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。

相关代码可见：

func (evm *EVM) Call(caller ContractRef, addr common.Address, input []byte, gas uint64, value *big.Int) (ret []byte, leftOverGas uint64, err error) 
{

    if evm.vmConfig.NoRecursion && evm.depth > 0 {//如果设置了“禁用 call”，并且depth 正确，直接返回

        return nil, gas, nil

    }

    // Fail if we're trying to execute above the call depth limit

     if evm.depth > int(params.CallCreateDepth) {//如果 call 的栈深度超过了预设值， 报错

        return nil, gas, ErrDepth

    }

    // Fail if we're trying to transfer more than the available balance

    if !evm.Context.CanTransfer(evm.StateDB, caller.Address(), value) {//检查发出账户是否有足够的钱（实际实现的函数定义在     core/evm.go/CanTransfer()中）但目前还不知道是怎么调用的

        return nil, gas, ErrInsufficientBalance

    }

    var (

        to = AccountRef(addr)

        snapshot  = evm.StateDB.Snapshot()

    )

    if !evm.StateDB.Exist(addr) {//建立账户

        precompiles := PrecompiledContractsHomestead

        if evm.ChainConfig().IsByzantium(evm.BlockNumber) { 
                precompiles = PrecompiledContractsByzantium

        }

        if precompiles[addr] == nil && evm.ChainConfig().IsEIP158(evm.BlockNumber) && value.Sign() == 0 {

            return nil, gas, nil

        }

        evm.StateDB.CreateAccount(addr)

    }

    evm.Transfer(evm.StateDB, caller.Address(), to.Address(), value)//转移

    // initialise a new contract and set the code that is to be used by the

    // E The contract is a scoped environment for this execution context

    // only.

    contract := NewContract(caller, to, value, gas)//建立合约contract.SetCallCode(&addr, evm.StateDB.GetCodeHash(addr),

    evm.StateDB.GetCode(addr)

    ret, err = run(evm, snapshot, contract, input)

    // When an error was returned by the EVM or when setting the creation code

    // above we revert to the snapshot and consume any gas remaining. Additionally

    // when we're in homestead this also counts for code storage gas errors. if err != nil {

    evm.StateDB.RevertToSnapshot(snapshot) if err != errExecutionReverted {

        contract.UseGas(contract.Gas)

    }



    return ret, contract.Gas, err

}

因为此时(转帐)转入地址不为空，所以直接将入参 addr 初始化 Contract 对象的 self 地址，并可从 StateDB 中(其实是以 addr 标识的账户 stateObject 对象)读取出相关的 Code 和CodeHash 并赋值给 contract 的成员变量。

注意，此时转入方地址参数 addr 同时亦被赋值予 contract.CodeAddr。

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.go

type 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。

以太坊探究：ETH交易部分分析

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