以太坊黄皮书学习笔记4,深入理解以太坊虚拟机(EVM)核心机制

g> EVM核心数据结构

黄皮书对EVM的内部状态和操作数进行了精确的数学定义。

1. EVM状态（EVM State）：

   • 主要由账户模型构成，包括外部账户（EOA，由私钥控制）和合约账户。
   • 关键组成部分包括：
     • currentCoinbase：当前区块的矿工/验证者地址。
     • currentDifficulty：当前区块的难度（在PoS后有所调整，但概念保留）。
     • currentNumber：当前区块号。
     • currentTimestamp：当前区块时间戳。
     • currentGasLimit：当前区块的Gas限制。
     • currentRandom：当前区块的随机数（在PoS中为Beacon Chain的随机数）。
     • currentBlockHashes：可能的历史区块哈希列表（用于某些操作码）。
     • accounts：所有账户的状态，包括余额、 nonce、代码和存储。
     • storage：合约账户的存储空间，是一个键值对映射（bytes32 => bytes32）。
     • memory：EVM的内存，是一个字节数组，用于临时存储计算过程中的数据，是线性的，并且会在交易结束后被重置。
     • stack：EVM的操作数栈，是一个后进先出（LIFO）的结构，用于执行操作码时的参数传递和中间结果存储，栈的最大深度为1024。

2. 执行环境（Execution Environment）：

   定义了执行特定代码（如交易调用）时的上下文，包括上述的EVM状态、调用者、被调用者、Gas限制、value（转账金额）等。

EVM操作码（Opcode）与指令集

EVM通过一系列操作码来实现其计算功能,这些操作码构成了EVM的指令集，黄皮书第9章详细列出了所有操作码及其行为、Gas消耗和堆栈/内存交互方式。

• 算术和比较操作：如 ADD (加法), SUB (减法), MUL (乘法), DIV (除法), MOD (取模), LT (小于), GT (大于), EQ (等于) 等。
• 位运算操作：如 AND (与), OR (或), XOR (异或), NOT (非), SHL (左移), SHR (右移), SAR (算术右移)。
• 堆栈、内存和存储操作：
  • PUSHn：将n字节的常量压入栈。
  • POP：弹出栈顶元素。
  • DUPn：复制栈顶第n个元素并压入栈。
  • SWAPn：交换栈顶第n个元素与栈顶元素。
  • MLOAD：从内存指定地址加载32字节到栈。
  • MSTORE：将栈顶32字节存储到内存指定地址。
  • MSTORE8：将栈顶1字节存储到内存指定地址。
  • SLOAD：从合约存储指定地址加载32字节到栈。
  • SSTORE：将栈顶值保存到合约存储指定地址（修改存储会消耗较多Gas）。
• 流程控制操作：
  • JUMP：无条件跳转到指令指定位置。
  • JUMPI：有条件跳转，如果栈顶元素为非零则跳转。
  • PC：获取当前指令在代码中的偏移量。
  • JUMPDEST：标记一个有效的跳转目标。
• 环境信息操作：
  • BLOCKHASH：获取指定区块号的哈希。
  • COINBASE：获取当前区块的矿工地址。
  • TIMESTAMP：获取当前区块的时间戳。
  • NUMBER：获取当前区块号。
  • GASLIMIT：获取当前区块的Gas限制。
  • CHAINID：获取当前链ID。
  • ADDRESS：获取当前执行上下文的地址（合约地址或EOA）。
  • CALLER：获取调用者的地址。
  • ORIGIN：获取交易的发起者（EOA）地址。
  • BALANCE：获取指定地址的余额。
  • CALLVALUE：获取当前调用传递的value（以太数量）。
• 合约交互操作：
  • CALL：调用其他合约或发送以太。
  • CALLCODE：在当前上下文中执行指定地址的代码。
  • DELEGATECALL：将调用上下文（caller, value, gas）委托给指定地址的代码执行（用于代理模式）。
  • STATICCALL：执行一个不会修改状态的调用（视图函数）。
  • CREATE：创建一个新合约。
  • CREATE2：以特定方式创建新合约（地址可预测）。
  • RETURN：返回执行结果并终止当前执行。
  • REVERT：回滚状态更改并返回错误信息（Gas退款机制）。
  • SELFDESTRUCT：销毁合约，并将剩余余额发送到指定地址（未来可能被移除或修改）。

Gas机制：EVM的“燃料”

Gas机制是EVM能够高效、安全运行的关键，黄皮书对每个操作码的Gas消耗都进行了严格定义。

• Gas Limit：每笔交易和每个区块都有Gas限制，防止无限计算消耗网络资源。
• Gas Price：用户愿意为每单位Gas支付的以太数量，决定了交易的优先级。
• Gas消耗：执行操作码会消耗Gas，不同的操作码Gas消耗不同，存储修改（SSTORE）和内存扩展（MSTORE）等操作消耗较高。
• Gas退款：某些操作，如清除存储（将存储位置从非零置零），会返还部分Gas，以鼓励优化存储使用。
• 执行终止：当Gas耗尽时，EVM会停止执行，所有状态更改回滚（除了已支付的Gas和已记录的日志）。

交易执行与合约调用流程

黄皮书第6章（交易）和第9章（EVM）共同定义了交易执行的完整流程：

1. 交易验证：验证签名、nonce、Gas Limit等。
2. 初始化EVM状态：根据当前区块链状态和交易参数设置EVM的初始状态（内存、栈、账户状态等）。
3. 执行操作码：从交易数据或合约代码的第一个操作码开始，逐条执行，根据操作码修改栈、内存、存储和账户状态。
4. Gas消耗与检查：每执行一个操作码，扣除相应的Gas，如果Gas不足，则抛出“out of gas”异常，状态回滚。
5. 结果处理：
   • 如果执行成功（RETURN或正常结束），更新状态根，返回执行结果和剩余Gas（返还给发送者）。
   • 如果执行失败（REVERT或异常），状态回滚（除了日志和部分Gas退款），返回错误信息和剩余Gas（部分返还）。

总结与展望

通过对黄皮书第4部分（关于EVM）的学习，我们深入理解了以太坊虚拟机的