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区块链以太坊合约创建执行详解

时间：2019-12-09 03:29:58

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区块链以太坊合约创建执行详解

一、合约的创建和赋值：

1. 合约

合约(Contract)是 EVM 用来执行(虚拟机)指令的结构体。

2. 合约的结构

Contract 的结构定义于：core/vm/contract.go 中，在这些成员变量里，

caller 是转帐转出方地址(账户)，self 是转入方地址，不过它们的类型都用接口 ContractRef 来表示；Code 是指令数组，其中每一个 byte 都对应于一个预定义的虚拟机指令；CodeHash 是 Code 的 RLP 哈希值；Input 是数据数组，是指令所操作的数据集合；Args 是参数。

3. self变量

有意思的是 self 这个变量，为什么转入方地址要被命名成 self 呢？

Contract 实现了ContractRef 接口，返回的恰恰就是这个 self 地址。

func (c *Contract) Address() common.Address {return c.self.Address()}

所以当 Contract 对象作为一个 ContractRef 接口出现时，它返回的地址就是它的 self地址。

那什么时候 Contract 会被类型转换成 ContractRef 呢？

当 Contract A 调用另一个Contract B 时，A 就会作为 B 的 caller 成员变量出现。

Contract 可以调用 Contract，这就为系统在业务上的潜在扩展，提供了空间。

创建一个 Contract 对象时，重点关注对 self 的初始化，以及对 Code, CodeAddr 和Input 的赋值。

另外，StateDB 提供

方法 SetCode()，可以将指令数组 Code 存储在某个 stateObject 对象中;方法 GetCode()，可以从某个 stateObject 对象中读取已有的指令数组 Code。

func (self *StateDB) SetCode(addr common.Address, code []byte) func (self *StateDB) GetCode(addr common.Address, code []byte)

4. stateObject

stateObject (core/state/state_object.go)是 Ethereum 里用来管理一个账户所有信息修改的结构体，它以一个 Address 类型变量为唯一标示符。

StateDB 在内部用一个巨大的map 结构来管理这些 stateObject 对象。

所有账户信息-包括 Ether 余额，指令数组 Code,该账户发起合约次数 nonce 等-它们发生的所有变化，会首先缓存到 StateDB 里的某个stateObject 里，然后在合适的时候，被 StateDB 一起提交到底层数据库。

5.创建并执行 Contract

EVM（core/vm/evm.go）中目前有五个函数可以创建并执行 Contract，按照作用和调用方式，可以分成两类:

Create(), Call(): 二者均在 StateProcessor 的 ApplyTransaction()被调用以执行单个交易，并且都有调用转帐函数完成转帐。 CallCode(), DelegateCall(), StaticCall()：三者由于分别对应于不同的虚拟机指令(1 byte)操作，不会用以执行单个交易，也都不能处理转帐。

考虑到与执行交易的相关性，这里着重探讨 Create()和 Call()。

call()

先来看 Call()，它用来处理(转帐)转入方地址不为空的情况：

Call()函数的逻辑可以简单分为以上 6 步。

步骤(3)调用了转帐函数 Transfer()，转入账户 caller, 转出账户 addr；步骤(4)创建一个 Contract 对象，并初始化其成员变量 caller, self(addr), value 和 gas；步骤(5)赋值 Contract 对象的 Code, CodeHash, CodeAddr 成员变量；步骤(6) 调用 run()函数执行该合约的指令，最后 Call()函数返回。

create()

再来看看 EVM.Create()，它用来处理(转帐)转入方地址为空的情况。

与 Call()相比，Create()因为没有 Address 类型的入参 addr，其流程有几处明显不同：

步骤(3)中创建一个新地址 contractAddr，作为(转帐)转入方地址，亦作为Contract 的 self 地址；步骤(6)由于 contracrAddr 刚刚新建，db 中尚无与该地址相关的 Code 信息，所以会将类型为[]byte 的入参 code，赋值予 Contract 对象的 Code 成员；步骤(8)将本次执行合约的返回结果，作为 contractAddr 所对应账户(stateObject 对象)的 Code 储存起来，以备下次调用。

还有一点隐藏的比较深，Call()有一个入参 input 类型为[]byte，而 Create()有一个入参code 类型同样为[]byte，没有入参 input，它们之间有无关系？

其实，它们来源都是Transaction 对象 tx 的成员变量 Payload！调用 EVM.Create()或 Call()的入口在StateTransition.TransitionDb()中，

当 tx.Recipent 为空时，tx.data.Payload 被当作所创建Contract 的 Code；当 tx.Recipient 不为空时，tx.data.Payload 被当作 Contract 的 Input。

二、预编译合约

EVM 中执行合约(指令)的函数是 run()，在 core/vm/evm.go 中其实现代码如下：

可见如果待执行的 Contract 对象恰好属于一组预编译的合约集合-此时以指令地址CodeAddr 为匹配项-那么它可以直接运行；没有经过预编译的 Contract，才会由Interpreter 解释执行。这里的”预编译”，可理解为不需要编译(解释)指令(Code)。预编译的合约，其逻辑全部固定且已知，所以执行中不再需要 Code，仅需 Input 即可。

在代码实现中，预编译合约只需实现两个方法 Required()和 Run()即可，这两方法仅需一个入参 input。

/core/vm/contracts.gotype PrecompiledContract interface { RequiredGas(input []byte) uint64 Run(input []byte) ([]byte, error)}func RunPrecompiledContract(p PrecompiledContract, input []byte, contract *Contrat) (ret []byte, err error) {gas := p.RequiredGas(input) if contract.UseGas(gas) {return p.Run(input)}return nil, ErrOutOfGas}

目前，Ethereuem 代码中已经加入了多个预编译合约，功能覆盖了包括椭圆曲线密钥恢复，SHA-3(256bits)哈希算法，RIPEMD-160 加密算法等等。

相信基于自身业务的需求，二次开发者完全可以加入自己的预编译合约，大大加快合约的执行速度。

三、解释器执行合约的指令

解释器 Interpreter 用来执行(非预编译的)合约指令。

它的结构体 UML 关系图如下所示：

Interpreter 结构体通过一个 Config 类型的成员变量，间接持有一个包括 256 个operation 对象在内的数组 JumpTable。

operation 是做什么的呢？

每个 operation 对象正对应一个已定义的虚拟机指令，它所含有的四个函数变量 execute, gasCost, validateStack, memorySize 提供了这个虚拟机指令所代表的所有操作。

每个指令长度1byte，Contract 对象的成员变量 Code 类型为[]byte，就是这些虚拟机指令的任意集合，operation 对象的函数操作，主要会用到 Stack，Memory, IntPool 这几个自定义的数据结构。

这样一来，Interpreter 的 Run()函数就很好理解了，其核心流程就是逐个 byte 遍历入参 Contract 对象的 Code 变量，将其解释为一个已知的 operation，然后依次调用该operation 对象的四个函数，流程示意图如下：

operation 在操作过程中，会需要几个数据结构：

Stack，实现了标准容器 -栈的行为；Memory，一个字节数组，可表示线性排列的任意数据;intPool，提供对big.Int 数据的存储和读取。

已定义的 operation，种类很丰富，包括：

算术运算：ADD，MUL，SUB，DIV，SDIV，MOD，SMOD，EXP…；逻辑运算：LT，GT，EQ，ISZERO，AND，XOR，OR，NOT…；业务功能：SHA3，ADDRESS，BALANCE，ORIGIN，CALLER，GASPRICE，LOG1，LOG2…等等需要特别注意的是 LOGn 指令操作，它用来创建 n 个 Log 对象，这里 n 最大是 4。还记得 Log 在何时被用到么？每个交易(Transaction,tx)执行完成后，会创建一个 Receipt 对象用来记录这个交易的执行结果。Receipt 携带一个 Log 数组，用来记录 tx 操作过程中的所有变动细节，而这些 Log，正是通过合适的 LOGn 指令-即合约指令数组(Contract.Code) 中的单个 byte，在其对应的 operation 里被创建出来的。每个新创建的 Log 对象被缓存在StateDB 中的相对应的 stateObject 里，待需要时从 StateDB 中读取。

准确的来说是从链上取二进制的代码指令，这个指令就是合约编译后产生的binary，binary中包含了每个方法对应的ID及指令集，发送一笔交易会先对方法进行编码，编码时会产生方法ID，然后签名，再发送交易，交易进入EVM后根据Id查找对应的指令集，根据输入数据和指令集进行交易执行。

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