一文了解智能合約執行引擎的前世今生_以太坊

Solidity作為最早提出的智能合約語言，它的出現為區塊鏈的應用場景打開了新的大門。

——?緣起——

智能合約這個術語最早于1994年由跨領域法律學者尼克·薩博?次提出。他對智能合約的定義如下：

“一個智能合約是一套以數字形式定義的承諾，包括合約參與方可以在上面執行這些承諾的協議。”

所以簡單來看，尼克·薩博認為智能合約是?套承諾。所謂承諾就是參與?同意的相互之間的權利和義務。因此智能合約的本質和?的即是承諾本身。?如?個簡單的買賣事件，賣家承諾供貨，買家承諾?付，這兩個承諾就可以形成?個智能合約。注意尼克·薩博對智能合約定義中提到的關鍵詞：數字形式和協議。這兩個關鍵詞決定了智能合約不同于傳統意義上的承諾，它在形式和功能上有著決定性的特征。

「智能合約」最開始由以太坊引入區塊鏈。據以太坊白皮書，引入智能合約主要為了解決如下問題：

對于腳本語言，腳本是非圖靈完備的，難以實現復雜的功能，比如橢圓曲線簽名算法腳本無法對可以提取的金額進行細粒度控制腳本缺乏狀態保存，無法實現更為復雜的有狀態合約執行時能獲取的數據不夠豐富，例如隨機數、時間戳和前一個區塊哈希的獲取總之，腳本語言無法滿足更為豐富的應用操作，所以以太坊設計了獨特的智能合約語言Solidity，同時，執行智能合約的智能合約執行引擎EVM也誕生了。

馬斯克推文提及Doges，DOGE應聲上漲5%:金色財經報道，Elon Musk在個人社交媒體發布doges ftw文字，狗狗幣（DOGE）應聲上漲超5%，現報價0.071美元。[2023/7/20 11:05:22]

自此，區塊鏈技術的應用場景，從單一基于UTXO的數字貨幣交易，延伸到圖靈完備的通用計算領域。用戶不再受限于僅能使用比特幣腳本所支持的簡單邏輯，而是可以自行設計任意復雜的合約邏輯。

——?總述——

以太坊設計智能合約有著如下設計特點：

▲?執行的確定性

確定性是指程序對于給定的輸入，不管在何時何地，執行多少次都有相同的輸出。由于區塊鏈維護的是同一份賬本，智能合約執行的確定性可以理解為不同的節點執行相同的合約，必須有相同的結果。

以太坊智能合約語言被設計的足夠簡單，為了保證執行的確定性，其不會實現隨機數，不確定的調用等功能，同時，智能合約的執行在一個環境被限制的虛擬機中進行，這樣能夠在底層更加保證其結果的確定性。

馬斯克個人財富損失達1.37萬億元打破吉尼斯紀錄:金色財經報道，吉尼斯世界紀錄官方網站發布消息稱，美國特斯拉公司首席執行官馬斯克自2021年11月以來凈資產損失近2000億美元（約合人民幣1.37萬億元），一舉打破了歷史上個人財富損失最大的吉尼斯世界紀錄。據了解，這一吉尼斯世界紀錄此前由日本軟銀集團首席執行官孫正義保持，他的個人財富從2000年2月780億美元的峰值下降至同年7月的194億美元，短短幾個月里其凈資產蒸發近600億美元。美國《福布斯》網站的最新數據顯示，馬斯克的凈資產從2021年11月的3200億美元峰值下降至今年1月3日的1380億美元，而其它消息源表明，其實際的資產損失可能接近2000億美元。[2023/1/9 11:02:06]

▲?圖靈完備性

圖靈完備的語言，比較官方的解釋是“可以計算一切可以用一個算法計算的問題”的語言，包括無限循環。以太坊引入智能合約的目的就是為了實現圖靈完備，來支持更為豐富的應用形式。

引入圖靈完備之后需要解決的一個問題就是停機問題：在一般情況下，沒有辦法判斷給定的程序是否會停機。

Flow選擇了Bond為數字錢包提供支持:金色財經報道，嵌入式金融平臺Bond今天宣布，住宅房地產企業Flow已選擇Bond作為嵌入式金融平臺合作伙伴，為Flow計劃中的數字錢包提供動力，該錢包將提供差異化的金融產品。Bond的平臺使Flow能夠在Flow的數字錢包中為其社區成員提供一套獨特的嵌入式解決方案。具體功能將在以后公布。[2022/12/11 21:36:32]

為了避免圖靈完備帶來的停機問題，以太坊引入Gas機制，來對相關的執行過程進行耗費計算。通過將各種操作費用以gas為單位計算，并且設置每次執行的gas消耗上限，即gasLimit，在合約執行耗費累計操作gasLimit上限后強制停止執行，從而達到停機的效果。Gas機制的引入，使得用戶對使用應用的復雜程度取決于其愿意為其付出的代價，而不是平臺物理上的限制。

當然，Gas機制的引入也還有其他好處，不在此處過多介紹。

▲?安全性

安全性作為以太坊的設計前提，也是智能合約需要保證的。以太坊智能合約的安全性在設計上主要體現在兩個方面：

數據：11月份全球Web3領域融資總額為10.34億美元，環比增長21.65%:金色財經報道，據財聯社創投通統計，11月份全球Web3.0領域融資總數量為71筆，融資總額為10.34億美元，環比增長21.65%。

從細分賽道來看，13個區塊鏈基礎設施項目獲得4.56億美元，成為融資總額最多的領域。德國3個項目獲得2.11億美元融資；中國10個項目獲得2.04億美元融資，成為融資額增長最多的地區，環比增長超過4倍。從輪次來看，11月份的融資主要集中在種子輪和戰略輪，占比分別43.67%和12.68%。

根據此前財聯社的統計，10月全球Web3市場共融資8.5億美元。[2022/12/8 21:31:10]

1）相對簡單的智能合約語言

Solidity語言相對于主流的圖靈完備語言而言，由于其專注于區塊鏈場景，所以很多語言特性其沒有必要去實現比如多線程，系統調用，這就使得其可以設計得盡可能簡化。不過這也是其早期比較難用的原因之一，雖然隨著語言的逐漸發展，其功能也在不斷的增加與完善。

2）智能合約的執行環境足夠隔離

Kraken儲備證明審計新增涵蓋USDT等5種資產:8月12日消息，加密貨幣交易所Kraken公布其2022年第二次儲備證明（Proof of Reserves）審計的結果，其審計現已擴展到包括BTC、ETH、USDT、USDC、XRP、ADA和DOT等資產。

其審計范圍增加USDT、USDC、XRP、ADA和DOT五種加密貨幣，將Kraken客戶余額的驗證范圍擴大到在Kraken（包括現貨交易所和質押平臺）持有總資產的63%。該公司表示，它計劃在未來的儲備證明審計中繼續包括更多的資產。（Cryptoninjas）[2022/8/12 12:20:39]

以太坊智能合約運行在以太坊虛擬機EVM中，EVM中的運行不僅被沙盒化，而且實際上是完全隔離的，這意味著在EVM中運行的代碼無法訪問網絡、文件系統或其他進程。甚至智能合約中對其他智能合約的訪問也很有限。通過運行的隔離很大程度上保證了其可控安全。

但是，不可否認以太坊智能合約仍然存在許多安全上的問題，如著名的“可重入攻擊”等。

——?詳解——

下面，讓我們深入Solidity合約的執行引擎—EVM。

EVM被定義為一種棧式虛擬機，其使用一個字節作為指令。棧式虛擬機的特點是執行運算時都是依靠與操作數棧進行交互。

Solidity合約源碼經過編譯后是用一種低級的、基于堆棧的字節碼，所以我們真正部署在以太坊上并且在EVM中執行的其實是一串字節碼。代碼由一系列字節組成，其中每個字節代表一個操作。字節碼執行時從第一個字節碼開始根據字節碼的操作含義依次執行，直到到達代碼末尾或出現錯誤。這些操作可以訪問三種類型的空間來存儲數據：

棧:后進先出容器，其值可以被壓入和彈出；Memory:一個無限可擴展的字節數組；Storage:合約的長期存儲，為鍵/值對存儲。與計算結束后重置的堆棧和Memory不同，存儲會長期存在，這部分也就是常說的“世界狀態”的一部分。智能合約的執行過程其實就是依據操作碼定義的行為對三種類型存儲空間的操作過程，我們以下面的例子進行簡單的展示：

下圖展示部分合約片段：左邊是合約字節碼，右邊是字節碼代表的操作含義

各個操作碼的簡單含義如下：

PUSH1：字節碼16進制為60，操作含義是將緊跟著的一個字節推入棧中

ADD：字節碼16進制為01，操作含義是將棧上的兩個元素彈出相加，然后將結果放回棧中

MSTORE：字節碼16進制為52，操作含義是將棧中彈出的第二個值存入Memory中，存入的索引值為棧中彈出的第一個元素

RET：字節碼16進制為f3，操作含義是執行結束，返回結果，結果在Memory中，起始索引為棧中彈出的第一個值，長度為棧中彈出的第二個值

將這段字節碼放入EVM中執行，其執行過程如下所示：

其中，PC代表當前執行操作碼的位置，合約片段執行的最后會從Memory中的60起始處，取出5個字節的數據出來，由此，合約片段執行完畢，最終的結果會被返回給調用者！

細心的同學會發現，圖中相關的指令沒有和Storage相關的操作，其實是因為為了簡化沒有在示例代碼中選取相關的指令如SStore，其執行原理和上述的表述類似。

“那么，為什么EVM會被設計成這個樣子？為什么通過這些棧的進進出出，內存的復制來復制去，以及對Storage的操作，就能夠解決計算問題，完成對合約狀態的獲取以及修改呢？”

這就涉及到編程語言的設計了。理論上，在計算理論體系中，指令集架構是一個計算機的抽象模型，指令集包含的指令類型豐富程度直接影響著程序表達的豐富程度。比如，指令集中可以包含算數和邏輯運算類指令如加減乘除，控制類指令如跳轉，數據處理指令如讀取內存等。而作為虛擬機，可以根據需要選取或者添加指令構建一個指令集，來表達自己期望的功能。比如EVM中沒有針對與浮點數的相關操作，增加了Storage相關的指令，所以這就從指令層面解釋了Solidity語言不支持浮點數的運算。而在指令確定之后借助現代程序設計的一些工具，即可設計出特定的語言。所以，在某種程度上，如果需要，我們也可以實現自己的語言以及對應的執行引擎。

——?發展——

EVM的本質是通過可編程的語言來操作“世界狀態”，也就是我們所說得區塊鏈賬本，因此，如何更好、更快的來操作是智能合約虛擬機的一大追求。

隨著不斷的發展，行業內已擁有多種智能合約執行引擎，同時也不乏新的探索。

EVM：兼容以太坊EVM，并進行了性能優化與功能豐富HVM：趣鏈首創支持Java語言編寫智能合約的高效、易用、完備的智能合約執行引擎FVM：支持Rust等語言編寫智能合約的安全，多樣，高效的智能合約執行引擎KVSQL：支持在區塊鏈上執行SQL語句的新型執行引擎本文作為專欄的開篇，介紹智能合約的起源以及以太坊智能合約，接下來系列文章將會對其他執行引擎進行詳細介紹，敬請期待！

作者簡介

何奇趣鏈科技基礎平臺部區塊鏈虛擬機研究小組

參考文獻

智能合約百度百科

以太坊黃皮書

以太坊白皮書

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