以太坊虚拟机的基本介绍

本文简要介绍了以太坊虚拟机的基本要素。 在以后的文章中，我们将向您展示如何安装应用程序调试等基本技术。

1.1 概述

以太坊虚拟机 (EVM) 是以太坊上智能合约的运行时环境。 这不仅仅是一个沙箱，而是一个完全隔离的环境，这意味着代码在 EVM 中运行，无需网络、文件系统或其他进程。 智能合约甚至被限制访问其他智能合约。

1.2 账户

以太坊中有两种账户共享地址空间：外部账户和合约账户。 外部账户由公钥和私钥（如people）控制，合约账户由存储在账户中的代码控制。

外部账户的地址由公钥确定，而合约地址是在创建智能合约时确定的（这个地址来源于创建者的地址和发送者发送的交易号，这个号码通常称为“nonce” ")

不管账户有没有code（合约账户有code，外部账户没有），这两个账户就等于EVM。

每个账户都有一个key和value长度为256个字符的键值对的持久存储，称为“存储”。

而且，在以太坊中，每个账户都有一个余额（就是以“Wei”为基本单位），可以通过发送方与以太币的交换来改变。

1.3 交易

交易是一个账户与另一个账户之间的信息交换。 它包含二进制数据（消费数据）和以太数据。 如果目标账户包含代码，一旦代码执行，其消费数据将作为输入数据。 如果目标账户是0账户（地址为0的账户），交易会生成一个新的合约。 这个合约的地址不是0，而是来自sender，然后会发送这个账户的交易数据。 该合约消费将被编译成 EVM 二进制代码并执行。 该执行将作为该合约的代码被持久化。 也就是说：为了创建合约，您不需要将实际代码发送给合约，实际上代码是作为合约代码返回的。 1.4 气体

以太坊上的每笔交易都会收取一定数量的 Gas。 这是为了限制交易数量并为每笔交易支付额外费用。 当EVM执行一笔交易时，交易发起方会按照定义的规则消耗相应的Gas。

交易的创建者定义 gas 价格。 所以交易发起者每次都需要支付gas_price * gas。 如果执行后还有剩余的gas，将以同样的方式返还给交易发起方。 如果任何时候gas被消耗掉以太坊交易信息获取，就会抛出out-of-gas异常，将当前交易的当前状态回滚到初始状态。

1.5 存储、主存和栈

每个账户都有一个持久化的内存空间，称为storage，它是一个key-value键值对，键和值的长度为256位。 无法从合约中枚举存储。 读取存储中的内容需要一定的成本，修改存储中的内容成本更高。 合约只能读取或修改自己的存储。

第二个内存区域称为主内存。 系统为每个消息调用分配一个新的、清空的主内存空间。 主内存是线性的，以字节为粒度寻址。 读取粒度为32字节（256位），写入可以为1字节（8位）或32字节（256字节）。 当访问内存的一个字（256 位）时，主内存会扩展该字的大小。 当主存扩容时，Gas的消耗也必须付出代价，主存的开销会随着其增长（指数增长）而增加。

EVM 不是基于寄存器的，而是基于堆栈的。 所以所有的计算都是在栈上进行的。 最大大小为 1024 个元素，每个元素是一个 256 位字。 对栈的访问仅限于栈顶，如下所示：允许将栈顶的 16 个元素之一复制到栈顶，或者将栈顶与其下方的 16 个元素之一交换。 所有其他操作从堆栈中获取两个（可以是一个或多个，具体取决于操作）元素，并将操作结果放回堆栈。 当然，也可以将栈中的元素放入存储器或主存中，但不能在不移除上层元素的情况下随意访问下层元素。

1.6 指令集

为了避免不正确的实现带来的一致性问题，EVM的指令集保留了一个最小集。 所有指令都对 256 位字进行操作。 包含常用的算术运算、位运算、逻辑运算和比较运算。 允许有条件和无条件跳转。 并且合约可以访问当前区块的相关属性，例如数字和时间戳。

1.7 消息调用

合约可以调用其他合约或通过消息调用向非合约账户发送以太币。 消息调用类似于交易，它们都有源、目的地、数据有效负载、以太币、gas 和返回数据。 事实上，每个交易都包含一个顶级消息调用，这反过来又可以创建更多的消息调用。

一个合约可以定义内部消息调用需要消耗多少gas，需要预留多少gas。 如果在内部消息调用中发生 out-of-gas 异常，合约将得到通知，并在堆栈上标记错误值。 在这种情况下，该调用的 gas 已耗尽。 在Solidity中，这种情况下调用合约会造成人为异常，抛出堆栈信息。

如上所述以太坊交易信息获取，调用合约将分配一个新的且已清理的主内存，并且可以访问被调用的负载。 调用有效负载时称为 calldata 的单独区域。 调用结束后，返回一个存储在调用主存空间的数据。 这个存储空间是被调用者预先分配的。 调用深度限制为1024。对于更复杂的操作，我们更喜欢使用循环而不是递归。

1.8 代理调用/代码调用和库

有一种特殊的消息调用称为代理调用。 与消息调用相同，只是目标地址的代码是在调用者的上下文中执行的，并且 msg.sender 和 msg.value 不改变它们的值。 这意味着合约可以在运行时从其他地址动态加载代码。 存储、当前地址和余额都与调用合约有关。 仅从被调用方获取代码。 这允许我们使用 Solidity 中的库。 例如，为了实现复杂的数据结构，可以将可重用代码应用于合约存储。

1.9日志

我们可以将数据存储在专门索引的数据结构中。 该结构映射到块级别的各个位置。 为了实现这个事件，这个特性在 Solidity 中被称为登录。 合约创建后无法访问日志数据。 但他们可以从区块链外部有效地访问这些数据。 因为部分日志数据存储在布隆过滤器上。 我们可以通过一种高效、安全的加密方式查询这些数据。 无需下载整个区块链数据（轻客户端）即可找到这些日志。

1.10 创作

合约可以通过特殊指令创建其他合约。 这些创建调用指令与普通消息调用的唯一区别是：加载数据被执行，结果以代码形式存储，调用者在栈上接收到新合约的地址。

1.11 自毁

从区块链中删除代码的唯一方法是合约对其地址执行自毁操作。 该账户中剩余的以太币将被发送到指定的目标，存储和代码将从堆栈中移除。

本文由HPB团队整理

首发于王晓明博客

王小明

HPB芯链创始人，巴比特专栏作家。 十余年金融大数据和区块链技术开发经验，参与创建银联大数据。 创作区块链教学视频节目《名说》30余集，编写《以太坊官网文档中文版》，作为主要作者编写《区块链开发指南》，中国区块链社区ID“蓝莲花” “著名的。