据合约，专注于对数据的逻辑处理和对外提供服务。逻辑合约不存储任何状态；数据合约专注于数据结构定义与所存储数据的读写接口。

逻辑合约与数据合约存在操作关系，逻辑上分为四类：

1. 逻辑合约与数据合约 1对1

2. 逻辑合约与数据合约 1对多

3. 逻辑合约与数据合约 多对1

4. 逻辑合约与数据合约 多对多

根据本项目的业务场景，采取逻辑合约与数据合约1对1的关系（后续业务复杂，可以改造为多对1），综上，初期的设计图如下：

实践

首先进行数据与逻辑的分离。

数据合约

数据合约包括状态，以及每个状态对应读写方法（set&&get），部分代码如下：

逻辑合约

逻辑合约因为仅包含业务逻辑，不会存储任何的数据状态，因此使用Solidity的library进行编写。

Solidity的library

library的好处是它是单实例，只会更新一个library文件，不会像contract那样因为各种依赖产生‘涟漪’效应，对于经常变动的业务逻辑代码，使用library每次更新会节省大量gas消耗。

library是需要被合约调用才能执行的，调用library的contract（下面简称A），使用的delegatecall方法，因此library执行的上下文环境在A中，也就是library的msg.sender是A，并且可以直接修改A中的storage。直白说，A调用library，就是把library的代码import到自己的内部执行了。

入口合约

因为业务逻辑合约使用了library编写，library的调用是需要合约触发的，因此需要一个入口合约，来去调用library操作数据合约，而且对于本项目的实际需求，上面将数据以及逻辑进行分离后，忘记了一个重要的方面，就是资金存储，引入入口合约后，正好解决了这个问题，客户端调用入口合约代码，将资金充入入口合约，并且由入口合约进行资金的转移过程。

入口合约调用library来去操作数据合约的数据，因此在入口合约中，需要引入调用的library（或者是library的interface），这样子，如果library添加一个新的方法，不仅library需要更新，入口合约也是需要更新的，而入口合约的作用包括交易资金托管以及调用library方法，更新发生时，需要有适当的方法将旧的入口合约资金转移到新的入口合约中，因此写了kill函数，当更新发生时，将新的合约地址作为参数，执行如下旧合约的kill方法：

Solidity的using关键词

上面反复提到“入口合约调用library来去操作数据合约的数据”，这个地方使用到了using这个Solidiy关键词。

using关键词是Solidity的contract引用library时使用，例子如下：

pragma solidity ^0.4.15;

library SomeLibrary {

function add(uint self, uint b) returns (uint) {

return self+b;

}

}

contract SomeContract {

using SomeLibrary for uint;

function add3(uint number) returns (uint) {

return number.add(3);

}

}

using SomeLibrary for uint 意思是在SomContract合约中，uint类型的参数可以直接调用SomeLibrary的方法，并且将uint自身作为第一个参数传递到library的方法中。

回到项目中，“入口合约调用library来去操作数据合约的数据”,即调用library方法的同时，需要将数据合约作为参数提供给library，因此代码可以写成如下：

在入口合约初始化的时候，将数据合约赋值给tradeData，因为有了using LogicLibrary for address, 因此address类型的tradeData可以直接调用library的方法，并且将其自身（数据合约的地址）传递给了library。

合约间调用的return问题

按照上面的方式改造，在测试过程中，发现当执行查询数据的时候，合约间返回非定长类型的string，会出错，上stackexchange的Ethereum板块中，找到如下解答：

也就是说Solidity对于合约外部调用，返回变长类型的字段，EVM是不支持的。回到项目本身，因为订单数据中定义了多个string类型数据，没有办法去改变数据结构，因此采取折中的办法，对于查询操作，客户端直接读取数据合约（缺点是目前的设计方案数据合约是不可改的，但是对于查询，可以将数据合约中全部状态写好get方法，并由客户端对返回的状态进行整理是可以满足需求的）。

部署

本项目智能合约使用了Truffle进行开发编写，对于升级改造之后的部署脚本，代码如下：

对于Library与Contract的关联，是通过deployer.link实现在字节码级别上的，并不需要合约代码显式写出来。

最终架构

经过上述实践，智能合约成功完成可升级的改造，架构图如下：

后续

经过上面改造，基本满足实验室分布式电商智能合约的升级需求，但是这种方式应用到其他实际场景中，可能存在的问题包括数据合约无法修改；读写操作客户端需要对两个合约进行操作；缺少proxy合约（使得智能合约升级对于客户端dapp无感知）等。所以智能合约的升级改造，还是要和实际需求相结合，此文尽量满足本身项目需求的同时，使用业内通用方法来去实践，若有不足，望批评指正。

参考文章

1. Writing upgradable contracts in Solidity：https://blog.colony.io/writing-upgradeable-contracts-in-solidity-6743f0eecc88

2. Solidity’s ‘using’ keyword：https://medium.com/@gus_tavo_guim/soliditys-using-keyword-c05c18aaa088

3. One reason to start using Solidity Libraries：http://blog.ethereum-alarm-clock.com/blog/2015/10/25/one-reason-to-start-using-libraries

出处：http://blog.liuhongnan.com/2017/12/24/智能合约的可升级改造实践/#背景起因

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