以太坊和智能合約開發(fā)時的相關(guān)概念

本篇文章讓你了解以太坊中的幾個重要概念，有助于您理解智能合約，包括其執(zhí)行過程，以及Solidity語言在開發(fā)智能合約時的相關(guān)概念

以太坊虛擬機（EVM）是以太坊中智能合約的運行環(huán)境。它不僅被沙箱封裝起來，事實上它被完全隔離，也就是說運行在EVM內(nèi)部的代碼不能接觸到網(wǎng)絡(luò)、文件系統(tǒng)或者其它進程。甚至智能合約與其它智能合約只有有限的接觸。

賬戶

以太坊中有兩類賬戶，它們共用同一個地址空間。外部賬戶，該類賬戶被公鑰-私鑰對控制（人類）。合約賬戶，該類賬戶被存儲在賬戶中的代碼控制。

外部賬戶的地址是由公鑰決定的，合約賬戶的地址是在創(chuàng)建改合約時確定的（這個地址由合約創(chuàng)建者的地址和該地址發(fā)出過的交易數(shù)量計算得到，地址發(fā)出過的交易數(shù)量也被稱作“nonce”）

合約賬戶存儲了代碼，外部賬戶則沒有，除了這點以外，這兩類賬戶對于EVM來說是一樣的。

每個賬戶有一個key-value形式的持久化存儲。其中key和value的長度都是256bit，名字叫做storage.

另外，每個賬戶都有一個以太幣余額（單位是“Wei“），該賬戶余額可以通過向它發(fā)送帶有以太幣的交易來改變。

交易

一筆交易是一條消息，從一個賬戶發(fā)送到另一個賬戶（可能是相同的賬戶或者零賬戶，見下文）。交易可以包含二進制數(shù)據(jù)（payload）和以太幣。

如果目標賬戶包含代碼，該代碼會執(zhí)行，payload就是輸入數(shù)據(jù)。

如果目標賬戶是零賬戶（賬戶地址是0），交易將創(chuàng)建一個新合約。正如上文所講，這個合約地址不是零地址，而是由合約創(chuàng)建者的地址和該地址發(fā)出過的交易數(shù)量（被稱為nonce）計算得到。創(chuàng)建合約交易的payload被當作EVM字節(jié)碼執(zhí)行。執(zhí)行的輸出做為合約代碼被永久存儲。這意味著，為了創(chuàng)建一個合約，你不需要向合約發(fā)送真正的合約代碼，而是發(fā)送能夠返回真正代碼的代碼。

Gas

以太坊上的每筆交易都會被收取一定數(shù)量的gas，gas的目的是限制執(zhí)行交易所需的工作量，同時為執(zhí)行支付費用。當EVM執(zhí)行交易時，gas將按照特定規(guī)則被逐漸消耗。

gas price（gas價格，以太幣計）是由交易創(chuàng)建者設(shè)置的，發(fā)送賬戶需要預付的交易費用 = gas price * gas amount。 如果執(zhí)行結(jié)束還有g(shù)as剩余，這些gas將被返還給發(fā)送賬戶。

無論執(zhí)行到什么位置，一旦gas被耗盡（比如降為負值），將會觸發(fā)一個out-of-gas異常。當前調(diào)用幀所做的所有狀態(tài)修改都將被回滾。

存儲，主存和棧

每個賬戶有一塊持久化內(nèi)存區(qū)域被稱為存儲。其形式為key-value，key和value的長度均為256比特。在合約里，不能遍歷賬戶的存儲。相對于另外兩種，存儲的讀操作相對來說開銷較大，修改存儲更甚。一個合約只能對它自己的存儲進行讀寫。

第二個內(nèi)存區(qū)被稱為主存。合約執(zhí)行每次消息調(diào)用時，都有一塊新的，被清除過的主存。主存可以以字節(jié)粒度尋址，但是讀寫粒度為32字節(jié)（256比特）。操作主存的開銷隨著其增長而變大（平方級別）。

EVM不是基于寄存器，而是基于棧的虛擬機。因此所有的計算都在一個被稱為棧的區(qū)域執(zhí)行。棧最大有1024個元素，每個元素256比特。對棧的訪問只限于其頂端，方式為：允許拷貝最頂端的16個元素中的一個到棧頂，或者是交換棧頂元素和下面16個元素中的一個。所有其他操作都只能取最頂?shù)膬蓚€（或一個，或更多，取決于具體的操作）元素，并把結(jié)果壓在棧頂。當然可以把棧上的元素放到存儲或者主存中。但是無法只訪問棧上指定深度的那個元素，在那之前必須要把指定深度之上的所有元素都從棧中移除才行。

指令集

EVM的指令集被刻意保持在最小規(guī)模，以盡可能避免可能導致共識問題的錯誤實現(xiàn)。所有的指令都是針對256比特這個基本的數(shù)據(jù)類型的操作。具備常用的算術(shù)，位，邏輯和比較操作。也可以做到條件和無條件跳轉(zhuǎn)。此外，合約可以訪問當前區(qū)塊的相關(guān)屬性，比如它的編號和時間戳。

消息調(diào)用

合約可以通過消息調(diào)用的方式來調(diào)用其它合約或者發(fā)送以太幣到非合約賬戶。消息調(diào)用和交易非常類似，它們都有一個源，一個目標，數(shù)據(jù)負載，以太幣，gas和返回數(shù)據(jù)。事實上每個交易都可以被認為是一個頂層消息調(diào)用，這個消息調(diào)用會依次產(chǎn)生更多的消息調(diào)用。

一個合約可以決定剩余gas的分配。比如內(nèi)部消息調(diào)用時使用多少gas，或者期望保留多少gas。如果在內(nèi)部消息調(diào)用時發(fā)生了out-of-gas異常（或者其他異常），合約將會得到通知，一個錯誤碼被壓在棧上。這種情況只是內(nèi)部消息調(diào)用的gas耗盡。在solidity中，這種情況下發(fā)起調(diào)用的合約默認會觸發(fā)一個人工異常。這個異常會打印出調(diào)用棧。

就像之前說過的，被調(diào)用的合約（發(fā)起調(diào)用的合約也一樣）會擁有嶄新的主存并能夠訪問調(diào)用的負載。調(diào)用負載被存儲在一個單獨的被稱為calldata的區(qū)域。調(diào)用執(zhí)行結(jié)束后，返回數(shù)據(jù)將被存放在調(diào)用方預先分配好的一塊內(nèi)存中。

調(diào)用層數(shù)被限制為1024，因此對于更加復雜的操作，我們應(yīng)該使用循環(huán)而不是遞歸。

代碼調(diào)用和庫

存在一種特殊類型的消息調(diào)用，被稱為callcode。它跟消息調(diào)用幾乎完全一樣，只是加載自目標地址的代碼將在發(fā)起調(diào)用的合約上下文中運行。

這意味著一個合約可以在運行時從另外一個地址動態(tài)加載代碼。存儲，當前地址和余額都指向發(fā)起調(diào)用的合約，只有代碼是從被調(diào)用地址獲取的。

這使得Solidity可以實現(xiàn)”庫“?？蓮陀玫膸齑a可以應(yīng)用在一個合約的存儲上，可以用來實現(xiàn)復雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

日志

在區(qū)塊層面，可以用一種特殊的可索引的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來存儲數(shù)據(jù)。這個特性被稱為日志，Solidity用它來實現(xiàn)事件。合約創(chuàng)建之后就無法訪問日志數(shù)據(jù)，但是這些數(shù)據(jù)可以從區(qū)塊鏈外高效的訪問。因為部分日志數(shù)據(jù)被存儲在布隆過濾器（Bloom filter） 中，我們可以高效并且安全的搜索日志，所以那些沒有下載整個區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（輕客戶端）也可以找到這些日志。

創(chuàng)建

合約甚至可以通過一個特殊的指令來創(chuàng)建其他合約（不是簡單的向零地址發(fā)起調(diào)用）。創(chuàng)建合約的調(diào)用跟普通的消息調(diào)用的區(qū)別在于，負載數(shù)據(jù)執(zhí)行的結(jié)果被當作代碼，調(diào)用者/創(chuàng)建者在棧上得到新合約的地址。

自毀

只有在某個地址上的合約執(zhí)行自毀操作時，合約代碼才會從區(qū)塊鏈上移除。合約地址上剩余的以太幣會發(fā)送給指定的目標，然后其存儲和代碼被移除。