1. 引言
首先需了解以下基本概念：
- 1）区块链
- 2）世界状态
- 3）账号
- 4）交易
- 5）消息
- 6）去中心化账本
- 7）原子性和顺序性
1.1 何为以太坊区块链？
以太坊可看成是基于交易的状态机，交易代表了2个状态间的valid arc：
将多笔交易整理打包为区块，区块为package of data：
从状态的角度来看，可将以太坊看成是状态链（chain of states）：
从实现的角度来看，还可将以太坊看成是“BLOCKCHAIN”（chain of blocks）：
从账本的角度来看，还可将以太坊看成是“stack of transactions”：
1.2 何为世界状态？
世界状态（World state）为address与account state之间的mapping：
可从多个角度来看待world state：
- mapping角度
- table表格角度
- object对象角度
1.3 何为账号？
账号（Account）为world state的object对象表示：
账号状态中可包含EVM code和Account storage：
以太坊中主要有2种账号状态：
- Externally owned account（EOA）：由某个私钥控制。不允许包含EVM code。
- Contract account（CA，合约账号）：包含了EVM code。由EVM code控制。
账号地址以160-bit code来表示：
1.4 何为交易？
交易为经密码学签名的单个指令：
交易由external actor来提交：
有两种实用的交易类型：
- contract creation交易
- message call交易
交易中包含的字段有：
- nonce
- gasPrice
- gasLimit
- to：若为contract creation交易，该值为0；否则为160 bit address。
- value：为tranasferred wei（ether）
- v, r, s：交易签名
- init or data：contract creation 或 message call
1.4.1 contract creation交易
contract creation交易示意为：
1.4.2 message call交易
message call交易示意为：
1.5 何为message？
message的来源主要有：
- 由交易触发的关联消息
- 由EVM code触发的消息
消息之间的发送和接收方可分为以下四种场景：
- 1）由EOA通过交易发送消息给EOA
- 2）由EOA通过交易发送消息给CA
- 3）由CA通过EVM code发送消息给EOA
- 4）由CA通过EVM code发送消息给CA
1.6 何为去中心化账本？
区块链不仅为a globally shared, transactional database：
区块链还是a globally shared, 去中心化, transactional database：
由去中心化节点构成以太坊P2P网络：
external actors通过以太坊节点来访问以太坊世界：
不过，实际以太坊客户端是通过Web3 API来访问以太坊网络：
1.7 何为原子性和顺序性？
交易的原子性是指：
- 交易为原子式操作，无法分解或中断。
- 交易要么完全执行成功，要么完全失败。（All（complete done）or Nothing（zero effect））
交易的顺序性是指：
- 交易是无法重叠的
- 交易必须按顺序执行
不过，交易的顺序不是按交易发起时间来确定的，交易的顺序是无法保证的，由矿工来决定区块内的交易顺序：
同时，区块间的顺序则由共识算法（如PoW）来决定：
2. 虚拟机
以太坊虚拟机为stack-based, big-endian VM with a word size of 256-bits，并用于运行智能合约。智能合约与普通账号类似，只是当收到某交易时，智能合约会运行EVM bytecode，处理相应的计算以及后续交易。
EVM中的opcode有：
Contract execution starts at the beginning of the bytecode.
Each opcode is encoded as one byte, except for the PUSH opcodes, which take a immediate value.
All opcodes pop their operands from the top of the stack and push their result.
交易的payload可为0或一定字节数的data，用于定义与合约交互的类型即其它额外信息：
- 1）合约创建交易：
交易的data payload为所创建合约自身的bytecode，会运行合约的构造函数、设置合约初始状态、并返回最终的合约bytecode。即，一旦合约部署完毕，构造函数将不展示在合约中。 - 2）合约交互交易：
通常合约会暴露一个public API——为支持用户与合约交互的一组方法。
为与合约交互，用户将提交交易，交易内可包含任意wei数量（包括0），以及某格式与ABI匹配的data payload，定义了交互类型以及其他额外参数。
合约通常由4种方式来处理data：- 1）Call Data：通常为：4字节的method identifier + 序列化的参数。相关指令有：CALLDATALOAD/CALLDATASIZE/CALLDATACOPY。
- 2）Stack：EVM会维护a stack of uint256s来保存本地变量、函数调用参数以及返回地址。区分返回地址与其它变量是复杂的。相关指令有：PUSH1/DUP1/SWAP1/POP等。
- 3）Memory：为uint8数组，用于保存合约执行过程中的临时数据。memory中的数据无法跨交易保存。相关指令有：MLOAD/MOSTROE/MSTORE8。
- 4）Storage：为持久关联map，以uint256为key，uint256为value。所有的合约元素以及mappings都存储在storage中。Storage中的元素可通过
web3.eth.getStorageAt(address, key)接口来访问获得。相关指令有：SLOAD/SSTORE。
2.1 以太坊虚拟机EVM（Ethereum Virtual Machine）
go-ethereum提供了evm命令行工具对汇编代码进行编译和反汇编，以及执行调试汇编代码：
可使用evm工具直接执行调试汇编代码：
对于message call交易，以太坊虚拟机输入有：
- 相应合约账号的code
- 相应合约账号的storage
- message call交易中的input data
相应的EVM输出会更新到合约账号的stoarge中。
EVM为以太坊合约的运行时环境：
EVM采用简单的栈架构，其中：
- EVM code为Virtual ROM：不变的
- machine state中包含：PC（Program counter）、Gas（Gas available）、Stack、Memory。这些均是可变的。
- 合约账号Storage为World state：是持久保存的。
EVM code可由各种高级语言经相应的编译器编译而来，如：
- Solidity合约源码：对应Solidity编译器
- Viper合约源码：对应Viper编译器
- LLL合约源码：对应LLL编译器
EVM code有2种表示方式：
- 汇编表示
- bytecode表示：EVM本地执行的EVM code为bytecode表示。
EVM的执行模式为：
EVM的machine space中没有寄存器，主要有以下3种资源：
- Stack：为stack memory，最多可容纳 256 bits x 1024个元素。
- Memory：为volatile memory，为byte addressing linear memory。
- （Account）storage：为persistent memory，为256 bits -> 256 bits key-value store。
2.1.1 EVM的stack
stack中最多可存储1024个元素，每个元素为256bits。
所有操作都是基于stack进行的，访问stack的指令有：
- PUSH
- POP
- COPY
- SWAP等等
2.1.2 EVM中的memory
memory为线性的，可按字节寻址。访问memory的指令有：
- MSTORE：256-bit store
- MSTORE8：8-bit store
- MLOAD：256-bit load
memory中所有的位置都是以0为初始值，定义明确的。
2.1.3 EVM中的（account）storage
storage为key-value store，将256-bit words映射到256-bit words。
访问storage的指令有：
- SSTORE：256-bit store
- SLOAD：256-bit load
storage中所有的位置都是以0为初始值，定义明确的。
2.2 Message call
EVM可向其它账号发送消息，message call的深度限制为不超过1024层。
message call由CALL指令触发，参数和返回值均通过memory来传输：
2.3 异常情况
EVM执行EVM code时存在多种异常情况，如：
- 1）无效的jump目标
- 2）out-of-gas
- 3）无效的指令
- 4）stack underflow等
2.4 Gas and fee
以太坊中所有的程序计算都需要付费（以gas来表示）：
如EVM中的操作需要消耗gas、message call需要更多的gas、操作storage需要更多的gas。
2.5 EVM的输入和输出
外部数据通过message call输入到EVM中，EVM可输出log，同时也可返回值给Caller EVM。
input data的指令有：
- CALLDATALOAD：指向Stack
- CALLDATACOPY：指向Memory
2.6 字节顺序
EVM中的字节采用big endian顺序（network byte order）。
memory、input data、以及BYTE指令等都采用big endian顺序，而SIGNEXTEND指令则有所不同。
2.6.1 memory的字节顺序
MSTORE8指令是指将LSB字节存入到相应的位置：
2.6.2 input data的字节顺序
2.6.3 BYTE和SIGNEXTEND指令的字节顺序
2.6.4 PUSH指令的字节顺序
PUSH系列指令：PUSH1/PUSH4/PUSH32均采用right-aligned，big endian顺序。
2.7 EVM指令集
EVM指令集通常是256-bit operation。
合约创建和destruct的指令有：
- CREATE
- DELEGTECALL
- CREATE2
Hash指令有：
- SHA3
Shift指令有：
- MUL：如
MUL m (2^n) == m << n，左移表示乘法指令 - DIV：表示logical right shift
- SDIV：表示arithmetic right shift
其中DIV/SDIV等除法指令，无zero divisional exception。
在EVM内部，存在多个copy指令：
- CALLDATALOAD：将Input data复制到Stack
- CALLDATACOPY：将Input data复制到Memory
- CODECOPY：将EVM code复制到Memory
- EXTCODECOPY：将另一合约的EVM code复制到本合约运行时的Memory中
2.8 Solidity ABI（Application Binary Interface）
文章来源：https://www.toymoban.com/news/detail-405601.html
参考资料
[1] Ethereum EVM illustrated，可参看github https://github.com/takenobu-hs/ethereum-evm-illustrated
[2] Ethereum Virtual Machine Opcodes
[3] Learning Ethereum Virtual Machine Opcodes With EVM Puzzles文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-405601.html
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