以太坊虚拟机是如何运行的？

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。

以太坊Layer2总锁仓量达86.5亿美元，7日跌幅1%:金色财经报道，据L2BEAT数据显示，当前以太坊Layer2总锁仓量下跌至86.5亿美元，7日跌幅1%。其中，锁仓量前五分别为：ArbitrumOne（56.7亿美元，7日跌幅2.52%）；Optimism（17.3亿美元，7日涨幅1.69%）；dYdX（3.4亿美元，7日跌幅1.81%）；zkSyncEra（2.83亿美元，7日涨幅11.42%）；Loopring（1.09亿美元，7日涨幅1.52%）。[2023/5/22 15:17:49]

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：

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。

香港比特币和以太坊期货ETF首日交易募资7900万美元:金色财经报道，资产管理公司CSOP表示，其比特币和以太坊ETF今天在香港证券交易所已经筹集了近7900万美元。根据一份新闻稿，该基金经理推出了新的比特币和以太坊期货交易所交易基金（ETF），于12月16日开始在香港证券交易所交易。CSOP此前推出了香港首个Metaverse ETF，该基金于2月在香港证券交易所上市。（coindesk）[2022/12/16 21:48:42]

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.

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。

Tether在以太坊网络增发1.5亿USDT（已授权未发行）:据Whale Alert链上数据监测，北京时间09月20日00:52，Tether在以太坊网络增发1.5亿枚USDT。交易哈希为：0xb34739c868cc4d81569bf0cfa49ce30103cf844388544beac9a669ddb482f50b。对此，Bitfinex首席技术官Paolo Ardoino表示，以太坊网络补充了1.5亿枚USDT的库存。这是一笔已授权但未发行的交易，意味着该金额将用作下一次发行请求的库存。[2020/9/20]

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：

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

动态 | 以太坊未确认交易79411笔:据Etherscan.io数据显示，以太坊未确认交易79411笔。以太坊全网算力为196.81 TH/s，当前挖矿难度2437.23 TH，交易处理能力10.9 TPS。[2019/9/19]

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

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。

动态 | 以太坊游戏Dragonereum单笔最高转账Gas费用超过2ETH:据第三方大数据评级机构RatingToken监测数据显示，昨日上线的以太坊游戏Dragonereum截至发稿已发生5868笔交易，其中为获取龙蛋ClaimEgg发生了998笔成功交易。该游戏平均转账Gas费用是普通ETH转账费用的154.8倍，单笔最高转账Gas费用超过2ETH。回顾盛极一时的Fomo3D单笔最高转账Gas费用超过6 ETH，黑客成功利用Gas Limit的限制实施交易阻塞攻击获取奖金。RatingToken温馨提示，警惕此类游戏Gas Limit的限制实施交易阻塞攻击，期待以太坊L1或L2的可扩展性实现后能提高TPS，降低Gas费用，给以太坊上应用的发展带来突破。[2018/11/30]

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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