1. 引言
本文主要源自Macro团队的Gilbert在ETHNewYork 2022分享 Demystifying EVM Opcodes，同时结合evm.codes来理解。
下图摘自Evolution of the EVM Pt. 1：
一个很赞的理解Opcodes的资料见EVM opcodes谜题：
- Learning Ethereum Virtual Machine Opcodes With EVM Puzzles（https://github.com/fvictorio/evm-puzzles javascript）
学习EVM Opcodes，可成为更好的Solidity工程师。
更好的Solidity工程师，意味着：
- 1）理解Solidity的设计原理。
- 2）更好的为low-level code做准备。
- 3）更深入的理解通用设计模式。
- 4）更深入的理解智能合约在EVM中的运行机制。
2. 何为虚拟机？
在计算机科学中，“bytecode”为一种由源代码编译而来的计算机语言，其运行在虚拟机中。bytecode不是human-readable的，但确实computer-readable的。基本的流程为：
源代码-》bytecode-》Machine code
[Flow]
Source Code -> Bytecode -> Machine Code
Source Code: File written in programming language such as Java, Solidity.
Bytecode: Compiled from source code and run on Virtual Machine such as JVM, EVM
Machine Code: Code that only operating system can read. Bytecode is converted to Machine Code and finally executed.
3. EVM介绍
3.1 EVM中的Opcode
与其它虚拟机采用二进制表示Opcode不同，为便于记忆和可读，EVM的所有Opcode都以单个字节来表示，并附加了人类可读名字。
EVM Opcode的基本语法为：
3.2 EVM中的Stack
EVM是Stack-Based的，执行完下图前三个指令后，相应stack中的内容见下图左侧：
SWAP2指令是指将stack中的“a,b,c” 转换为 “c,b,a”：【即“0x03,0x04,0x09” -> “0x09,0x04,0x03”】
ADD指令是指将stack中的top 2 值pop出来，相加后的结果再push回stack中：【0x04+0x03=0x07】
CALLER指令是指将 the 20-byte address of the caller account 推送到stack中。该账号为 the account that did the last call (except delegate call)。
stack中每个元素最多为32字节。当想要操作大于32字节的数据时，使用stack将非常复杂，此时可以考虑使用memory。
3.3 EVM中的Memory
Memory为在EVM中可访问的另一种数据结构，其是一个非常长的数组，其长度最低为0，最长可为任意值，不过事实上不会是任意长，因随着运行最终会out of gas。不过从技术上来说，未对Memory的长度做限制。
以MSTORE指令（向Memory写入数据）为例，首先往stack中推入某些数据：
MSTORE指令是指取stack中的top 2值，依次为offset和value值，在memory偏移offset个字节中存入相应的value值。上图中，0x20为offset（32个字节），0x03为value值（32字节）：
MSTORE会从stack中pop出top2的2个值，然后值更新到memory中相应的位置：
MLOAD指令（从Memory中读取数据）是指取stack的top1为offset，从memory中相应的offset位置开始读取32字节：
MLOAD指令会从stack中pop顶端值为offset，然后再将从memory中对应offset读取的32字节推入stack中：
Memory很便宜，但其仅存在于单笔交易中，若需要跨多笔交易存储，此时需要使用Storage。
3.4 EVM中的Storage
storage操作方式与memory类似，memory很便宜，区块链上的storage非常昂贵，如：
- 单个SSTORE操作需约2900~20000 gas
- 单个MSTORE操作仅需约3+ gas
因此非必要不使用storage存储，因其非常昂贵。
memory像一个巨大的数组，而storage像key-value数据库。
4. 更简单的Trim语法表示
Trim为小众语言，但具有更易读特性。
Trim的S-Expressions为：
5. Solidity Opcodes表示
如Solidity中的原语与Opcode的对应关系类似有：
- msg.sender->CALLER
- msg.value->CALLVALUE
- block.timestamp->TIMESTAMP
- tx.origin->ORIGIN
5.1 Solidity payable关键字
payable为Solidity的feature，若想get paid from a function，需为该函数添加payable关键字。payable不是an evm related concept，而是a solidity related concept。若函数为标记payable关键字，solidity可借此来decide to block your functions from receiving Ether，因此，对应non-payble函数，存在一些粗略等价的opcodes。首先获取CALLVALUE值，判断其是否为0；若CALLVALUE不为0，则跳转到某处来revert该hashtag syntax，相应的hashtag synax在Trim中称为label，label为bytecode中的某个位置，因此很容易跳转到指定位置的代码，而不需要数字节数 或 手工输入相应的数字：
对于每个未标记payable的函数，都会有以上代码生成。因此，对于标记了payable的函数，不会生成以上代码，从而实际上可减少合约编译出来的code size：
5.2 Solidity Storage变量
Solidity Storage变量：Storage变量仅在使用时才编译，而不是在定义时就编译。因此，可定义任意多的Storage变量，但事实上并不会给编译的合约增加任何code。原因在于，Storage是key-value数据库，在使用之前，无需对key进行初始化。若想读某个之前从未用过的key，返回相应的值为0，并不为抛错误。
Solidity源代码中的变量为index spaced，与变量名无关。
当做合约升级的时候，应注意不要对合约中的storage变量重新排序，否则影响历史数据与变量的对应关系：
5.3 Solidity Compact Storage变量
若有多个连续storage变量，其size均小于256 bit（对应32byte，为EVM的word size）。Solidity会将这些小于256 bit的Storage变量压缩存储在同一storage slot中：
这样的压缩会带来一定的好处，如下图中，在同一storage slot 0中同时有
x
,
y
x,y
x,y变量，因此可用bit mask来选择指定的变量。
采用Compact Storage的主要好处在于：【第一次SLOAD某slot为cold SLOAD，后续对同一slot的SLOAD均为Hot SLOAD。】
- Cold SLOAD需2100 gas
- Hot SLOAD需100 gas
5.4 Solidity If Statement
Solidity中的If条件判断：
不过有趣的一点在于，在0.8.x Solidity版本时，x = x + 7;这样的引用并未优化，会对应有一次Hot SLOAD，若想避免这种情况，可引入本地变量来优化：uint tmp=x + 7; x = tmp;。
5.5 Solidity External和Internal Function Calls
EVM中的外部调用 与 内部调用非常不同。事实上，EVM并没有内部调用的概念。所谓内部调用和外部调用，是Solidity层面的概念。
外部调用示例：【从FnCalls合约中外部调用token合约的transfer函数】
内部调用示例为：
EVM中的内部调用是指跳转到bytecode中的指定位置执行完成后，再跳转回去。上图为内部调用的伪代码。
下图与上图不同之处在于，内部调用的函数具有参数，即意味着在jump之前，需将函数参数push到stack中：
文章来源：https://www.toymoban.com/news/detail-666787.html
参考资料
[1] ETHNewYork 2022分享 Demystifying EVM Opcodes
[2] Explaining core system Ethereum Virtual Machine文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-666787.html
到了这里，关于揭秘EVM Opcodes的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容，请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章，希望大家以后多多支持TOY模板网！
