EVM以太坊虚拟机

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EVM以太坊虚拟机

以太坊虚拟机（Ethereum Virtual Machine，EVM）是以太坊区块链的核心执行环境。它是一个基于栈的图灵完备虚拟机，负责执行以太坊区块链上的智能合约代码。EVM并非一个物理实体，而是一个抽象的执行环境，在每一个以太坊节点上都有一个EVM实例运行。理解EVM对于开发、部署和审计以太坊应用程序至关重要。

概述

EVM的设计目标是提供一个安全、可预测和去中心化的执行环境。它通过以下方式实现这些目标：

  • **确定性：** 相同的输入和初始状态必须产生相同的输出和最终状态。这对于区块链的共识机制至关重要。
  • **隔离性：** 智能合约的执行环境与其他合约和底层操作系统隔离，防止恶意代码影响整个系统。
  • **图灵完备性：** EVM能够执行任何可以由图灵机执行的计算，从而允许开发者创建复杂的应用程序。
  • **Gas机制：** EVM使用Gas机制来限制计算资源的使用，防止无限循环和拒绝服务攻击。Gas是执行特定操作所需的计算资源单位，用户需要支付Gas费用才能执行交易。

EVM的指令集基于栈操作，这意味着所有操作都通过堆栈进行。EVM使用256位的字（word）作为基本数据类型，并支持多种数据类型，包括整数、浮点数和字节数组。EVM的内存是易失性的，这意味着数据在合约执行结束后会丢失。持久化数据存储在区块链的状态树中。

EVM的底层实现可以使用不同的编译器和解释器。目前最常用的编译器是Solidity编译器，它将Solidity代码编译成EVM字节码。

主要特点

  • **栈结构：** EVM采用栈结构，所有操作都在栈上进行，数据通过PUSH操作入栈，通过POP操作出栈。
  • **256位字：** EVM使用256位的字作为基本数据类型，提供大数运算能力。
  • **Gas机制：** Gas机制用于限制计算资源的使用，并为矿工提供奖励。Gas费用根据交易的复杂程度和网络拥堵情况而变化。
  • **账户模型：** 以太坊采用账户模型，包括外部账户（由用户控制）和合约账户（由代码控制）。
  • **状态树：** EVM的状态存储在Merkle Patricia Trie（MPT）状态树中，MPT是一种高效的数据结构，用于存储和检索状态数据。
  • **存储（Storage）：** 合约的持久化数据存储在Storage中，Storage是合约账户的一部分。
  • **内存（Memory）：** 合约的临时数据存储在Memory中，Memory是易失性的。
  • **代码（Code）：** 合约的代码存储在Code中，Code是合约账户的一部分。
  • **调用栈（Call Stack）：** 用于跟踪合约调用的历史记录。
  • **事件日志（Event Log）：** 用于记录合约事件，方便外部应用程序监听和响应。

使用方法

1. **编写智能合约：** 使用Solidity或其他EVM兼容的编程语言编写智能合约。 2. **编译智能合约：** 使用Solidity编译器将智能合约编译成EVM字节码。例如，使用`solc`命令：`solc MyContract.sol -o output/` 3. **部署智能合约：** 将编译后的字节码部署到以太坊区块链上。这需要创建一个交易，并将字节码作为输入数据发送到以太坊网络。可以使用Remix IDE、Truffle或Hardhat等工具进行部署。 4. **调用智能合约：** 通过发送交易来调用智能合约的函数。交易需要包含合约地址、函数签名和参数。 5. **监控合约执行：** 使用区块浏览器或调试工具来监控合约的执行过程和状态变化。

以下是一个简单的Solidity合约示例：

```solidity pragma solidity ^0.8.0;

contract SimpleStorage { 

   uint256 storedData;

   function set(uint256 x) public {
       storedData = x;
   }

   function get() public view returns (uint256) {
       return storedData;
   }

} ```

部署该合约后，可以通过`set`函数设置`storedData`的值，并通过`get`函数读取`storedData`的值。

相关策略

EVM的执行效率和Gas消耗直接影响到智能合约的成本和性能。以下是一些常用的优化策略：

  • **减少存储访问：** 存储访问是EVM中最昂贵的操作之一。尽量减少存储访问次数，例如通过缓存数据或使用更高效的数据结构。
  • **使用更高效的算法：** 选择时间复杂度更低的算法，以减少Gas消耗。
  • **避免循环：** 循环会显著增加Gas消耗。尽量避免使用循环，或者使用更高效的循环实现方式。
  • **使用静态数组：** 静态数组比动态数组更高效，因为它们的大小在编译时就已确定。
  • **使用位运算：** 位运算比算术运算更高效，因为它们可以直接在硬件上执行。
  • **使用Unchecked Arithmetic：** 在某些情况下，可以使用Unchecked Arithmetic来避免溢出检查，从而减少Gas消耗。但是，需要确保代码不会发生溢出。
  • **使用Delegatecall：** Delegatecall允许一个合约调用另一个合约的代码，并以调用合约的上下文执行。这可以减少代码重复和Gas消耗。
  • **使用Assembly：** 在某些情况下，可以使用Assembly来编写更高效的代码，但是需要对EVM的底层机制有深入的了解。

与其他虚拟机相比，EVM具有以下优势：

  • **安全性：** EVM的设计目标是提供一个安全的环境，防止恶意代码影响整个系统。
  • **去中心化：** EVM运行在去中心化的以太坊网络上，没有单点故障。
  • **图灵完备性：** EVM能够执行任何可以由图灵机执行的计算，从而允许开发者创建复杂的应用程序。

与其他虚拟机相比，EVM也存在一些劣势：

  • **性能：** EVM的性能相对较低，因为它是基于栈的虚拟机，并且需要支付Gas费用。
  • **Gas费用：** Gas费用可能会很高，尤其是在网络拥堵的情况下。
  • **调试难度：** EVM的调试难度较高，因为它是基于栈的虚拟机，并且代码是编译成字节码的。
EVM 操作码示例
操作码 ! 描述 ! Gas 消耗 (近似)
ADD 加法 3 MUL 乘法 5 SUB 减法 3 DIV 除法 5 SLOAD 从存储加载数据 80 SSTORE 将数据存储到存储 20000 PUSH1 将一个字节推入栈 3 POP 从栈中弹出数据 2 CALL 调用另一个合约 100000 RETURN 从函数返回 0

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