汪晓明对区块链、以太坊的思考

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HPB44:以太坊虚拟机的基本介绍

以太坊虚拟机的基本介绍

作者:HPB团队整理

此文简要的介绍了以太坊虚拟机的基本要素,在以后的文章我们会向大家展示如何安装应用调试等基本技术。

1.1 概述

 以太坊虚拟机(EVM)是以太网上智能合约的运行环境。这不仅仅是个沙盒,更确实的是一个完全独立的环境,也就是说代码运行在EVM里是没有网络,文件系统或是其他进程的。智能合约甚至被限制访问其他的智能合约

1.2 账号

​ 在以太坊中有两种账号共享地址空间:外部账号和合约账号。外部账号是由公钥和私钥控制的(如人),合约账号是由账号存储的代码所控制。

外部账号的地址是由公钥决定的,而合约地址是在智能合约被创建的时候决定的(这个地址由创建者的地址和发送方发送过来的交易数字衍生而来,这个数字通常被叫做“nonce”)

不管是否账号存有代码(合约账号存储了代码,而外部账号没有),对于EVM来说这两种账号是相等的。

每一个账号都有持久化存储一个key和value长度都为256位字的键值对,被称为“storage”

而且,在以太坊中,每个账号都有一个余额(确切的是用“Wei”来作为基本单位),该余额可以被发送方发送过来带有以太币的交易所更改。

1.3 交易

   交易是一个账号和另外一个账号之间的信息交换。它包含了二进制数据(消费数据)和以太数据。如果目标账号包含了代码,这个代码一旦被执行,那么它的消费数据就会作为一个输入数据。如果目标账号是一个0账号(地址为0的账号),交易会生成一个新的合约。这个合约的地址不为0,但是是来源于发送方,之后这个账号的交易数据会被发送。这个合约消费会被编译为EVM的二进制代码,并执行。这次的执行会被作为这个合约的代码持久化。这就是说:为了创建一个合约,你不需要发送真正的代码到这个合约上,事实上是代码的返回作为合约代码。

1.4 Gas

   以太坊上的每笔进行一笔交易都会被收取一定数量的Gas.这是为了限制交易的数量,同时对每一笔交易的进行支付额外费用。当EVM执行一个交易,交易发起方就会根据定义的规则消耗对应的Gas。

交易的创造者定义了的Gas 价格。所以交易发起方每次需要支付 gas_price * gas 。如果有gas在执行后有剩余,会以同样的方法返回给交易发起方。如果gas在任何时候消耗完,out-of-gas 异常会被抛出,那当前的这边交易所执行的后的状态全部会被回滚到初始状态。

1.5 存储,主存和栈

   每个账号都有持久化的内存空间叫做存储. 存储是一个key和value长度都为256位的key-value键值对。从一个合约里列举存储是不大可能的。读取存储里的内容是需要一定的代价的,修改storage里的内容代价则会更大。一个合约只能读取或是修改自己的存储内容。

第二内存区域叫做主存。系统会为每个消息的调用分配一个新的,被清空的主存空间。主存是线性并且以字节粒度寻址。读的粒度为32字节(256位),写可以是1个字节(8位)或是32个字节(256字节)。当访问一个字(256位)内存时,主存会按照字的大小来扩展。主存扩展时候,消耗Gas也必须要支付,主存的开销会随着其增长而增大(指数增长)。

EVM不是一个基于寄存器,而是基于栈的。所以所有的计算都是在栈中执行。最大的size为1024个元素,每个元素为256位的字。栈的访问限于顶端,按照如下方式:允许拷贝最上面的16个元素中的一个到栈顶或是栈顶和它下面的16个元素中的一个进行交换。所有其他操作会从栈中取出两个(有可能是1个,多个,取决于操作)元素,把操作结果在放回栈中。当然也有可能把栈中元素放入到存储或是主存中,但是不可能在没有移除上层元素的时候,随意访问下层元素。

1.6 指令集

 为了避免错误的实现而导致的一致性问题,EVM的指令集保留最小集合。所有的指令操作都是基于256位的字。包含有常用的算术,位操作,逻辑操作和比较操作。条件跳转或是非条件跳转都是允许的。而且合约可以访问当前区块的相关属性比如编号和时间戳。

1.7 消息调用

合约可以通过消息调用来实现调用其他合约或是发送以太币到非合约账号。消息调用和交易类似,他们都有一个源,一个目标,数据负载,以太币,gas和返回的数据。事实上,每个交易都包含有一个顶层消息调用,这个顶层消息可以依次创建更多的消息调用。

一个合约可以定义内部消息调用需要消耗多少gas,多少gas需要被保留。如果在内部消息调用中出现out-of-gas异常,合约会被通知,会在栈里用一个错误值来标记。这种情况只是这次调用的gas被消耗完。在Solidity,这种情况下调用合约会引起一个人为异常,这种异常会抛出栈的信息。

上面提到,调用合约会被分配到一个新的,并且是清空的主存,并能访问调用的负载。调用负载时被称为calldata的一个独立区域。调用结束后,返回一个存储在调用主存空间里的数据。这个存储空间是被调用者预先分配好的。调用限制的深度为1024.对于更加复杂的操作,我们更倾向于使用循环而不是递归。

1.8 代理调用/ 代码调用和库

存在一种特殊的消息调用,叫做代理调用。除了目标地址的代码在调用方的上下文中被执行,而且msg.sender和msg.value不会改变他们的值,其他都和消息调用一样。这就意味着合约可以在运行时动态的加载其他地址的代码。存储,当前地址,余额都和调用合约有关系。只有代码是从被调用方中获取。这就使得我们可以在Solidity中使用库。比如为了实现复杂的数据结构,可重用的代码可以应用于合约存储中。

1.9 日志

  我们可以把数据存储在一个特殊索引的数据结构中。这个结构映射到区块层面的各个地方。为了实现这个事件,在Solidity把这个特性称为日志。合约在被创建出来后是不可以访问日志数据的。但是他们可以从区块链外面有效的访问这些数据。因为日志的部分数据是存储在bloom filters上。我们可以用有效并且安全加密的方式来查询这些数据。即使不用下载整个区块链数据(轻客户端)也能找到这些日志

1.10 创建

 合约可以通过特殊的指令来创建其他合约。这些创建调用指令和普通的消息调用唯一区别是:负载数据被执行,结果作为代码被存储,调用者在栈里收到了新合约的地址。

1.11 自毁

从区块链中移除代码的唯一方法是合约在它的地址上执行了selfdestruct操作。这个账号下剩余的以太币会发送给指定的目标,存储和代码从栈中删除。

本文由HPB团队整理.