以太坊黄皮书学习笔记（四）深入理解以太坊虚拟机（EVM）的核心机制

在继续以太坊黄皮书的探索之旅中,我们来到了整个以太坊系统的核心——以太坊虚拟机（Ethereum Virtual Machine, EVM），如果说区块链是分布式账本，那么EVM就是运行在这个账本上的“世界计算机”的处理器，黄皮书第四部分（通常对应黄皮书的第4章，具体版本可能略有差异，但核心内容一致）详细定义了EVM的规范，包括其架构、执行模型、存储结构以及预编译合约等，这部分内容是理解以太坊智能合约如何运行、状态如何变迁的关键。

EVM概述：一个基于栈的虚拟机

EVM本质上是一个图灵完备的虚拟机，这意味着它能够执行任何可计算的任务，只要给予足够的时间和资源，为了实现这一点并保证安全性、确定性以及避免无限循环等问题，EVM采用了基于栈的架构。

• 基于栈：与基于寄存器（如x86架构）的CPU不同，EVM的所有操作数都从栈中获取，操作结果也压回栈中，栈是一种后进先出（LIFO）的数据结构，EVM有一个执行栈（Execution Stack），用于在指令执行过程中临时存储数据，栈的最大深度为1024，以防止栈溢出攻击，这种设计简化了虚拟机的实现，并确保了操作的确定性。

• 操作码（Opcode）：EVM通过一系列预定义的操作码来执行指令，这些操作码涵盖了算术运算（ADD, SUB, MUL）、逻辑运算（AND, OR, NOT）、比较（LT, GT, EQ）、位操作（SHL, SHR, SAR）、内存管理（MLOAD, MSTORE, MSTORE8）、存储交互（SLOAD, SSTORE）、控制流（JUMP, JUMPI, STOP, RETURN, REVERT, INVALID）、合约创建（CREATE, CREATE2）以及日志记录（LOG0-LOG4）等，每一个操作码都有明确的gas消耗规则。

执行模型：字节码解释与Gas机制

EVM的执行过程可以看作是对智能合约编译后的字节码（Bytecode）进行逐条解释执行的过程。

• 程序计数器（PC）：EVM维护一个程序计数器，用于指向当前正在执行的字节码指令的位置，当遇到控制流操作码（如JUMP, JUMPI）时，PC的值会发生相应改变。

• Gas机制：这是以太坊设计中至关重要的部分，用于防止恶意合约消耗过多网络资源（如计算资源、存储空间），每个EVM操作执行都需要消耗一定量的gas，而gas本身是以太坊网络上的“燃料”，用户在发起交易时需要支付一定数量的ether作为gas费用。

  • Gas Limit：用户在交易中设置的愿意为该交易支付的最大gas量。
  • Gas Price：用户愿意为每单位gas支付的价格（通常以Gwei为单位）。
  • 执行过程：EVM在执行字节码时，会根据操作码的gas消耗规则逐步扣除gas，如果gas耗尽（即剩余gas不足以执行下一条操作码），交易会执行失败，但会回滚所有状态修改（除了支付给矿工的基础费用），这种机制确保了没有交易能够无限期运行，从而保护了网络的安全性和稳定性。

存储模型：内存、存储与合约状态

EVM管理着三种主要的存储区域,它们在特性、生命周期和gas成本上有着显著区别：

1. 栈（Stack）：

   • 特性：临时存储，用于操作数和中间结果，最大深度1024，每个栈槽（Stack Slot）大小为32字节。
   • 生命周期：随EVM调用（交易或内部消息调用）的开始而创建，结束而销毁。
   • Gas成本：栈操作本身gas成本相对较低。

2. 内存（Memory）：

   • 特性：线性的、可写的字节数组，大小在运行时动态扩展，用于存储临时数据，如复杂计算的中间结果。
   • 生命周期：随EVM调用的开始而创建（初始大小为0），结束而销毁。
   • Gas成本：内存扩展有gas成本（每字节或每32字节），且gas消耗随内存使用量的增长而增加（二次方增长），这鼓励开发者高效使用内存。

3. 存储（Storage）：

   • 特性：持久化的键值存储（key-value store），每个以太坊账户（尤其是合约账户）都有一个独立的存储空间，键和值都是256位的字（Word），存储是合约状态的重要组成部分。
   • 生命周期：永久存储在区块链上，除非通过SSTORE操作显式修改。
   • Gas成本：存储操作gas成本较高，且首次写入某个键、修改键值、清空键值等不同操作有不同的gas成本，存储的修改会反映在账户的状态根（State Root）中，是状态变迁的核心。

预编译合约（Precompiled Contracts）

除了通过EVM字节码执行的合约外,以太坊还包含一组预编译合约，这些是以太坊客户端用原生代码（如C ）实现的特定功能的合约，它们有固定的地址（从1到9，以及一些后续添加的地址）。

• 目的：提供一些常用且计算密集型操作的优化实现，避免通过EVM解释执行带来的性能开销。
• 例子：
  • 地址1：ECDSA恢复（用于签名验证）
  • 地址2：SHA2-256哈希
  • 地址3：RIPEMD-160哈希
  • 地址4：指数运算（EXP）
  • 地址5：椭圆曲线加法（ECADD）
  • 地址6：椭圆曲线乘法（ECMUL）
  • 等等。
• Gas成本：预编译合约的调用也有固定的gas消耗，通常比等效的EVM字节码执行要便宜得多。

总结与展望

黄皮书第四部分对EVM的详细定义,是理解以太坊智能合约运行原理的基石，从基于栈的架构、严格的Gas机制，到内存、存储的精细化管理，再到预编译合约的性能优化，EVM的设计体现了在安全性、确定性、效率和可扩展性之间寻求平衡的智慧。