THE:以太坊虛擬機是如何運行的？

譯文出自：登鏈翻譯計劃

譯者：翻譯小組

校對：ARC_hunk

如果您曾嘗試過在以太坊上開發智能合約，或者至少了解過相關內容，那么你也許會聽說過“EVM”，該術語是“以太坊虛擬機”的縮寫。就本質而言，虛擬機在代碼和機器之間創建了一層抽象，以此提升軟件的可移植性，同時確保應用程序與主機、其他應用之間的隔離性。

創建智能合約

智能合約通常使用Solidity編寫，這是一種類似于JavaScript和C的語言。其他合約編程語言則包括Vyper和Bamboo等。在Solidity發布之前，Serpent和Mutan也曾被使用過。

智能合約示例(TheGreeter)：

pragmasolidity>=0

}contractGreeterisMortal{/*定義greeting變量，它的類型*/stringgreeting;/*合約運行的時候被執行*/constructor(stringmemory_greeting)public{greeting=_greeting;}/*主函數*/functiongreet()publicviewreturns(stringmemory){returngreeting;}}

Solidity這樣的智能合約語言無法直接被EVM所執行，他們需先被編譯為低級的機器指令。

操作碼

從內部來看，EVM通過一組指令來執行特定任務，這組指令被稱為操作碼。在本文編寫之時，目前共有140個不同的操作碼，它們使得EVM圖靈完備，即在給定足夠資源的前提下，足以完成任何計算。由于操作碼為1字節大小，最多只可能有256個字節碼。簡單起見，我們可將所有操作碼歸為如下幾類：

紐約市安全副市長稱其比特幣和以太坊購買價值最高為15萬美元:8月16日消息，根據紐約市利益沖突委員披露，紐約市負責公共安全的副市長 Phil Banks 的資產和投資在 2021 年價值高達 645 萬美元，另外，Phil Banks 表示其購買過價值 1.5 萬美元至 15 萬美元的比特幣和以太坊。（彭博社）[2022/8/16 12:28:56]

棧操作相關的字節碼

運算/比較/位操作相關的字節碼

環境相關的字節碼

內存操作字節碼

存儲操作字節碼

程序計數器相關的字節碼

終止相關的字節碼

Byzantium分支中的全部操作碼，包括Constantinople版本所計劃的

字節碼

為了有效的保存操作碼，操作碼會被編碼為字節碼。每個操作碼被賦予一個特定字節。我們來看一下這個字節碼：0x6001600101

字節碼、拆分后的字節、對應的操作碼，還有當前的棧

在執行時，字節碼會被拆分為多個字節。位于0x60-0x7f范圍內的字節，會以其他方式處理，因為它們包含壓棧的數據，這些數據會被添在操作碼后面，而不會被當作單獨的操作碼。

第一個指令是0x60，它的含義是PUSH1。因此，我們知道要壓入的數據是1字節長，故我們將下一個字節壓入到棧上。現在，棧上已包含了一個數據項，我們來執行下一條指令。由于我們知道0x01屬于PUSH指令的一部分，下一條我們要執行的指令是另一個0x60，外加同樣的數據。此時棧上包含了兩個相同的數據項。最后一個指令是0x01，它對應ADD操作碼。這一條指令會從棧上取2個數據項，然后將它們之和壓入到棧上，使棧上目前只包含一個數據項：0x02.

以太坊聯合創始人：正在投資Polkadot和Cardano:金色財經報道，以太坊聯合創始人Anthony Di Iorio表示，他正在投資于Cardano和Polkadot，并押注它們的未來。[2021/6/12 23:32:26]

合約狀態

許多流行的高層編程語言允許用戶直接給函數傳參，與此不同的是，底層的編程語言則常用棧來給函數傳遞參數。EVM使用基于256位的寄存器棧，這個棧最近的16個數據項可以被直接訪問和操作。整個棧最多保存1024個數據項。

由于這些限制，復雜的操作碼會轉而使用合約內存來讀寫數據。然而，內存并非持久化的。當合約執行完成后，內存的內容并不會被保存。因此，棧可以看作函數參數，而內存則可看作聲明的變量。

為了能夠長久保存數據，并使其可為將來的合約執行所用，我們可以使用存儲。合約存儲本質上就像是公共數據庫，數據可以被外部讀取，且無需發送任何交易。但是，比之于寫內存，對存儲的寫入操作則昂貴的多。

合約交互的開銷

合約的每次執行，均會在每一個以太坊節點上運行，因此攻擊者可以嘗試創建那種包含大量計算量的合約，以此來降低網絡的速度。為了防止這種攻擊發生，每個字節碼都有相應的基礎gas消耗。此外，一些復雜合約還會收取動態的gas費用。例如，操作碼KECCAK256的基礎開銷是30gas，而其動態開銷為6gas/字。比之于簡單、直接的指令，計算量高昂的指令會收取更多的gas費用。此外，每筆交易一開始便會收取21000gas。

在執行那些降低狀態大小的指令時，gas可以被退還。將一個非零的存儲數值設為0，將會退還15000gas；完整的移除一個合約會退還24000gas。僅當合約執行完成之后，才會退還資金，因為合約自己無法執行償還操作。此外，一筆退款的數額，無法超過當前合約調用所耗費的gas的一半。如果您想對gas有更多了解，您可以閱讀這一篇文章，寫的很好：什么是Gas？

以太坊社區圍繞EIP-1559提案討論仍陷膠著狀態:據Cointelegraph 3月15日消息，以太坊社區針對EIP-1559提案討論仍處于膠著狀態。針對3月13日，礦工提出針對EIP-1559的提案EIP-3368，即擬將當前區塊獎勵從2ETH增加至3ETH，已有礦池Red Panda Mining表示支持該提議，并承諾不再參與51小時算力轉移示威活動。雖然這表明部分以太坊礦工和開發者可能準備達成某種形式的妥協，但根據以太坊社區論壇關于EIP-3368提案的討論表明，以太坊社區當前仍然呈現分裂態勢。與此同時，礦工群體內部似乎也對EIP-3358提案產生了抵制，許多人在Twitter上回復表示，許多礦工仍然希望展示自己的力量。此前3月11日消息，ETH礦工計劃發起51小時算力轉移示威活動以反對EIP-1559，隨后有礦工提出針對EIP-1559的提案EIP-3368，擬將當前區塊獎勵從2ETH增加至3ETH。[2021/3/15 18:45:17]

注：倫敦分叉中，gas退還機制有所調整，可參考：EIP-3529:減少gas返還。

在部署智能合約的時候，一個常規的交易會被創建，但不會設置地址。此外，一些字節碼會被添加到輸入數據上，這個字節碼充當了構造函數，它會在runtime字節碼被拷貝到合約代碼前，初始化存儲變量。在部署期間，creation字節碼僅會運行一次，而runtime字節碼會在每一次合約調用時運行。

另一個Solidity合約示例，及部署它所需要的字節碼

我們可以把上述字節碼拆分成三部分：

構造函數

60806040526001600055348015601457600080fd5b5060358060226000396000f3fe

構造函數將初始值寫入存儲中，并將runtime字節碼拷貝到合約內存中

Circle向以太坊網絡新增發1,918萬枚USDC:據DAppTotal.com穩定幣專題頁面數據顯示：10月02日23時54分 ，USDC發行方Circle向以太坊網絡新增發1筆價值1,918萬美元的USDC， 塊高度為：10977516，交易哈希值為：0xf19bc2c998e033d4642091fa9691706ab4bee1de35bafc7be8cc76d0046141fe 。截至目前，Circle在以太坊網絡上的ERC20 USDC總發行量已達2,586,263,353枚。[2020/10/3]

運行時

6080604052600080fdfe

這部分字節碼在合約創建的過程中被寫入內存

元數據

a165627a7a723058204e048d6cab20eb0d9f95671510277b55a61a582250e04db7f6587a1bebc134d20029

Solidity會創建一份元數據文件，它的Swarm哈希會被添加到字節碼尾部。Swarm是一個分布式存儲平臺外，也是內容分發服務，換句話說是一個分布式文件存儲系統。盡管Swarm哈希被納入到了runtime字節碼中，它永遠不會被EVM解釋為操作碼，因為它的位置永遠不會被執行到。目前，Solidity使用下述格式：

0xa10x65'b''z''z''r''0'0x580x200x000x29

因此，在這個例子，我們可以提取出Swarm的哈希：

4e048d6cab20eb0d9f95671510277b55a61a582250e04db7f6587a1bebc134d2

元數據文件包含了合約的各種信息，比如編譯器版本，合約函數等。不幸的是，這是一個實驗中的特性，而且并沒有很多的合約會公開將元數據文件上傳到Swarm網絡上。

比特幣開發者：穩定幣將不會在以太坊上保持主導地位:金色財經報道，就“穩定幣USDC將在Algorand區塊鏈上推出”一事，比特幣開發者Udi Wertheimer在推特表示，這本身并不是一件大事，但總體趨勢是明顯的：穩定幣將不會在以太坊上保持主導地位，使用量將遷移到如Algorand、Tron等中心化數據庫中。[2020/6/25]

反編譯字節碼

為了讓字節碼更便于閱讀，一些項目提供了相應的工具，比如，你可以使用eveem.org或ethervm.io來反編譯主網上的合約。不幸的是，由于編譯器優化的緣故，原始合約中的一些信息會丟失，比如函數名、事件名等。盡管如此，多數函數名還是可以通過對常用的函數名、事件名稱進行暴力枚舉來取得。

合約調用通常需要一個"ABI"(應用程序二進制接口)，這是一份描述了所有函數和事件的文檔，包含了它們的輸入輸出信息。當調用合約函數的時候，函數的簽名通過對函數名及其輸入參數進行哈希并截取前4個字節得到。

Solidity合約示例，及ABI

如上圖所示，HelloWorld函數生成的簽名哈希是0x7fffb7bd。如果我們想調用這個函數，交易數據的開頭就要設置為0x7fffb7bd。函數所需要的參數會按32字節大小，即數據字的大小，添加到交易數據中簽名哈希的后面。如果一個參數包含了超過32字節的數據，例如數組或字符串，該參數將被拆分為多個數據字，并添加到輸入數據中所有其他參數之后。此外，這些數據字的數目，則會單獨編碼到一個數據字中，放在具體內容的數據字前面。在這個參數所對應的位置，放入了參數數據字的起始位置。

總結

以太坊為那些使用Solidity和EVM的應用開發者提供了一套去中心化的生態系統。比之于在傳統服務器上運行程序，使用智能合約來和EVM交互會昂貴一些，但仍然有很多場景，這些場景中，去中心化要比開銷更為重要。如果這篇文章使你對學習開發智能合約產生興趣，可以看下這篇優秀文章：智能合約入門，深入學習Solidity運行原理。感謝閱讀！

參考文章

Wood,G.(2014).Ethereum:AsecuredecentralisedgeneralisedtransactionledgerEthereumFoundation.(2016).SolidityDocumentationSantander,A.,&Arias,L.(2018).DeconstructingaSolidityContractHoward.(2017).DivingIntoTheEthereumVirtualMachine

本翻譯由CellNetwork贊助支持。

參考資料

登鏈翻譯計劃:https://github.com/lbc-team/Pioneer

翻譯小組:https://learnblockchain.cn/people/412

ARC_hunk:https://learnblockchain.cn/people/3904

Solidity:https://github.com/ethereum/solidity

Vyper:https://github.com/ethereum/vyper

Bamboo:https://github.com/cornellblockchain/bamboo

Serpent:https://github.com/ethereum/serpent

Mutan:https://github.com/obscuren/mutan

TheGreeter:https://ethereum.org/en/developers/

圖靈完備:https://en.wikipedia.org/wiki/Turing_completeness

什么是Gas？:https://support.mycrypto.com/gas/what-is-gas-ethereum.html

EIP-3529:減少gas返還:https://learnblockchain.cn/article/2529

元數據文件:https://solidity.readthedocs.io/en/v0.5.2/metadata.html

Swarm哈希:https://github.com/ethereum/wiki/wiki/Swarm-Hash

eveem.org:https://eveem.org/

ethervm.io:https://ethervm.io/

4byte.directory:https://www.4byte.directory/

keccak256:https://en.wikipedia.org/wiki/SHA-3

智能合約入門:https://learnblockchain.cn/docs/solidity/solidity-by-example.html

Wood,G.(2014).Ethereum:Asecuredecentralisedgeneralisedtransactionledger:https://ethereum.github.io/yellowpaper/paper.pdf

EthereumFoundation.(2016).SolidityDocumentation:https://solidity.readthedocs.io/en/latest/

Santander,A.,&Arias,L.(2018).DeconstructingaSolidityContract:https://blog.zeppelin.solutions/deconstructing-a-solidity-contract-part-i-introduction-832efd2d7737

Howard.(2017).DivingIntoTheEthereumVirtualMachine:https://blog.qtum.org/ping-into-the-ethereum-vm-6e8d5d2f3c30

CellNetwork:https://www.cellnetwork.io/?utm_souce=learnblockchain

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