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以太坊虚拟机

约 1681 个字 预计阅读时间 6 分钟

Abstract

以太坊的智能合约会在 EVM（Ethereum Virtual Machine，以太坊虚拟机）上运行。本文主要介绍 EVM 的基础知识。

参考

EVM 简介

EVM 是一个栈结构的虚拟机，没有寄存器，栈的深度最大 1024，每个元素都是 256 位（32 字节）的。同时在执行期间会维护一个瞬时内存（memory），其执行后不会持久存在。

EVM 有一套指令集，每条指令都有一个 8 位的 opcode，指令的参数可以是立即数、栈元素等。

EVM 字节码

完整的 EVM 字节码及解释可见：ethervm.io，这里进行一下分类：

运算指令

没有特殊说明都是在模 2^256 的意义下进行运算。

Note

下面表格中的栈输入、栈输出均是左侧为栈顶

字节码 名称 栈输入 栈输出 描述
01 ADD a, b a + b
02 MUL a, b a * b
03 SUB a, b a - b
04 DIV a, b a // b uint256 除法
05 SDIV a, b a // b int256 除法
06 MOD a, b a % b uint256 取模
07 SMOD a, b a % b int256 取模
08 ADDMOD a, b, c (a + b) % c
09 MULMOD a, b, c (a * b) % c
0a EXP a, b a ** b
0b SIGNEXTEND b, x signextend(x, b) 将 x 从 (b+1)*8 位符号扩展到 256 位
字节码 名称 栈输入 栈输出 描述
10 LT a, b a < b
11 GT a, b a > b
12 SLT a, b a < b int256 比较
13 SGT a, b a > b int256 比较
14 EQ a, b a == b
15 ISZERO a a == 0
16 AND a, b a & b
17 OR a, b a | b
18 XOR a, b a ^ b
19 NOT a ~a
1a BYTE i, x x[i] 取 x 的第 i 个字节（从高位算）
1b SHL a, b b << a
1c SHR a, b b >> a 逻辑右移
1d SAR a, b b >> a 算数右移
字节码 名称 栈输入 栈输出
20 SHA3 offset, length keccak256(mem[offset:offset+length])

特殊指令

一些以太坊特有的指令，比如取一些交易信息、区块信息等

字节码 名称 栈输入 栈输出 描述
30 ADDRESS address 当前合约地址
31 BALANCE addr addr.balance
32 ORIGIN tx.origin
33 CALLER msg.sender
34 CALLVALUE msg.value
35 CALLDATALOAD i msg.data[i:i+32]
36 CALLDATASIZE len(msg.data)
38 CODESIZE len(this.code)
3a GASPRICE tx.gasprice
3b EXTCODESIZE addr len(addr.code)
3d RETURNDATASIZE len(returndata) 上一次调用的返回数据长度
3f EXTCODEHASH addr keccak256(addr.code) 地址不存在则返回 0
40 BLOCKHASH number block.blockHash(blockNumber)
41 COINBASE block.coinbase
42 TIMESTAMP block.timestamp
43 NUMBER block.number
44 DIFFICULTY block.difficulty
45 GASLIMIT block.gaslimit
46 CHAINID chainid
47 SELFBALANCE this.balance
48 BASEFEE block.basefee
字节码 名称 栈输入 描述
37 CALLDATACOPY memOffset, dataOffset, length mem[memOffset:memOffset+length] = msg.data[dataOffset:dataOffset+length]
39 CODECOPY memOffset, codeOffset, length mem[memOffset:memOffset+length] = this.code[codeOffset:codeOffset+length]
3c EXTCODECOPY addr, memOffset, codeOffset, length mem[memOffset:memOffset+length] = addr.code[codeOffset:codeOffset+length]
3e RETURNDATACOPY memOffset, dataOffset, length mem[memOffset:memOffset+length] = returndata[dataOffset:dataOffset+length]
字节码 名称 栈输入 栈输出 描述
58 PC pc 当前指令的位置
59 MSIZE mem.length 内存大小
5a GAS gas 剩余 gas

存储指令

EVM 执行时有三个存储位置：

  • 栈（stack）：通过 PUSH、POP 系列在当前执行的栈上进行读写
  • 内存（memory）：通过 MLOAD、MSTORE 系列在当前执行的内存上进行读写
  • 链上存储（storage）：通过 SLOAD、SSTORE 系列在当前合约的存储区进行读写（是持久化的）
字节码 名称 栈输入 栈输出 描述
50 POP a
51 MLOAD offset mem[offset:offset+32]
52 MSTORE offset, value mem[offset:offset+32] = value
53 MSTORE8 offset, value mem[offset] = value
54 SLOAD key storage[key]
55 SSTORE key, value storage[key] = value

并且提供了很多 PUSH 指令，分别处理不同大小的输入立即数：

字节码 名称 栈输入 栈输出 描述
60 PUSH1 uint8 压入一个 1 字节的值
61 PUSH2 uint16 压入一个 2 字节的值
... ... ... ... ...
7f PUSH32 uint256 压入一个 32 字节的值

以及一些栈上的数据操作，即 DUP 和 SWAP，分别表示复制栈上某处数据到栈顶以及交换栈上两个数据：

字节码 名称 栈输入 栈输出 描述
80 DUP1 a a, a 将栈顶数据复制一份到栈顶
81 DUP2 _, a a, _, a 复制栈上第 2 个数据到栈顶
82 DUP3 _, _, a a, _, _, a 复制栈上第 3 个数据到栈顶
... ... ... ... ...
8f DUP16 ... ... 复制栈上第 16 个数据到栈顶
90 SWAP1 a, b b, a 交换栈顶两个数据
91 SWAP2 a, _, b b, _, a 交换栈上第 2 个数据和栈顶数据
92 SWAP3 a, _, _, b b, _, _, a 交换栈上第 3 个数据和栈顶数据
... ... ... ... ...
9f SWAP16 ... ... 交换栈上第 16 个数据和栈顶数据

跳转指令

EVM 的跳转比较特别，它不能随意跳转到任何位置，只能跳转到一个 JUMPDEST 指令的位置。

字节码 名称 栈输入 栈输出 描述
56 JUMP dest 跳转到 dest 位置
57 JUMPI dest, cond 如果 cond 非 0 则跳转到 dest 位置
5b JUMPDEST 标记一个跳转目标

日志指令

在链上记录日志，也就是 event。

字节码 名称 栈输入 描述
a0 LOG0 offset, length LOG0(mem[offset:offset+length])
a1 LOG1 offset, length, topic0 LOG1(mem[offset:offset+length], topic0)
... ... ... ...
a4 LOG4 offset, length, topic0~3 LOG4(mem[offset:offset+length], topic0~3)

创建合约地址指令

创建合约地址有两种指令，CREATE 和 CREATE2，后者是君士坦丁堡硬分叉后引入的。

字节码 名称 栈输入 栈输出 描述
f0 CREATE value, offset, length address
f5 CREATE2 value, offset, length, salt address

调用、返回、自毁指令

远程调用指令

EVM 中远程调用有四种：

  • call：远程调用，如果有状态修改，修改的是被调用合约的状态
  • callcode：远程调用，如果有状态修改，修改的是调用合约的状态（不建议使用，由 delegatecall 取代）
  • delegatecall：远程调用，如果有状态修改，修改的是调用合约的状态
  • staticcall：远程调用，不能存在状态修改

其中 callcode 和 delegatecall 的区别是，对于一个调用：Alice 通过交易调用了合约 A，合约 A 中通过某一远程调用调用了合约 B，那么：

  • callcode：合约 A 中的 msg.sender 是 Alice，合约 B 中的 msg.sender 是 A
  • delegatecall：合约 A 和 B 中的 msg.sender 都是 Alice
字节码 名称 栈输入 栈输出
f1 CALL gas, to, value, argsOffset, argsLength, retOffset, retLength success
f2 CALLCODE gas, to, value, argsOffset, argsLength, retOffset, retLength success
f4 DELEGATECALL gas, to, argsOffset, argsLength, retOffset, retLength success
fa STATICCALL gas, to, argsOffset, argsLength, retOffset, retLength success

返回指令

返回指令也可以算为两种，一种是 RETURN 正常返回，另一种是 REVERT 异常回滚（同时 REVERT 会回滚所有的状态修改）。

字节码 名称 栈输入 描述
f3 RETURN offset, length return mem[offset:offset+length]
fd REVERT offset, length revert mem[offset:offset+length]

自毁指令

自毁即 solidity 代码中的 selfdestruct，销毁当前合约，并将所有余额转移到指定地址。

字节码 名称 栈输入 描述
ff SELFDESTRUCT address selfdestruct(address)

EVM 逆向

有时题目不会给出合约源码，这时就需要对字节码进行逆向。一些常用的网站：

最后更新: 2022年11月29日 23:45:37
创建日期: 2022年11月28日 23:33:01
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