智能合约从入门到精通:调用数据的布局和ABI

简介:本文将介绍Solidity语言的调用数据的布局和ABI详解。其中调用数据的布局将主要介绍以太坊合约间调用时的消息格式ABI。

好久时间没有更新文章,前文智能合约从入门到精通:Solidity的特性与内部机制中我们介绍了Solidity的特性与内部机制,本文我们将Solidity的调用数据的布局和ABI详解。

调用数据的布局(Layout of CallData)

当Solidity合约被部署后,从某个帐户调用这个合约,需要输入的数据是需要符合the ABI specification, ABI是以太坊的一种合约间调用时的一个消息格式。类似Webservice里的SOAP协议一样;也就是定义操作函数签名,参数编码,返回结果编码等。

ABI详解

函数

基本设计思想

使用ABI协议时必须要求在编译时知道类型,也就是说不支持动态语言那样的声明的变量还会变类型的情况。由于协议假设合约在编译期间知道另一个合约的接口定义,所以协议内没有明确定义存的内容类型(协议非类型内省)。

所以这个协议并不支持合约接口是动态的,或者是仅在运行时才知道类型的情况。如果这些情况很重要,可以使用以太坊生态系统建立自己的基础设施来解决这个问题。

函数选择器

一个函数调用的前四个字节数据指定了要调用的函数签名。计算方式是使用函数签名的keccak256的哈希,取4个字节。

bytes4(keccak256("foo(uint32,bool)"))

函数签名使用基本类型的典型格式(canonical expression)定义,如果有多个参数使用,隔开,要去掉表达式中的所有空格。

参数编码

由于前面的函数签名使用了四个字节,参数的数据将从第五个字节开始。参数的编码方式与返回值,事件的编码方式一致,后面一起介绍。

支持的类型

支持的类型可参考原文2。支持的类型里面有一些比较特殊的是动态内容的类型,比如string,需要存储的空间是不固定的。

编码方式

针对数组参数中的嵌套数组的优化:

访问一个参数属性需要的读取次数,在一个数组结构中最多是数组的深度,比如a_i[k][l][r],最多4次。在之前的ABI协议版本中,在最差情况下读取次数会随着总的动态类型的参数量线性增长。

变量的值或数组的元素间不应该是隔开存储的,可支持重定位,比如使用相对地址来定位。

区分了动态内容类型和固定大小的类型。固定大小的类型按原位置存储到当前块。动态类型的数据则独立存储在其它数据块。

动态内容类型的定义

bytes

string

T[] 某个类型的不定长数组

T[k] 某个类型的定长数组

所有其它类型则称为固定大小的类型。

长度函数的定义

len(a)是二进制字符串a的中的字节数。len(a)的结果类型是uint256。

我们定义enc,编码函数,是一个ABI类型值到二进制串的映射函数,也就是ABI类型到二进制字符串的映射函数。由此len(enc(X))的结果也将因为X是不是动态内容类型而有所不同(也就是说动态内容类型的编码方式稍有不同)。

进一步定义

对于任何ABI的值,根据X的类型不同,我们递归定义enc(X),如下:

对于X是任意类型的T和长度值k,T[k]。

enc(X) = head(X[0]) ... head(x[k-1] tail(X[0]) ... tail(X[k-1])

对于X[i],如果其为固定大小的类型,head函数定义为,head(X[i]) = enc(X[i])。tail函数定义为tail(X[i]) = ""。

对于动态内容类型:

head(X[i]) = enc(len(head(X[0]) ... head(X[k-1]) tail(X[0]) ... tail(X[i-1]))) tail(X[i]) = enc(X[i])

而对于是动态长度的类型的X[i],虽然其长度不确定,但head(X[i])所存值其实是非常明确的,头部中只是存的一个偏移值(offset),这是偏移是实际存储内容处相对enc(X)整个编码内容开始位置来定义的。

上面这个表达式看得有点云里雾里的,但如果没有理解错的话,固定大小的类型在head里就依次编码了,动态内容类型只在head里放了一个从开始到真正内容开始的偏移,在偏移处才真正放内容,内容如果是变长的,就用len(enc(X))函数计算一个值放在前面,标识这个值有多大的内容。

T[] 其中X有k个元素。其中k被认为是uint256,所以enc(k)实际是编码一个uint256。

enc(X) = enc(k) enc(X[1], ..., X[k])

它被以一个静态长度的数据来编码,但将数组所含元素的个长度作为前缀。

具体类型的编码方式

具体编码方式由于细节太多,不完全保证翻译正确,如果要自己实现这样的细节,建议再仔细研究原文文档,下面翻译仅做参考。

bytes,长度k,长度值k是uint256。

enc(X) = enc(k) pad_right(X),先将长度按uint256编码,然后紧跟字节序列格式的X,再用零补足,来保证len(enc(X))是32字节(256位)的倍数。

string

enc(X) = enc(enc_UTF8(X)),这里的utf-8编码被按字节解释及编码;所以后续涉及的长度都是指按字节算的,不是按字符计算。

uint:enc(X)是按大端序编码X,并在左侧高位补足0,使之为32字节的倍数。

address:按uint160编码。

int: enc(X) 是X的按大端序值2的补码表示,如果是负数左侧用1补足,正数左侧用0被足,直到是32的倍数。

bool:按uint8编码。1代表true,0代表false。

fixedx: enc(X) is enc(X * 2N) where X * 2N is interpreted as a int256.

fixed: as in the fixed128x128 case

ufixedx: enc(X) is enc(X * 2N) where X * 2N is interpreted as a uint256.

ufixed: as in the ufixed128x128 case

bytes: enc(X) 是将字节序列用0补足为32位。

所以对于任意的X,len(enc(X))都是32的倍数。

函数选择器和参数编码

总的来说,对函数的f的参数a_1, ..., a_n按以下方式编码:

function_selector(f) enc([a_1,...,a_n])

f函数的对应的返回值v_1,...,v_k编码如下:

enc([v_1, ..., v_k])

这里的[a_1, ..., a_n]和[v_1, ..., v_k],是定长数组,长度分别是n和k。严格说来,[a_1, ..., a_n]是一个含不同类型元素的数组。但即便如此,编码仍然是明确的,因为实际上我们并没有使用这样一种类型T。

例子

contract Foo {

function bar(fixed[2] xy) {}

function baz(uint32 x, bool y) returns (bool r) { r = x > 32 || y; }

function sam(bytes name, bool z, uint[] data) {}

}

如果要调用baz(69, true),要传的字节拆解如下:

0xcdcd77c0: 使用函数选择器确定的函数ID。通过bytes4(keccak256("baz(uint32,bool)"))。

0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000045。第一个参数,uint32位的值69,并补位到32字节。

0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001。第二值boolean类型值true。补位到32字节。

所以最终的串值为:

0xcdcd77c000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000450000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001

返回结果是一个bool值,在这里,返回的是false。所以输出就是一个bool。

0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

动态类型的使用例子

如果我们要值用(0x123, [0x456, 0x789], "1234567890", "Hello, world!")调用函数f(uint,uint32[],bytes10,bytes),编码拆解如下:

bytes4(sha3("f(uint256,uint32[],bytes10,bytes)"))计算MethodID值。对于固定大小的类型值uint256和bytes10,直接编码值。而对于动态内容类型值uint32[]和bytes,我们先编码偏移值,偏移值是整个值编码的开始到真正存这个数据的偏移值(这里不计算头四个用于表示函数签名的字节)。所以依次为:

0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000123,32字节的0x123。

0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000080 (第二个参数的由于是动态内容类型,所以这里存储偏移值,4*32 字节,刚好是头部部分的大小)

0x3132333435363738393000000000000000000000000000000000000000000000 ("1234567890" 在右侧补0到32字节大小)

0x00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000e0 (第四个参数的偏移 = 第一个动态参数的偏移值 + 第一个动态参数的大小 = 432 + 332 动态长度的计算见后)

尾部部分的第一个动态参数,[0x456, 0x789]编码拆解如下:

0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000002 (整个数组的长度,2)。

0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000456 (第一个元素)

0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000789(第二个元素)

最后我们来看看第二个动态参数的的编码,Hello, world!。

0x000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000d (元素的字节长度,13)

0x48656c6c6f2c20776f726c642100000000000000000000000000000000000000 ("Hello, world!" 补位到32字节,里面是按ascii编码的,可以查查对应的编码。)

最终我们得到了下述的编码,为了清晰在函数签名的四个字节后,加了一个换行。

0x8be65246

0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000123

0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000080

3132333435363738393000000000000000000000000000000000000000000000

00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000e0

0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000002

0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000456

0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000789

000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000d

48656c6c6f2c20776f726c642100000000000000000000000000000000000000

Events 事件

Events是抽象出来的以太坊的日志,事件监听协议。日志实体包含合约的地址,一系列的最多可以达到4个的Topic,和任意长度的二进制数据内容。Events依赖ABI函数来解释,日志实体被当成为一个自定义数据结构。

事件有一个给定的事件名称,一系列的事件参数,我们将他们分为两个类别:需要索引的和不需要索引的。需要索引的,可以最多允许有三个,包含使用Keccak hash算法哈希过的事件签名,来组成现在日志实体的Topic。那些不需要索引的组成了Events的字节数组。

一个日志实体使用ABI描述如下:

address: 合约的地址。(由以太坊内部提供)

topics[0]: keccak(EVENT_NAME+"("+EVENT_ARGS.map(canonical_type_of).join(",")+")"),其中的canonical_type_of是返回函数的规范型(Canonical form),如,uint indexed foo,返回的应该是uint256。如果事件本身是匿名定义的,那么Topic[0]将不会自动生成。

Topics[n]: EVENT_INDEXED_ARGS[n-1],其中的EVENT_INDEXED_ARGS表示指定成要索引的事件参数。

data: abi_serialise(EVENT_NON_INDEXED_ARGS)使用ABI协议序列化的没有指定为索引的其它的参数。abi_serialise()是ABI序列函数,用来返回一系列的函数定义的类型值。

JSON格式

合约接口的JSON格式。包含一系列的函数和或事件的描述。一个描述函数的JSON包含下述的字段:

type: 可取值有function,constructor,fallback(无名称的默认函数)

inputs: 一系列的对象,每个对象包含下述属性:

name: 参数名称

type: 参数的规范型(Canonical Type)。

outputs: 一系列的类似inputs的对象,如果无返回值时,可以省略。

constant: true表示函数声明自己不会改变区块链的状态。

payable: true表示函数可以接收ether,否则表示不能。

其中type字段可以省略,默认是function类型。构造器函数和回退函数没有name或outputs。回退函数也没有inputs。

向不支持payable发送ether将会引发异常,禁止这么做。

事件用JSON描述时几乎是一样的:

type: 总是event

name: 事件的名称

inputs: 一系列的对象,每个对象包含下述属性:

name: 参数名称

type: 参数的规范型(Canonical Type)。

indexed: true代表这个这段是日志主题的一部分,false代表是日志数据的一部分。

anonymous: true代表事件是匿名声明的。

示例:

contract Test {

function Test() {

b = 0x12345678901234567890123456789012;

}

event Event(uint indexed a, bytes32 b) event Event2(uint indexed a, bytes32 b) function foo(uint a) {

Event(a, b);

}

bytes32 b;

}

上述代码的JSON格式如下:

[

{

"type": "event",

"inputs": [

{

"name": "a",

"type": "uint256",

"indexed": true

},

{

"name": "b",

"type": "bytes32",

"indexed": false

}

],

"name": "Event"

},

{

"type": "event",

"inputs": [

{

"name": "a",

"type": "uint256",

"indexed": true

},

{

"name": "b",

"type": "bytes32",

"indexed": false

}

],

"name": "Event2"

},

{

"type": "event",

"inputs": [

{

"name": "a",

"type": "uint256",

"indexed": true

},

{

"name": "b",

"type": "bytes32",

"indexed": false

}

],

"name": "Event2"

},

{

"type": "function",

"inputs": [

{

"name": "a",

"type": "uint256"

}

],

"name": "foo",

"outputs": []

}

]

在Javascript中的使用示例:

var Test = eth.contract(

[

{

"type": "event",

"inputs": [

{

"name": "a",

"type": "uint256",

"indexed": true

},

{

"name": "b",

"type": "bytes32",

"indexed": false

}

],

"name": "Event"

},

{

"type": "event",

"inputs": [

{

"name": "a",

"type": "uint256",

"indexed": true

},

{

"name": "b",

"type": "bytes32",

"indexed": false

}

],

"name": "Event2"

},

{

"type": "function",

"inputs": [

{

"name": "a",

"type": "uint256"

}

],

"name": "foo",

"outputs": []

}

]);

var theTest = new Test(addrTest);

// examples of usage:

// every log entry ("event") coming from theTest (i.e. Event & Event2):

var f0 = eth.filter(theTest);

// just log entries ("events") of type "Event" coming from theTest:

var f1 = eth.filter(theTest.Event);

// also written as

var f1 = theTest.Event();

// just log entries ("events") of type "Event" and "Event2" coming from theTest:

var f2 = eth.filter([theTest.Event, theTest.Event2]);

// just log entries ("events") of type "Event" coming from theTest with indexed parameter 'a' equal to 69:

var f3 = eth.filter(theTest.Event, {'a': 69});

// also written as

var f3 = theTest.Event({'a': 69});

// just log entries ("events") of type "Event" coming from theTest with indexed parameter 'a' equal to 69 or 42:

var f4 = eth.filter(theTest.Event, {'a': [69, 42]});

// also written as

var f4 = theTest.Event({'a': [69, 42]});

// options may also be supplied as a second parameter with `earliest`, `latest`, `offset` and `max`, as defined for `eth.filter`.

var options = { 'max': 100 };

var f4 = theTest.Event({'a': [69, 42]}, options);

var trigger;

f4.watch(trigger);

// call foo to make an Event:

theTest.foo(69);

// would call trigger like:

//trigger(theTest.Event, {'a': 69, 'b': '0x12345678901234567890123456789012'}, n);

// where n is the block number that the event triggered in.

实现:

// e.g. f4 would be similar to:

web3.eth.filter({'max': 100, 'address': theTest.address, 'topics': [ [69, 42] ]});

// except that the resultant data would need to be converted from the basic log entry format like:

{

'address': theTest.address,

'topics': [web3.sha3("Event(uint256,bytes32)"), 0x00...0045 /* 69 in hex format */],

'data': '0x12345678901234567890123456789012',

'number': n

}

// into data good for the trigger, specifically the three fields:

Test.Event // derivable from the first topic

{'a': 69, 'b': '0x12345678901234567890123456789012'} // derivable from the 'indexed' bool in the interface, the later 'topics' and the 'data'

n // from the 'number'

事件结果:

[ {

'event': Test.Event,

'args': {'a': 69, 'b': '0x12345678901234567890123456789012'},

'number': n

},

{ ...

} ...

]

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