智能合约编写之Solidity运行原理 | FISCO BCOS系列开发教程

3月25日，BSN第二次开发者大赛正式启动，本次大赛以“编写基于多种底层框架的智能合约”为主题，开发者可基于FISCO BCOS等主流底层框架，结合业务场景设计、开发并部署智能合约。

为了让大家更好上手智能合约开发，区块链服务网络发展联盟与FISCO BCOS开源社区共同推出“7个课时速成智能合约全能型开发”系列教程，助力开发者学习并熟悉合约开发，轻松应对此次大赛并拔得头筹。

系列专题 | 超话区块链之智能合约专场

运行篇：智能合约编写之 Solidity 的运行原理

作者：储雨知

引 言 

作为一门面向智能合约的语言，Solidity与其他经典语言既有差异也有相似之处。

一方面，服务于区块链的属性使其与其他语言存在差异。例如，合约的部署与调用均要经过区块链网络确认；执行成本需要被严格控制，以防止恶意代码消耗节点资源。

另一方面，身为编程语言，Solidity的实现并未脱离经典语言，比如Solidity中包含类似栈、堆的设计，采用栈式虚拟机来进行字节码处理。

本系列前几篇文章介绍了如何开发Solidity程序，为了让读者知其然更知其所以然，本文将进一步介绍Solidity的内部运行原理，聚焦于Solidity程序的生命周期和EVM工作机制。

Solidity的生命周期 

与其他语言一样，Solidity的代码生命周期离不开编译、部署、执行、销毁这四个阶段。下图整理展现了Solidity程序的完整生命周期：

经编译后，Solidity文件会生成字节码。这是一种类似jvm字节码的代码。部署时，字节码与构造参数会被构建成交易，这笔交易会被打包到区块中，经由网络共识过程，最后在各区块链节点上构建合约，并将合约地址返还用户。

当用户准备调用该合约上的函数时，调用请求同样也会经历交易、区块、共识的过程，最终在各节点上由EVM虚拟机来执行。

下面是一个示例程序，我们通过remix探索它的生命周期。

编译

源代码编译完后，可以通过ByteCode按钮得到它的二进制：

还可以得到对应的字节码（OpCode）：

其中下述指令集为set函数对应的代码，后面会解释set函数如何运行。

部署

编译完后，即可在remix上对代码进行部署，构造参数传入0x123:

部署成功后，可得到一条交易回执：

点开input，可以看到具体的交易输入数据：

上面这段数据中，标黄的部分正好是前文中的合约二进制；而标紫的部分，则对应了传入的构造参数0x123。

这些都表明，合约部署以交易作为介质。结合区块链交易知识，我们可以还原出整个部署过程：

• 客户端将部署请求(合约二进制，构造参数)作为交易的输入数据，以此构造出一笔交易
• 交易经过rlp编码，然后由发送者进行私钥签名
• 已签名的交易被推送到区块链上的节点
• 区块链节点验证交易后，存入交易池
• 轮到该节点出块时，打包交易构建区块，广播给其他节点
• 其他节点验证区块并取得共识。不同区块链可能采用不同共识算法，FISCO BCOS中采用PBFT取得共识，这要求经历三阶段提交（pre-prepare，prepare, commit）
• 节点执行交易，结果就是智能合约Demo被创建，状态字段_state的存储空间被分配，并被初始化为0x123

执行

根据是否带有修饰符view，我们可将函数分为两类：调用与交易。由于在编译期就确定了调用不会引起合约状态的变更，故对于这类函数调用，节点直接提供查询即可，无需与其他区块链节点确认。而由于交易可能引起状态变更，故会在网络间确认。

下面将以用户调用了set(0x10)为假设，看看具体的运行过程。

首先，函数set没有配置view/pure修饰符，这意味着其可能更改合约状态。所以这个调用信息会被放入一笔交易，经由交易编码、交易签名、交易推送、交易池缓存、打包出块、网络共识等过程，最终被交由各节点的EVM执行。

在EVM中，由SSTORE字节码将参数0xa存储到合约字段_state中。该字节码先从栈上拿到状态字段_state的地址与新值0xa，随后完成实际存储。

下图展示了运行过程：

这里仅粗略介绍了set(0xa)是如何运行，下节将进一步展开介绍EVM的工作机制以及数据存储机制。

销毁

由于合约上链后就无法篡改，所以合约生命可持续到底层区块链被彻底关停。若要手动销毁合约，可通过字节码selfdestruct。销毁合约也需要进行交易确认，在此不多作赘述。

EVM原理

在前文中，我们介绍了Solidity程序的运行原理。经过交易确认后，最终由EVM执行字节码。对EVM，上文只是一笔带过，这一节将具体介绍其工作机制。

运行原理

EVM是栈式虚拟机，其核心特征就是所有操作数都会被存储在栈上。下面我们将通过一段简单的Solidity语句代码看看其运行原理：

这段代码经过编译后，得到的字节码如下：

为了读者更好了解其概念，这里精简为上述3条语句，但实际的字节码可能更复杂，且会掺杂SWAP和DUP之类的语句。

我们可以看到，在上述代码中，包含两个指令：PUSH1和ADD，它们的含义如下：

• PUSH1：将数据压入栈顶。
• ADD：POP两个栈顶元素，将它们相加，并压回栈顶。

这里用半动画的方式解释其执行过程。下图中，sp表示栈顶指针，pc表示程序计数器。当执行完push1 0x1后，pc和sp均往下移：

类似地，执行push1 0x2后，pc和sp状态如下：

最后，当add执行完后，栈顶的两个操作数都被弹出作为add指令的输入，两者的和则会被压入栈：

存储探究

在开发过程中，我们常会遇到令人迷惑的memory修饰符；阅读开源代码时，也会看到各种直接针对内存进行的assembly操作。不了解存储机制的开发者遇到这些情况就会一头雾水，所以，这节将探究EVM的存储原理。

在前文《智能合约编写之Solidity的基础特性》中我们介绍过，一段Solidity代码，通常会涉及到局部变量、合约状态变量。

而这些变量的存储方式存在差别，下面代码表明了变量与存储方式之间的关系。

栈

栈用于存储字节码指令的操作数。在Solidity中，局部变量若是整型、定长字节数组等类型，就会随着指令的运行入栈、出栈。

例如，在下面这条简单的语句中，变量值1会被读出，通过PUSH操作压入栈顶：

对于这类变量，无法强行改变它们的存储方式，如果在它们之前放置memory修饰符，编译会报错。

内存

内存类似java中的堆，它用于储存"对象"。在Solidity编程中，如果一个局部变量属于变长字节数组、字符串、结构体等类型，其通常会被memory修饰符修饰，以表明存储在内存中。

本节中，我们将以字符串为例，分析内存如何存储这些对象。

1. 对象存储结构

下面将用assembly语句对复杂对象的存储方式进行分析。

assembly语句用于调用字节码操作。mload指令将被用于对这些字节码进行调用。mload(p)表示从地址p读取32字节的数据。开发者可将对象变量看作指针直接传入mload。

在下面代码中，经过mload调用，data变量保存了字符串str在内存中的前32字节。

掌握mload，即可用此分析string变量是如何存储的。下面的代码将揭示字符串数据的存储方式：

data变量表示str的0~31字节，data2表示str的32~63字节。运行strStorage函数的结果如下：

可以看到，第一个数据字得到的值为6，正好是字符串"你好"经UTF-8编码后的字节数。第二个数据字则保存的是"你好"本身的UTF-8编码。

熟练掌握了字符串的存储格式之后，我们就可以运用assembly修改、拷贝、拼接字符串。读者可搜索Solidity的字符串库，了解如何实现string的concat。

2. 内存分配方式

既然内存用于存储对象，就必然涉及到内存分配方式。

memory的分配方式非常简单，就是顺序分配。下面我们将分配两个对象，并查看它们的地址：

运行此函数后，返回结果将包含两个数据字：

这说明，第一个字符串str1的起始地址是0x80，第二个字符串str2的起始地址是0xc0，之间64字节，正好是str1本身占据的空间。此时的内存布局如下，其中一格表示32字节（一个数据字，EVM采用32字节作为一个数据字，而非4字节）：

• 0x40~0x60：空闲指针，保存可用地址，本例中是0x100，说明新的对象将从0x100处分配。可以用mload(0x40)获取到新对象的分配地址。
• 0x80~0xc0：对象分配的起始地址。这里分配了字符串aaa
• 0xc0~0x100：分配了字符串bbb
• 0x100~...：因为是顺序分配，新的对象将会分配到这里。

状态存储

顾名思义，状态存储用于存储合约的状态字段。

从模型而言，存储由多个32字节的存储槽构成。在前文中，我们介绍了Demo合约的set函数，里面0x0表示的是状态变量_state的存储槽。所有固定长度变量会依序放到这组存储槽中。

对于mapping和数组，存储会更复杂，其自身会占据1槽，所包含数据则会按相应规则占据其他槽，比如mapping中，数据项的存储槽位由键值k、mapping自身槽位p经keccak计算得来。

从实现而言，不同的链可能采用不同实现，比较经典的是以太坊所采用的MPT树。由于MPT树性能、扩展性等问题，FISCO BCOS放弃了这一结构，而采用了分布式存储，通过rocksdb或mysql来存储状态数据，使存储的性能、可扩展性得到提高。

结 语

本文介绍了Solidity的运行原理，运行原理总结如下。

首先，Solidity源码会被编译为字节码，部署时，字节码会以交易为载体在网络间确认，并在节点上形成合约；合约函数调用，如果是交易类型，会经过网络确认，最终由EVM执行。

EVM是栈式虚拟机，它会读取合约的字节码并执行。

在执行过程中，会与栈、内存、合约存储进行交互。其中，栈用于存储普通的局部变量，这些局部变量就是字节码的操作数；内存用于存储对象，采用length+body进行存储，顺序分配方式进行内存分配；状态存储用于存储状态变量。

理解Solidity的运行方式及其背后原理，是成为Solidity编程高手必经之路。

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