以太坊虚拟机 EVM（1）EVMC interpreter

约定不等于承诺〃 2022-10-11 03:55 334阅读 0赞

在区块链上，用户通过运行部署在区块链上的合约，完成需要共识的操作。

以太坊虚拟机，是智能合约代码的执行器。

当智能合约被编译成二进制文件后，被部署到区块链上。

用户通过调用智能合约的接口，来触发智能合约的执行操作。

EVM执行智能合约的代码，修改当前区块链上的数据（状态）。

被修改的数据，会被共识，确保一致性。

## EVMC – Ethereum Client-VM Connector API ##

新版本的以太坊将EVM从节点代码中剥离出来，形成一个独立的模块。EVM与节点的交互，抽象出EVMC接口标准。

通过EVMC，节点可以对接多种虚拟机，而不仅限于传统的基于solidity的虚拟机。

传统的solidity虚拟机，在以太坊中称为interpreter，下文主要解释interpreter的实现。

### EVMC 接口 ###

EVMC主要定义了两种调用的接口：

*  Instance接口：节点调用EVM的接口
 *  Callback接口：EVM回调节点的接口

EVM本身不保存状态数据，节点通过instance接口操作EVM，EVM反过来，调Callback接口，对节点的状态进行操作。

![../../../\_images/evmc.png][.._.._.._images_evmc.png]

**Instance 接口**

定义了节点对虚拟机的操作，包括创建，销毁，设置等。

接口定义在evmc\_instance（evmc.h）中

*  abi\_version
 *  name
 *  version
 *  destroy
 *  execute
 *  set\_tracer
 *  set\_option

**Callback接口**

定义了EVM对节点的操作，主要是对state读写、区块信息的读写等。

接口定义在evmc\_context\_fn\_table（evmc.h）中。

*  evmc\_account\_exists\_fn account\_exists
 *  evmc\_get\_storage\_fn get\_storage
 *  evmc\_set\_storage\_fn set\_storage
 *  evmc\_get\_balance\_fn get\_balance
 *  evmc\_get\_code\_size\_fn get\_code\_size
 *  evmc\_get\_code\_hash\_fn get\_code\_hash
 *  evmc\_copy\_code\_fn copy\_code
 *  evmc\_selfdestruct\_fn selfdestruct
 *  evmc\_call\_fn call
 *  evmc\_get\_tx\_context\_fn get\_tx\_context
 *  evmc\_get\_block\_hash\_fn get\_block\_hash
 *  evmc\_emit\_log\_fn emit\_log

##  ##

## EVM 执行 ##

### EVM 指令 ###

solidity是合约的执行语言，solidity被solc编译后，变成类似于汇编的EVM指令。

Interpreter定义了一套完整的指令集。solidity被编译后，生成二进制文件，二进制文件就是EVM指令的集合，交易以二进制的形式发往节点，节点收到后，通过EVMC调用EVM执行这些指令。

在EVM中，用代码模拟实现了这些指令的逻辑。

Solidity是基于堆栈的语言，EVM在执行二进制时，也是以堆栈的方式进行调用。

**算术指令举例**

一条ADD指令，在EVM中的代码实现如下。

SP是堆栈的指针，从栈顶第一和第二个位置（`SP[0]`、`SP[1]`）拿出数据，进行加和后，写入结果堆栈SPP的顶端`SPP[0]`。

CASE(ADD)
    {
        ON_OP();
        updateIOGas();
    
        // pops two items and pushes their sum mod 2^256.
        m_SPP[0] = m_SP[0] + m_SP[1];
    }

**跳转指令举例**

JUMP指令，实现了二进制代码间的跳转。首先从堆栈顶端`SP[0]`取出待跳转的地址，验证一下是否越界，放到程序计数器PC中，下一个指令，将从PC指向的位置开始执行。

CASE(JUMP)
    {
        ON_OP();
        updateIOGas();
        m_PC = verifyJumpDest(m_SP[0]);
    }

**状态读指令举例**

SLOAD可以查询状态数据。大致过程是，

*  从堆栈顶端`SP[0]`取出要访问的key，
 *  把key作为参数，然后调evmc的callback函数`get_storage()` ，查询相应的key对应的value。
 *  之后将读到的value写到结果堆栈SPP的顶端`SPP[0]`。

CASE(SLOAD)
    {
        m_runGas = m_rev >= EVMC_TANGERINE_WHISTLE ? 200 : 50;
        ON_OP();
        updateIOGas();
    
        evmc_uint256be key = toEvmC(m_SP[0]);
        evmc_uint256be value;
        m_context->fn_table->get_storage(&value, m_context, &m_message->destination, &key);
        m_SPP[0] = fromEvmC(value);
    }

**状态写指令举例**

SSTORE指令可以将数据写到节点的状态中，大致过程是，从栈顶第一和第二个位置（`SP[0]`、`SP[1]`）拿出key和value，把key和value作为参数，调用evmc的callback函数`set_storage()` ，写入节点的状态。

CASE(SSTORE)
    {
        ON_OP();
        if (m_message->flags & EVMC_STATIC)
            throwDisallowedStateChange();
    
        static_assert(
            VMSchedule::sstoreResetGas <= VMSchedule::sstoreSetGas, "Wrong SSTORE gas costs");
        m_runGas = VMSchedule::sstoreResetGas;  // Charge the modification cost up front.
        updateIOGas();
    
        evmc_uint256be key = toEvmC(m_SP[0]);
        evmc_uint256be value = toEvmC(m_SP[1]);
        auto status =
            m_context->fn_table->set_storage(m_context, &m_message->destination, &key, &value);
    
        if (status == EVMC_STORAGE_ADDED)
        {
            // Charge additional amount for added storage item.
            m_runGas = VMSchedule::sstoreSetGas - VMSchedule::sstoreResetGas;
            updateIOGas();
        }
    }

**合约调用指令举例**

CALL指令能够根据地址调用另外一个合约。首先，EVM判断是CALL指令，调用`caseCall()。`

在caseCall()`中，用`caseCallSetup()`从堆栈中拿出数据，封装成msg，作为参数，调用evmc的callback函数call。`

`Eth在被回调`call()`后，启动一个新的EVM，处理调用，之后将新的EVM的执行结果，通过`call()\`\`\`的参数返回给当前的EVM，当前的EVM将结果写入结果堆栈SSP中，调用结束。合约创建的逻辑与此逻辑类似。

CASE(CALL)
    CASE(CALLCODE)
    {
        ON_OP();
        if (m_OP == Instruction::DELEGATECALL && m_rev < EVMC_HOMESTEAD)
            throwBadInstruction();
        if (m_OP == Instruction::STATICCALL && m_rev < EVMC_BYZANTIUM)
            throwBadInstruction();
        if (m_OP == Instruction::CALL && m_message->flags & EVMC_STATIC && m_SP[2] != 0)
            throwDisallowedStateChange();
        m_bounce = &VM::caseCall;
    }
    BREAK
    
    void VM::caseCall()
    {
        m_bounce = &VM::interpretCases;
    
        evmc_message msg = {};
    
        // Clear the return data buffer. This will not free the memory.
        m_returnData.clear();
    
        bytesRef output;
        if (caseCallSetup(msg, output))
        {
            evmc_result result;
            m_context->fn_table->call(&result, m_context, &msg);
    
            m_returnData.assign(result.output_data, result.output_data + result.output_size);
            bytesConstRef{&m_returnData}.copyTo(output);
    
            m_SPP[0] = result.status_code == EVMC_SUCCESS ? 1 : 0;
            m_io_gas += result.gas_left;
    
            if (result.release)
                result.release(&result);
        }
        else
        {
            m_SPP[0] = 0;
            m_io_gas += msg.gas;
        }
        ++m_PC;
    }

## 总结 ##

EVM是一个状态执行的机器，输入是solidity编译后的二进制指令和节点的状态数据，输出是节点状态的改变。

以太坊通过EVMC实现了多种虚拟机的兼容。但截至目前，并未出现除开interpreter之外的，真正生产可用的虚拟机。也许要做到同一份代码在不同的虚拟机上跑出相同的结果，是一件很难的事情。

[https://fisco-bcos-documentation.readthedocs.io/zh\_CN/latest/docs/design/virtual\_machine/evm.html?highlight=EVM][https_fisco-bcos-documentation.readthedocs.io_zh_CN_latest_docs_design_virtual_machine_evm.html_highlight_EVM]

[.._.._.._images_evmc.png]: /images/20221005/34bdf40c4bdc433b9ec532bd2aa7878f.png
[https_fisco-bcos-documentation.readthedocs.io_zh_CN_latest_docs_design_virtual_machine_evm.html_highlight_EVM]: https://fisco-bcos-documentation.readthedocs.io/zh_CN/latest/docs/design/virtual_machine/evm.html?highlight=EVM