技术入门 | Solidity编程语言 : 基本编译原理介绍与添加新指令

本文目标

本文的主要目的：1、了解solidity的基本编译原理2、通过示例的方式了解如何添加新的指令，不会涉及到solidity语言的语法讲解。

solidity简介

solidity是智能合约的开发语言，是一种语法类似于javascript的高级语言。合约源码经过编译生成虚拟机代码运行在虚拟机中。

开发文档：https://solidity

functionget()publicviewreturns(uint){returnstoredData;}}

abi,data,opcodes

以上代码在remix：

http://remix.ethereum.org/中使用0.5.1commit版本编译生成

abi=,"name":"get","outputs":,"payable":false,"stateMutability":"view","type":"function"},{"constant":false,"inputs":,"name":"set","outputs":,"payable":false,"stateMutability":"nonpayable","type":"function"}]

data="0x60806040526000805534801561001457600080fd5b5060c2806100236000396000f3fe6080604052600436106043576000357c0100000000000000000000000000000000000000000000000000000000900480636d4ce63c146048578063b8e010de146070575b600080fd5b348015605357600080fd5b50605a6084565b6040518082815260200191505060405180910390f35b348015607b57600080fd5b506082608d565b005b60008054905090565b4360008190555056fea165627a7a72305820825c534e94b487410e10fa0ba5da11584c0b0ad2bd9e56397a3dfa89e504ee1f0029"

opcodes="

固定指令：PUSH10x80PUSH10x40MSTORE

变量：PUSH10x0DUP1SSTORE//对应的storedData=0

内联函数：CALLVALUEDUP1ISZEROPUSH20x14JUMPIPUSH10x0DUP1REVERTJUMPDESTPOP//用于出错回滚

部署代码指令：PUSH10xC2DUP1PUSH20x23PUSH10x0CODECOPYPUSH10x0RETURNINVALID//部署合约的核心指令

固定指令：PUSH10x80PUSH10x40MSTORE

固定指令：PUSH10x4CALLDATASIZELT//用于校验input大小。

加载合约代码：PUSH10x43JUMPIPUSH10x0CALLDATALOADPUSH290x100000000000000000000000000000000000000000000000000000000SWAP1DIVDUP1PUSH40x6D4CE63CEQPUSH10x48JUMPIDUP1PUSH40xB8E010DEEQPUSH10x70JUMPIJUMPDESTPUSH10x0DUP1REVERTJUMPDEST

内联函数：CALLVALUEDUP1ISZEROPUSH10x53JUMPIPUSH10x0DUP1REVERTJUMPDESTPOP

get函数：PUSH10x5APUSH10x84JUMPJUMPDESTPUSH10x40MLOADDUP1DUP3DUP2MSTOREPUSH10x20ADDSWAP2POPPOPPUSH10x40MLOADDUP1SWAP2SUBSWAP1RETURNJUMPDEST

内联函数：CALLVALUEDUP1ISZEROPUSH10x7BJUMPIPUSH10x0DUP1REVERTJUMPDESTPOP

set函数：PUSH10x82PUSH10x8DJUMPJUMPDESTSTOPJUMPDESTPUSH10x0DUP1SLOADSWAP1POPSWAP1JUMPJUMPDESTNUMBERPUSH10x0DUP2SWAP1SSTOREPOPJUMPINVALID

其他指令：LOG1PUSH60x627A7A723058KECCAK256DUP30x5cMSTORE80x4eSWAP50xb4DUP8COINBASE0xeLTSTATICCALLSIGNEXTEND0xa50xdaGTPC0x4cSIGNEXTENDEXP0xd20xbdSWAP15JUMPCODECOPYPUSH270x3DFA89E504EE1F0029000000000000000000000000000000000000"//

上述abi，data是在部署合约和执行合约需要的数据。其中abi包含了合约中用到的函数名，函数的输入输出，与函数的属性。opcodes是虚拟机要执行的具体代码指令，data是opcodes的16进制，二者之间可以互相转化。下面介绍下如何生成abi与opcodes。

solidity编译原理简述

这里以上述合约代码为例，简单介绍下解析流程

1、以字符串的形式读入完整合约代码，转第2步；

2、去除字符串前的空格，然后遍历字符串，并以空格，‘{’，'}',';','(',')'等为分隔符将字符串进行分割，然后与TOKEN_LIST中定义的TOKEN进行对比，并替换为应的TOKEN，转第3步。

3、第一个TOKEN是pragma，然后以pragma为开始，直到';'结束，确定语言为solidity，版本号大于等于0.5.0，并比较当前编译器版本是否匹配，转第4步。

4、继续遍历，TOKEN为contract,，然后从contract开始，确定下一个字符串storenumber为contractname，继续遍历，从‘{’开始，，到配对的‘}’结束，此时确定了合约名为storenumber的合约内容，转第9步。

5、继续遍历，TOKEN为uint,判断为数据类型，以‘；’为结尾，确定数据类型为uint,类型名为storedData，转第6步

6、继续遍历，TOKEN为function，后续字符串set为函数名，以‘(’，开始，以‘)’为终确定input为空，继续遍历TOKEN为public，确定函数属性，继续遍历TOKEN为‘{’，以配对的‘}’为结束，确定函数体，转第7步。

7、继续遍历，TOKEN为function，处理逻辑与第6步相同，但是增加了view属性与returns，returns的解析结果对应了abi中的outputs，转第8步。

8、继续遍历遇到与合约初始‘{’配对的‘}’，转第4步继续处理。

9、遍历结束，进行合法性检查(语法检查，命名规则检查，指令检查等)，转第10步。

10、开始编译合约，即opcodes的生成过程。编译过程可分成三个过程，转第11步。

11、编译初始化。初始化指令是固定的：PUSH10x80PUSH10x40MSTORE。然后取出所有的状态变量，这里的状态变量会被编译为：PUSH10x0DUP1SSTORE，转到第12步。

备注：1、这里的指令并不是一开始就是这样，而是后期经过翻译过的，比如PUSH10x80在这里的正确表示方式是AssembllyItem(type:pushdata,data:0x80)，之后经过token,instruction的对应转化为指令2、状态变量指令PUSH10x0DUP1SSTORE表示初始化变量为值为零，变量位置偏移为0。如果代码中初始化为1，这里的指令会编译成PUSH10x1PUSH10x0SSTORE。如果增加一个变量初始化为3，则会被编译为PUSH10x1PUSH10x0SSTOREPUSH10x3PUSH10x1SSTORE

12、继续编译，主要是完成对函数的编译，添加一个用于检查并回滚的内联函数。对应的指令：CALLVALUEDUP1ISZEROPUSH20x14JUMPIPUSH10x0DUP1REVERTJUMPDESTPOP，转13步；

13、添加合约初始化：PUSH10xC2DUP1PUSH20x23PUSH10x0CODECOPYPUSH10x0RETURN。至此，部署合约的主要opcodes生成完毕。下面开始编译函数，转14步；

14、先根据所有的函数名生成对应的函数地址，如例子中的0x6D4CE63C，0xB8E010DE，实际调用函数的时候在查看交易的input中，就有这个值，转15步；

15、编译函数，生成各个函数的指令，可参照前文示例。转16步；

16、最后编译missingFunctions。转17步；

17、打印结果，编译结束。

上述解析的流程只是介绍了基本的思路，实际的处理过程要复杂的多，因为合约中可以有类，继承，多态，接口，库等形式的存在，需要进行一些额外的处理。

生成abi:

abi的内容是合约内函数的相关信息，包括函数的constant,name,inputs,outputs,payable,stateMutability,type,从上述第2至8步的解析即可获取到上述信息，然后封装成json返回给前端即可。

生成opcodes:

上述第10到16步内流程即是生成cpcodes的过程，在实际使用中，用的opcodes的16进制。

添加新指令

影响范围

根据上述编译流程的解析，要添加新的指令，需要考虑以下4点

1、token的定义：语法定义，比如token{Add,+}，将+与Add对应起来，解析的时候将代码中的+替换为Add

2、instruction的定义：提供给虚拟机执行的指令,需要在编译器和虚拟机中添加相同的定义

3、casetoken的处理：将token与instruction对应起来，编译的过程中将token::Add替换为instruction::ADD指令，供虚拟机识别。

4、新指令对编译的影响：比如对函数的影响，对存储的影响等，这个修改可以参考其他的同类型指令，比如添加的是运算符就参考加减乘除指令，添加的是块属性就参考已有的number,gaslimit指令。

5、虚拟机中对新加指令的定义与处理

示例：以添加RANDOM指令(获取块中的随机数属性，可参考number属性，合约中以block.number,block.random的方式进行使用)为例，说明在代码中添加的位置。

修改编译器代码

1、查看token定义，代码位置：liblangutil/Token.h。在TOKEN_LIST已定义了2中类型的token,一种是关键字token,一种是非关键字token,如括号，运算符，数据类型。要添加的random不是以上类型，不需要进行token定义。

#token定义示例，格式为M(name,string,precedence),M可以是T或者K，T表示非关键字token，K表示关键字token。name表示token名称，string为token的原生字符串，precedence表示优先级。

#defineTOKEN_LIST(T,K)

......

T(LParen,"(",0)

T(RParen,")",0)

T(LBrack,"[",0)

T(RBrack,"]",0)

T(AssignShr,">>>=",2)

T(AssignAdd,"+=",2)

T(AssignSub,"-=",2)

......

K(Continue,"continue",0)

K(Contract,"contract",0)

K(Do,"do",0)

K(Else,"else",0)

......

2、指令定义，代码位置：libevmasm/Instruction.h。在enumcalssInstruction中找到block的相关属性，并在其后追加RANDOM指令。如下所示，RANDOM=0x46。注意添加的指令号不能与其他的冲突，比如不能再添加一个0x40的指令，会与现有的BLOCKHASH指令冲突。

enumclassInstruction:uint8_t{......BLOCKHASH=0x40,///<gethashofmostrecentcompleteblockCOINBASE,///<gettheblock'scoinbaseaddressTIMESTAMP,///<gettheblock'stimestampNUMBER,///<gettheblock'snumberDIFFICULTY,///<gettheblock'sdifficultyGASLIMIT,///<gettheblock'sgaslimitRANDOM,......

}

上述定义为16进制，需要有一个字符串的"RANDOM"与指令对应，代码位置libevmasm/Instruction.cpp中。

std::map<std::string,Instruction>constdev::solidity::c_instructions={......{"NUMBER",Instruction::NUMBER},{"DIFFICULTY",Instruction::DIFFICULTY},{"GASLIMIT",Instruction::GASLIMIT},{"RANDOM",Instruction::RANDOM},......}staticstd::map<Instruction,InstructionInfo>constc_instructionInfo={......{Instruction::ADD,{"ADD",0,2,1,false,Tier::VeryLow}},{Instruction::NUMBER,{"NUMBER",0,0,1,false,Tier::Base}},{Instruction::DIFFICULTY,{"DIFFICULTY",0,0,1,false,Tier::Base}},{Instruction::GASLIMIT,{"GASLIMIT",0,0,1,false,Tier::Base}},{Instruction::RANDOM,{"RANDOM",0,0,1,false,Tier::Base}},......}//后面的0,0,1，false,Tier::Base是可变的，根据指令的需要。第一个默认为0即可，第二个0表示参数个数，1表示需要1个返回值。false可理解为只在虚拟机内部使用，如果涉及到数据库的读写，这里要填成true。最后的Tier::Base是gasprice的级别，根据需要填写即可。

3、指令的处理:代码位置libsolidity/codegen/ExpressionCompiler.cpp

boolExpressionCompiler::visit(MemberAccessconst&_memberAccess){......caseType::Category::Magic:if(member=="coinbase")m_context<<Instruction::COINBASE;elseif(member=="timestamp")m_context<<Instruction::TIMESTAMP;elseif(member=="difficulty")m_context<<Instruction::DIFFICULTY;elseif(member=="number")m_context<<Instruction::NUMBER;elseif(member=="gaslimit")m_context<<Instruction::GASLIMIT;elseif(member=="random")m_context<<Instruction::RANDOM;......}//不同的指令有不同的case进行处理，比如token:Add的处理如下：voidExpressionCompiler::appendArithmeticOperatorCode(Token_operator,Typeconst&_type){......switch(_operator){caseToken::Add:m_context<<Instruction::ADD;break;caseToken::Sub:m_context<<Instruction::SUB;break;caseToken::Mul:m_context<<Instruction::MUL;break;......}//如果添加的是其他类型的指令，就找到对应的case添加即可。

4、对函数，存储的影响：

确定数据类型，代码位置libsolidity/ast/Types.cpp

MemberList::MemberMapMagicType::nativeMembers(ContractDefinitionconst*)const{//指定存储的数据类型......caseKind::Block:returnMemberList::MemberMap({{"coinbase",make_shared<AddressType>(StateMutability::Payable。,{"timestamp",make_shared<IntegerType>(256。,{"blockhash",make_shared<FunctionType>(strings{"uint"},strings{"bytes32"},FunctionType::Kind::BlockHash,false,StateMutability::View。,{"difficulty",make_shared<IntegerType>(256。,{"number",make_shared<IntegerType>(256。,{"gaslimit",make_shared<IntegerType>(256。,{"random",make_shared<IntegerType>(256。//注意这里，设置数据类型为uint256,如果需要其他数据类型，参考libsolidity/ast/Types.h中的类型定义});......

对函数的影响：代码位置libevmasm/Semanticlnformation.cpp

boolSemanticInformation::invalidInPureFunctions(Instruction_instruction)

{

switch(_instruction)

{

......

caseInstruction::TIMESTAMP:

caseInstruction::NUMBER:

caseInstruction::DIFFICULTY:

caseInstruction::GASLIMIT:

caseInstruction::RANDOM://增加的random指令影响函数的Pure属性。returntrue表示该函数不能使用pure关键字。

caseInstruction::STATICCALL:

caseInstruction::SLOAD:

returntrue;

default:

break;

}

returninvalidInViewFunctions(_instruction);

}

修改虚拟机代码

random指令的定义，代码位置：hvm/evm/opcodes.go

const(

//0x40range-blockoperations

BLOCKHASHOpCode=0x40+iota

COINBASE

TIMESTAMP

NUMBER

DIFFICULTY

GASLIMIT

RANDOM//新增

)

varopCodeToString=mapstring{

......

NUMBER:"NUMBER",

DIFFICULTY:"DIFFICULTY",

GASLIMIT:"GASLIMIT",

RANDOM:"RANDOM",//新增

......

}

varstringToOp=mapOpCode{

......

"NUMBER":NUMBER,

"DIFFICULTY":DIFFICULTY,

"GASLIMIT":GASLIMIT,

"RANDOM":RANDOM,//新增

......

}

指令操作的定义：代码位置：hvm/evm/jump_table.go,添加指令的操作属性

instructionSet=operation{

execute:opRandom,

gasCost:constGasFunc(GasQuickStep),

validateStack:makeStackFunc(0,1),

valid:true,

}

上述操作码对应函数opRandom的定义：代码位置hvm/evm/instrucitons.go，可参考number函数的定义

funcopNumber(pc*uint64,evm*EVM,contract*Contract,memory*Memory,stack*Stack)(byte,error){

stack.push(math.U256(new(big.Int).Set(evm.BlockNumber)))

returnnil,nil

}

funcopRandom(pc*uint64,evm*EVM,contract*Contract,memory*Memory,stack*Stack)(byte,error){

stack.push(math.U256(new(big.Int).Set(evm.Random)))

returnnil,nil

}

上述opRandom中使用了evm.Random，因此需要在evm结构体增加Random的属性。代码位置hvm/evm/evm.go

typeContextstruct{

......

Coinbasecommon.Address//ProvidesinformationforCOINBASE

GasLimit*big.Int//ProvidesinformationforGASLIMIT

BlockNumber*big.Int//ProvidesinformationforNUMBER

Time*big.Int//ProvidesinformationforTIME

Difficulty*big.Int//ProvidesinformationforDIFFICULTY

Random*big.Int//新增

}

上述增加了Random属性，需要对其进行初始化，代码位置为：hvm/hvm.go

funcNewEVMContext(msgMessage,header*types.Header,chainChainContext,author*common.Address)evm.Context{

......

returnevm.Context{

CanTransfer:CanTransfer,

Transfer:Transfer,

GetHash:GetHashFn(header,chain),

Origin:msg.From(),

Coinbase:beneficiary,

BlockNumber:new(big.Int).Set(header.Number),

Time:new(big.Int).Set(header.Time),

Difficulty:new(big.Int).Set(header.Difficulty),

GasLimit:new(big.Int).Set(header.GasLimit),

Random:new(big.Int).Set(header.Random),//新增

GasPrice:new(big.Int).Set(msg.GasPrice()),

}

}

上述获取的header为当前校验的块的header。header.Random的增加与生成此处不介绍了。

至此，编译源码与虚拟机源码添加Random指令修改完成。

生成编译器

1、下载源码：gitclone

https://github.com/ethereum/solidity

2、cdsolidity&&gitcheckoutv0.5.7#本文例子以v0.5.7版本为基础版本进行修改

3、按照前文介绍修改相关代码

4、编译源码生成编译器

二进制编译器：mkdirbuild&&cdbuild&&cmake..&&make#执行完成后生成二进制文件：solc

js编译器：执行./scripts/build_emscripten.sh#执行完成后生成js文件：soljson.js

5、使用编译器编译合约代码

使用二进制编译器：solc--abitest.sol#生成abi

solc--bintest.sol#生成data

solc--opcodestest.sol#查看opcodes

使用js编译器：可以将soljson.js替换到remix中进行测试。需要搭建remix环境并修改soljson.js的加载路径或者自行编写js脚本进行测试。

6、按照前文介绍修改虚拟机代码并部署到测试链，使用上述生成的abi，data进行链上测试，合约部署和调用过程不在赘述。

注：如有问题请在下方留言联系我们技术社群。

汪晓明博客：http://wangxiaoming.com/

汪晓明：HPB芯链创始人，巴比特专栏作家。十余年金融大数据、区块链技术开发经验，曾参与创建银联大数据。主创区块链教学视频节目《明说》30多期，编写了《以太坊官网文档中文版》，并作为主要作者编写了《区块链开发指南》，在中国区块链社区以ID“蓝莲花”知名。

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