以太坊虚拟机

相关源文件

• core/vm/contract.go
• core/vm/contracts.go
• core/vm/contracts_test.go
• core/vm/eips.go
• core/vm/evm.go
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• core/vm/instructions.go
• core/vm/instructions_test.go
• core/vm/interpreter.go
• core/vm/interpreter_test.go
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• core/vm/memory_table.go
• core/vm/opcodes.go
• core/vm/runtime/runtime_test.go
• core/vm/testdata/precompiles/modexp_eip7883.json
• params/protocol_params.go

以太坊虚拟机（EVM）是以太坊区块链上智能合约的执行环境。本页面重点介绍了 EVM 在 go-ethereum 客户端中的实现，并着重介绍了其架构、执行模型和关键组件。有关使用应用程序二进制接口（ABI）进行智能合约交互的信息，请参阅 ABI 和合约交互。

概述

EVM 是一个基于堆栈的、隔离的运行时环境，智能合约代码在此环境中执行。它被设计为沙盒化的、完全确定性的，确保在无论底层硬件或操作系统如何的情况下，相同的输入始终产生相同的输出。

来源：[core/vm/evm.go], [core/vm/interpreter.go], [core/vm/instructions.go], [core/vm/jump_table.go]

架构

EVM 实现为一个基于堆栈的虚拟机，具有简单的指令集。它操作三个主要数据位置：

1. 堆栈：在执行期间，临时值被压入或弹出堆栈。
2. 内存：线性、字节可寻址、易失性内存，在每次交易之间重置。
3. 存储：与每个合约账户关联的持久性键值存储。

来源：[core/vm/evm.go], [core/vm/interpreter.go], [core/state/statedb.go]

EVM 结构

核心 EVM 实现定义在 core/vm/evm.go82-128，其中 EVM 结构体包含执行上下文、状态数据库、解释器和其他设置。

解释器是实际执行合约代码的组件。

来源：[core/vm/evm.go], [core/vm/interpreter.go]

执行模型

合约执行

EVM 通过以下流程执行合约代码：

来源：core/vm/evm.go188-259 core/vm/interpreter.go156-322

指令处理

EVM 的核心是解释器中的指令处理循环。

来源：core/vm/interpreter.go226-315

Gas 机制

EVM 使用 Gas 来衡量计算资源。每个操作消耗一定量的 Gas，该 Gas 将从交易的 Gas 限额中扣除。

• 操作既有固定成本，也有动态成本。
• 内存扩展成本呈二次方增长。
• 存储操作成本最高。
• 对于某些操作（例如清除存储），Gas 会被退还。

Gas 表定义在 core/vm/gas_table.go 和 params/protocol_params.go。

来源：[core/vm/gas_table.go], [params/protocol_params.go], core/vm/interpreter.go246-292

指令集

EVM 拥有丰富的指令集，分为几个类别：

类别	描述	示例
算术	基本算术运算	ADD, SUB, MUL, DIV
比较	数值比较	LT, GT, EQ, ISZERO
按位操作	位运算	AND, OR, XOR, NOT
内存	内存操作	MLOAD, MSTORE, MSTORE8
存储	存储操作	SLOAD, SLOAD
流量控制	执行流程操作	JUMP, JUMPI, JUMPDEST
环境类	区块链信息访问	TIMESTAMP, NUMBER, BALANCE
栈	堆栈操作	POP, PUSH1-PUSH32, DUP1-DUP16, SWAP1-SWAP16
日志记录	事件日志	LOG0, LOG1, LOG2, LOG3, LOG4
系统	合约交互	CALL, CALLCODE, DELEGATECALL, STATICCALL, CREATE, CREATE2, RETURN, REVERT

指令集会根据活动的硬分叉而有所不同，新的操作码通过以太坊改进提案（EIP）添加。

来源：[core/vm/instructions.go], [core/vm/jump_table.go], [core/vm/opcodes.go]

指令实现

每个操作码都实现为一个具有以下签名的函数：

例如，ADD 操作：

来源：core/vm/instructions.go30-34 core/vm/interpreter.go93-102

状态交互

EVM 通过 StateDB 接口与以太坊状态进行交互，该接口提供了以下方法：

• 访问账户余额、nonce 和代码。
• 读写合约存储。
• 创建和自毁合约。
• 修改账户状态。

来源：[core/state/statedb.go], [core/vm/evm.go], [core/vm/instructions.go]

预编译合约

EVM 包含几个内置合约，称为预编译合约，它们提供了常用加密操作的高效实现。

地址	姓名	描述
0x01	ECRECOVER	从签名中恢复公钥。
0x02	SHA256	计算 SHA-256 哈希。
0x03	RIPEMD160	计算 RIPEMD-160 哈希。
0x04	IDENTITY	内存复制操作。
0x05	MODEXP	模幂运算。
0x06	ECADD	椭圆曲线加法。
0x07	ECMUL	椭圆曲线标量乘法。
0x08	ECPAIRING	椭圆曲线配对校验。
0x09	BLAKE2F	BLAKE2b F 压缩函数。
0x0a	KZG POINT EVALUATION	EIP-4844（Cancun）的多项式承诺验证。

预编译合约实现于 core/vm/contracts.go，并根据活跃的硬分叉进行选择。

来源：core/vm/contracts.go45-116

跳转表和硬分叉版本控制

EVM 使用跳转表来定义不同以太坊硬分叉可用的操作码。

EVM 根据链规则选择合适的跳转表，以确保在不同的网络升级中行为一致。

来源：core/vm/jump_table.go50-65 core/vm/interpreter.go104-154

智能合约调用和创建

EVM 提供了几种合约交互方法：

1. Call：执行合约的标准方法。
2. CallCode：以调用者作为上下文执行合约代码。
3. DelegateCall：以调用者的上下文执行合约代码，并将调用者设置为调用者的调用者。
4. StaticCall：执行合约，但不允许状态修改。
5. Create：创建一个新合约。
6. Create2：以确定性地址创建一个新合约。

来源：core/vm/evm.go188-737

内存和堆栈管理

EVM 通过专用数据结构管理内存和堆栈。

内存

内存实现为一个简单的字节数组，可以根据需要进行扩展。

内存操作包括：

• Set：在特定偏移量存储字节。
• Get：从特定偏移量检索字节。
• Resize：将内存扩展到特定大小。

栈

堆栈实现为一个 256 位无符号整数数组。

堆栈操作包括：

• push：将项添加到堆栈顶部。
• pop：移除并返回堆栈顶部的项。
• peek：返回堆栈顶部的项而不移除它。
• swap：交换不同位置的项。
• dup：复制特定位置的项。

来源：[core/vm/memory.go], [core/vm/stack.go]

结论

以太坊虚拟机是一个定义明确、确定性的执行环境，是以太坊智能合约执行的基础。其在 go-ethereum 中的实现提供了一个完整、经过 Gas 计量、基于堆栈的虚拟机，支持从基本算术到复杂的加密原语的各种操作。

EVM 的设计确保智能合约在所有以太坊节点上执行得完全相同，提供了全球去中心化计算机所需的确定性。通过与以太坊状态的交互，EVM 实现了以太坊区别于简单区块链系统的丰富、可编程的功能。