以太坊智能合约虚拟机(EVM)原理与实现_以太坊evm原理,evm原理资源-CSDN文库

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5星 · 超过95%的资源 179 浏览量 2021-01-20 13:56:20 上传评论收藏 347KB PDF 举报

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以太坊智能合约虚拟机以太坊智能合约虚拟机(EVM)原理与实现原理与实现

以太坊以太坊 EVM原理与实现原理与实现

以太坊底层通过EVM模块支持合约的执行与调用，调用时根据合约地址获取到代码，生成环境后载入到EVM中运行。通常智能合约的开发流程

是用solidlity编写逻辑代码，再通过编译器编译元数据，最后再发布到以太坊上。

代码结构

├── analysis.go //跳转目标判定

├── common.go

├── contract.go //合约数据结构

├── contracts.go //预编译好的合约

├── errors.go

├── evm.go //执行器对外提供一些外部接口

├── gas.go //call gas花费计算一级指令耗费gas级别

├── gas_table.go //指令耗费计算函数表

├── gen_structlog.go

├── instructions.go //指令操作

├── interface.go

├── interpreter.go //解释器调用核心

├── intpool.go //int值池

├── int_pool_verifier_empty.go

├── int_pool_verifier.go

├── jump_table.go //指令和指令操作（操作，花费，验证）对应表

├── logger.go //状态日志

├── memory.go //EVM 内存

├── memory_table.go //EVM 内存操作表主要衡量操作所需内存大小

├── noop.go

├── opcodes.go //Op指令以及一些对应关系

├── runtime

│ ├── env.go //执行环境

│ ├── fuzz.go

│ └── runtime.go //运行接口测试使用

├── stack.go //栈

└── stack_table.go //栈验证

指令

OpCode

文件opcodes.go中定义了所有的OpCode，该值是一个byte，合约编译出来的bytecode中，一个OpCode就是上面的一位。opcodes按功能分为

9组（运算相关，块操作，加密相关等）。

//算数相关

const (

// 0x0 range - arithmetic ops

STOP OpCode = iota

ADD

MUL

SUB

DIV

SDIV

MOD

SMOD

ADDMOD

MULMOD

EXP

SIGNEXTEND

)

Instruction

文件jump.table.go定义了四种指令集合，每个集合实质上是个256长度的数组，名字翻译过来是（荒地，农庄，拜占庭，君士坦丁堡）估计是

对应了EVM的四个发展阶段。指令集向前兼容。

frontierInstructionSet = NewFrontierInstructionSet()

homesteadInstructionSet = NewHomesteadInstructionSet()

byzantiumInstructionSet = NewByzantiumInstructionSet()

constantinopleInstructionSet = NewConstantinopleInstructionSet()

具体每条指令结构如下，字段意思见注释。

type operation struct {

//对应的操作函数

execute executionFunc

// 操作对应的gas消耗

gasCost gasFunc

// 栈深度验证

validateStack stackValidationFunc

// 操作所需空间

memorySize memorySizeFunc

halts bool // 运算中止

jumps bool // 跳转（for）

writes bool // 是否写入

valid bool // 操作是否有效

reverts bool // 出错回滚

returns bool // 返回

}

按下面的ADD指令为例

定义

ADD: {

execute: opAdd,

gasCost: constGasFunc(GasFastestStep),

validateStack: makeStackFunc(2, 1),

valid: true,

操作

不同的操作有所不同，操作对象根据指令不同可能影响栈，内存，statedb。

func opAdd(pc *uint64, evm *EVM, contract *Contract, memory *Memory, stack *Stack) ([]byte, error) {

//弹出一个值，取出一个值（这个值依旧保存在栈上面，运算结束后这个值就改变成结果值）

x, y := stack.pop(), stack.peek()

//加运算

math.U256(y.Add(x, y))

//数值缓存

evm.interpreter.intPool.put(x)

return nil, nil

}

gas花费

不同的运算有不同的初始值和对应的运算方法，具体的方法都定义在gas_table里面。按加法的为例，一次加操作固定耗费为3。

//固定耗费

func constGasFunc(gas uint64) gasFunc {

return func(gt params.GasTable, evm *EVM, contract *Contract, stack *Stack, mem *Memory, memorySize uint64) (uint64, error) {

return gas, nil

}

除此之外还有两个定义会影响gas的计算，通常作为量化的一个单位。

//file go-ethereum/core/vm/gas.go

const (

GasQuickStep uint64 = 2

GasFastestStep uint64 = 3

GasFastStep uint64 = 5

GasMidStep uint64 = 8

GasSlowStep uint64 = 10

GasExtStep uint64 = 20

GasReturn uint64 = 0

GasStop uint64 = 0

GasContractByte uint64 = 200

)

//file go-ethereum/params/gas_table.go

type GasTable struct {

ExtcodeSize uint64

ExtcodeCopy uint64

Balance uint64

SLoad uint64

Calls uint64

Suicide uint64

ExpByte uint64

// CreateBySuicide occurs when the

// refunded account is one that does

// not exist. This logic is similar

// to call. May be left nil. Nil means

// not charged.

CreateBySuicide uint64

}

memorySize

因为加操作不需要申请内存因而memorySize为默认值0。

栈验证

先验证栈上的操作数够不够，再验证栈是否超出最大限制，加法在这里仅需验证其参数够不够，运算之后栈是要减一的。

func makeStackFunc(pop, push int) stackValidationFunc {

return func(stack *Stack) error {

//深度验证

if err := stack.require(pop); err != nil {

return err

}

//最大值验证

//StackLimit uint64 = 1024

if stack.len()+push-pop > int(params.StackLimit) {

return fmt.Errorf("stack limit reached %d (%d)", stack.len(), params.StackLimit)

}

return nil

}

智能合约

合约是EVM智能合约的存储单位也是解释器执行的基本单位，包含了代码，调用人，所有人，gas相关的信息.

type Contract struct {

// CallerAddress is the result of the caller which initialised this

// contract. However when the "call method" is delegated this value

// needs to be initialised to that of the caller's caller.

CallerAddress common.Address

caller ContractRef

self ContractRef

jumpdests destinations // result of JUMPDEST analysis.

Code []byte

CodeHash common.Hash

CodeAddr *common.Address

Input []byte

Gas uint64

value *big.Int

Args []byte

DelegateCall bool

}

EVM原生预编译了一批合约，定义在contracts.go里面。主要用于加密操作。

// PrecompiledContractsByzantium contains the default set of pre-compiled Ethereum

// contracts used in the Byzantium release.

var PrecompiledContractsByzantium = map[common.Address]PrecompiledContract{

common.BytesToAddress([]byte{1}): &ecrecover{},

common.BytesToAddress([]byte{2}): &sha256hash{},

common.BytesToAddress([]byte{3}): &ripemd160hash{},

common.BytesToAddress([]byte{4}): &dataCopy{},

common.BytesToAddress([]byte{5}): &bigModExp{},

common.BytesToAddress([]byte{6}): &bn256Add{},

common.BytesToAddress([]byte{7}): &bn256ScalarMul{},

common.BytesToAddress([]byte{8}): &bn256Pairing{},

}

执行机

栈

EVM中栈用于保存操作数，每个操作数的类型是big.int,这就是网上很多人说EVM是256位虚拟机的原因。执行opcode的时候，从上往下弹出操

作数，作为操作的参数。

type Stack struct {

data []*big.Int

}

func (st *Stack) push(d *big.Int) {

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内容反馈

郭逗

2023-07-25

这篇文件对以太坊智能合约虚拟机的原理进行了清晰的解释，让我对其运作方式有了更深入的了解。

以太坊智能合约虚拟机(EVM)原理与实现

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