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BLO:以太坊虚拟机是如何运行的?_ONS

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译文出自:登链翻译计划

译者:翻译小组

校对:ARC_hunk

如果您曾尝试过在以太坊上开发智能合约,或者至少了解过相关内容,那么你也许会听说过“EVM”,该术语是“以太坊虚拟机”的缩写。就本质而言,虚拟机在代码和机器之间创建了一层抽象,以此提升软件的可移植性,同时确保应用程序与主机、其他应用之间的隔离性。

创建智能合约

智能合约通常使用Solidity编写,这是一种类似于JavaScript和C的语言。其他合约编程语言则包括Vyper和Bamboo等。在Solidity发布之前,Serpent和Mutan也曾被使用过。

智能合约示例(TheGreeter):

pragmasolidity>=0

}contractGreeterisMortal{/*定义greeting变量,它的类型*/stringgreeting;/*合约运行的时候被执行*/constructor(stringmemory_greeting)public{greeting=_greeting;}/*主函数*/functiongreet()publicviewreturns(stringmemory){returngreeting;}}

Solidity这样的智能合约语言无法直接被EVM所执行,他们需先被编译为低级的机器指令。

操作码

从内部来看,EVM通过一组指令来执行特定任务,这组指令被称为操作码。在本文编写之时,目前共有140个不同的操作码,它们使得EVM图灵完备,即在给定足够资源的前提下,足以完成任何计算。由于操作码为1字节大小,最多只可能有256个字节码。简单起见,我们可将所有操作码归为如下几类:

中币(ZB)FIL6Z今日最高涨幅8.47%:据中币(ZB)官网数据显示,FIL6Z 24小时内最高涨幅达8.47%,当前涨幅8.47%,最高价格216.8QC(31.8USDT),当前报价206.58QC(约30.37USDT)。行情波动较大,请注意控制风险。

据悉,昨日中币发布公告,公布其Filecoin期货FIL6Z和QFIL的兑付方式,其中FIL6Z完整兑付周期为180天,QFIL为15到30天之内。[2020/10/12]

栈操作相关的字节码

运算/比较/位操作相关的字节码

环境相关的字节码

内存操作字节码

存储操作字节码

程序计数器相关的字节码

终止相关的字节码

Byzantium分支中的全部操作码,包括Constantinople版本所计划的

字节码

为了有效的保存操作码,操作码会被编码为字节码。每个操作码被赋予一个特定字节。我们来看一下这个字节码:0x6001600101

字节码、拆分后的字节、对应的操作码,还有当前的栈

在执行时,字节码会被拆分为多个字节。位于0x60-0x7f范围内的字节,会以其他方式处理,因为它们包含压栈的数据,这些数据会被添在操作码后面,而不会被当作单独的操作码。

第一个指令是0x60,它的含义是PUSH1。因此,我们知道要压入的数据是1字节长,故我们将下一个字节压入到栈上。现在,栈上已包含了一个数据项,我们来执行下一条指令。由于我们知道0x01属于PUSH指令的一部分,下一条我们要执行的指令是另一个0x60,外加同样的数据。此时栈上包含了两个相同的数据项。最后一个指令是0x01,它对应ADD操作码。这一条指令会从栈上取2个数据项,然后将它们之和压入到栈上,使栈上目前只包含一个数据项:0x02.

中币将于8月5日20:30开启Filecoin期货代币FIL6Z的申购:根据官方公告,中币(ZB)将于8月5日20:30开启Filecoin的六个月流动性期货FIL6Z的申购。此次申购活动仅限中币(ZB)新APP用户。FIL6Z全称Filecoin6Month ZB,是中币(ZB)推出的Filecoin 6个月的期货产品,可在ZB、ZBG、BW多平台流通。

Filecoin是IPFS的代币,IPFS全称InterPlanetary File System,星际文件系统,是一个点对点的分布式文件系统,通过底层协议可以让存储在IPFS系统上的文件.。该项目于 2017年8月启动,在30分钟内筹集了超过2亿美元,投资方包括YC Combinator、文克莱沃斯兄弟基金、红杉资本、DCG集团等机构。[2020/8/2]

合约状态

许多流行的高层编程语言允许用户直接给函数传参,与此不同的是,底层的编程语言则常用栈来给函数传递参数。EVM使用基于256位的寄存器栈,这个栈最近的16个数据项可以被直接访问和操作。整个栈最多保存1024个数据项。

由于这些限制,复杂的操作码会转而使用合约内存来读写数据。然而,内存并非持久化的。当合约执行完成后,内存的内容并不会被保存。因此,栈可以看作函数参数,而内存则可看作声明的变量。

为了能够长久保存数据,并使其可为将来的合约执行所用,我们可以使用存储。合约存储本质上就像是公共数据库,数据可以被外部读取,且无需发送任何交易。但是,比之于写内存,对存储的写入操作则昂贵的多。

合约交互的开销

合约的每次执行,均会在每一个以太坊节点上运行,因此攻击者可以尝试创建那种包含大量计算量的合约,以此来降低网络的速度。为了防止这种攻击发生,每个字节码都有相应的基础gas消耗。此外,一些复杂合约还会收取动态的gas费用。例如,操作码KECCAK256的基础开销是30gas,而其动态开销为6gas/字。比之于简单、直接的指令,计算量高昂的指令会收取更多的gas费用。此外,每笔交易一开始便会收取21000gas。

行情 | 中币(ZB)晚行情:BTC 报 7100 美元:据中币(ZB)交易平台行情数据,截止到今日 18 点,BTC 暂报 7157 美元(-0.5%),ZB 积分暂报 0.18 美元(-0.4%)。

CoinMarketCap 统计的数字货币总市值为 1903 亿美元,24 小时总交易额为 649 亿美元,比特币市值占比 68.2%。全球市值前 100 名的数字货币有 32 支上涨,68 支下跌。

主流资产价格:ETH 报 129 美元(-0.2%),XRP 报 0.19 美元(-0.6%),EOS 报 2.5 美元(-0.5%),LTC 报 41 美元(-0.2%)。中币(ZB)24 小时内涨幅前三的数字货币是:TV(+31.4%)、DDM(+15.5%)、YTNB(+15.3%)。[2020/1/2]

在执行那些降低状态大小的指令时,gas可以被退还。将一个非零的存储数值设为0,将会退还15000gas;完整的移除一个合约会退还24000gas。仅当合约执行完成之后,才会退还资金,因为合约自己无法执行偿还操作。此外,一笔退款的数额,无法超过当前合约调用所耗费的gas的一半。如果您想对gas有更多了解,您可以阅读这一篇文章,写的很好:什么是Gas?

注:伦敦分叉中,gas退还机制有所调整,可参考:EIP-3529:减少gas返还。

在部署智能合约的时候,一个常规的交易会被创建,但不会设置地址。此外,一些字节码会被添加到输入数据上,这个字节码充当了构造函数,它会在runtime字节码被拷贝到合约代码前,初始化存储变量。在部署期间,creation字节码仅会运行一次,而runtime字节码会在每一次合约调用时运行。

另一个Solidity合约示例,及部署它所需要的字节码

我们可以把上述字节码拆分成三部分:

YFI 创始人Andre Cronje:UNI的发布是为了回应SUSHI:YFI创始人Andre Cronje在推特表示:这次UNI的发布,本身是完美的,真是令人惊讶的发布和回顾。

但我不禁觉得这次发布只是为了回应SUSHI。切勿让其他人为你设定步调,要以自己的步伐前进。[2020/9/17]

构造函数

60806040526001600055348015601457600080fd5b5060358060226000396000f3fe

构造函数将初始值写入存储中,并将runtime字节码拷贝到合约内存中

运行时

6080604052600080fdfe

这部分字节码在合约创建的过程中被写入内存

元数据

a165627a7a723058204e048d6cab20eb0d9f95671510277b55a61a582250e04db7f6587a1bebc134d20029

Solidity会创建一份元数据文件,它的Swarm哈希会被添加到字节码尾部。Swarm是一个分布式存储平台外,也是内容分发服务,换句话说是一个分布式文件存储系统。尽管Swarm哈希被纳入到了runtime字节码中,它永远不会被EVM解释为操作码,因为它的位置永远不会被执行到。目前,Solidity使用下述格式:

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

因此,在这个例子,我们可以提取出Swarm的哈希:

4e048d6cab20eb0d9f95671510277b55a61a582250e04db7f6587a1bebc134d2

以太坊币种新玩法 'CryptoKitties'数字宠物或将以暴风雨姿态来袭:加密货币以太坊的持有者周日晚上在虚拟小猫上花费了200多万美元,通过一个名为CryptoKitties的新型区块链游戏进行购买和出售。CryptoKitties 在过去的1500个以太坊区块链交易中占了14%。价格最高达到246以太币一只,约合人民币75万元。[2017/12/5]

元数据文件包含了合约的各种信息,比如编译器版本,合约函数等。不幸的是,这是一个实验中的特性,而且并没有很多的合约会公开将元数据文件上传到Swarm网络上。

反编译字节码

为了让字节码更便于阅读,一些项目提供了相应的工具,比如,你可以使用eveem.org或ethervm.io来反编译主网上的合约。不幸的是,由于编译器优化的缘故,原始合约中的一些信息会丢失,比如函数名、事件名等。尽管如此,多数函数名还是可以通过对常用的函数名、事件名称进行暴力枚举来取得。

合约调用通常需要一个"ABI"(应用程序二进制接口),这是一份描述了所有函数和事件的文档,包含了它们的输入输出信息。当调用合约函数的时候,函数的签名通过对函数名及其输入参数进行哈希并截取前4个字节得到。

Solidity合约示例,及ABI

如上图所示,HelloWorld函数生成的签名哈希是0x7fffb7bd。如果我们想调用这个函数,交易数据的开头就要设置为0x7fffb7bd。函数所需要的参数会按32字节大小,即数据字的大小,添加到交易数据中签名哈希的后面。如果一个参数包含了超过32字节的数据,例如数组或字符串,该参数将被拆分为多个数据字,并添加到输入数据中所有其他参数之后。此外,这些数据字的数目,则会单独编码到一个数据字中,放在具体内容的数据字前面。在这个参数所对应的位置,放入了参数数据字的起始位置。

总结

以太坊为那些使用Solidity和EVM的应用开发者提供了一套去中心化的生态系统。比之于在传统服务器上运行程序,使用智能合约来和EVM交互会昂贵一些,但仍然有很多场景,这些场景中,去中心化要比开销更为重要。如果这篇文章使你对学习开发智能合约产生兴趣,可以看下这篇优秀文章:智能合约入门,深入学习Solidity运行原理。感谢阅读!

参考文章

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

本翻译由CellNetwork赞助支持。

参考资料

登链翻译计划:https://github.com/lbc-team/Pioneer

翻译小组: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/

图灵完备:https://en.wikipedia.org/wiki/Turing_completeness

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

EIP-3529:减少gas返还:https://learnblockchain.cn/article/2529

元数据文件: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

智能合约入门: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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