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1.智能合約的源起
區(qū)塊鏈技術(shù)自比特幣誕生之日起便受到了廣泛的關(guān)注。最初，區(qū)塊鏈僅僅作為記錄用戶交易的底層賬本，不支持用戶訂制其它功能。
比特幣為了實(shí)現(xiàn)交易，即用戶間轉(zhuǎn)賬的功能，設(shè)計(jì)了一套基于棧的簡(jiǎn)單腳本語(yǔ)言。這套語(yǔ)言不支持循環(huán)，不具備圖靈完備性，僅限于比特幣客戶端內(nèi)部使用，且只圍繞交易這一項(xiàng)功能，一般被稱之為“Bitcoin Script”。
如果大家去查看比特幣區(qū)塊鏈中的每一筆交易記錄，那么會(huì)發(fā)現(xiàn)交易內(nèi)容其實(shí)是一串字節(jié)碼，這串字節(jié)碼就是Bitcoin Script。比特幣對(duì)Bitcoin Script書寫的交易代碼的格式進(jìn)行了限制，這種做法保證了交易的合法性與資金的安全性，但犧牲了整個(gè)系統(tǒng)的可編程性與靈活性。
一般情況下，一套語(yǔ)言能實(shí)現(xiàn)成千上萬(wàn)種功能，如果設(shè)計(jì)一套語(yǔ)言只是實(shí)現(xiàn)了一個(gè)功能，未免有些可惜。或許Vitalik Buterin正是發(fā)現(xiàn)了區(qū)塊鏈中腳本語(yǔ)言的可能性，于是他在以太坊中把語(yǔ)言請(qǐng)到了舞臺(tái)中央，供用戶創(chuàng)建與調(diào)用，這也成為了以太坊最具魅力的特性——智能合約。
與比特幣的Bitcoin Script對(duì)應(yīng)，以坊中腳本語(yǔ)言名字叫EVM語(yǔ)言（Ethereum Virtual Machine Code）。EVM語(yǔ)言也是基于棧的語(yǔ)言，但它是圖靈完備的語(yǔ)言，且以太坊設(shè)計(jì)了專門的虛擬機(jī)EVM來(lái)為其提供運(yùn)行環(huán)境，這和Bitcoin Script有明顯的區(qū)別。
2.智能合約的使用以交易為接口
為了明確系統(tǒng)的功能，以太坊擴(kuò)充了交易的概念。在比特幣中，交易一般指用戶之間的轉(zhuǎn)賬操作，在以太坊中，交易除了轉(zhuǎn)賬，還包括創(chuàng)建或者調(diào)用智能合約。因此可以說(shuō)EVM語(yǔ)言也是為了交易而存在，但它服務(wù)的交易的內(nèi)容廣泛得多。
我們先補(bǔ)充一些必要的概念。以太坊中賬戶分為外部賬戶與合約賬戶，外部賬戶就是用戶使用的賬戶，其中包括了用戶的私鑰和錢包等重要信息；合約賬戶用來(lái)存放一個(gè)智能合約，通常是由外部賬戶創(chuàng)建的。
用戶發(fā)送到以太坊區(qū)塊鏈上的每一筆交易中都包含幾個(gè)關(guān)鍵字段：“from”表示交易發(fā)起者，“to”表示交易接收者，“value”表示交易金額，“data”表示附帶的信息。
上文提及的三種操作的交易格式如下：
1） 普通轉(zhuǎn)賬操作：“from A， to B， value C”表示從外部賬戶A向外部賬戶B轉(zhuǎn)賬，轉(zhuǎn)賬金額為C；
2） 智能合約創(chuàng)建操作：“from A， to （空）， value C， data D”表示外部賬戶A創(chuàng)建一個(gè)智能合約，向該合約賬戶里轉(zhuǎn)賬C， 合約的代碼為D；
3） 智能合約調(diào)用操作：“from A， to E， data F”表示外部賬戶A調(diào)用合約賬戶E的智能合約，本次調(diào)用傳入的參數(shù)為F。
3一筆交易的處理流程
下面我們來(lái)分析一筆交易在以太坊區(qū)塊鏈中是如何被處理與執(zhí)行的。
這部分在以太坊的源碼中十分清晰，因此我們跟隨源碼里的函數(shù)調(diào)用流程來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。以太坊Go版本源碼地址：https://github.com/ethereum/go-ethereum。
首先先定位，我們可以從core/blockchain.go中找到執(zhí)行的core/state_processor.go中Process（）方法，在Process（）方法中可以找到如下一行代碼：
receipt， _，err：= ApplyTransaction（p.config， p.bc， nil， gp， statedb， header， tx， usedGas， cfg）
根據(jù)這個(gè)函數(shù)名字我們知道已經(jīng)找到了執(zhí)行交易的入口。
3.1 創(chuàng)建EVM虛擬機(jī)
瀏覽在core/state_processor.go中的ApplyTransaction（）方法，可發(fā)現(xiàn)如下三行關(guān)鍵代碼：
context ：= NewEVMContext（msg， header， bc， author）
vmenv ：= vm.NewEVM（context， statedb， config， cfg）
_， gas， failed， err ：= ApplyMessage（vmenv， msg， gp）
第一行是創(chuàng)建新的EVM的執(zhí)行上下文環(huán)境，第二行是創(chuàng)建新的EVM，第三行是用新創(chuàng)建的EVM來(lái)處理交易消息。由此可知，每一筆交易在執(zhí)行之前以太坊都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)EVM虛擬機(jī)來(lái)負(fù)責(zé)該交易的執(zhí)行。
繼續(xù)瀏覽core/state_transition.go中的ApplyMessage（）方法，發(fā)現(xiàn)該方法只有一行代碼：
return NewStateTransition（evm， msg， gp）.TransitionDb（）
繼續(xù)看core/state_transition.go中的TransitionDb（）方法，發(fā)現(xiàn)方法中有一個(gè)重要的分支：
if contractCreation {
ret， _， st.gas， vmerr = evm.Create（sender， st.data， st.gas， st.value）
} else {
st.state.SetNonce（msg.From（）， st.state.GetNonce（sender.Address（））+1）
ret， st.gas， vmerr = evm.Call（sender， st.to（）， st.data， st.gas， st.value）
}
這段代碼的意思是先判斷是不是創(chuàng)建合約的操作，如果是，則調(diào)用Create（）方法，如果不是，則調(diào)用Call（）方法。由此可知，交易的三種操作中，創(chuàng)建合約使用的方法是Create（），而調(diào)用合約與轉(zhuǎn)賬使用的方法是Call（）。
接下來(lái)我們分別看一下這兩個(gè)方法。
3.2 智能合約的創(chuàng)建
先看core/vm/evm.go中的Create（）方法。該方法只有兩行代碼：
contractAddr=crypto.CreateAddress（caller.Address（），evm.StateDB.GetNonce（caller.Address（）））
return evm.create（caller， &codeAndHash{code： code}， gas， value， contractAddr）
第一行是根據(jù)外部賬戶的地址和nonce值計(jì)算將要?jiǎng)?chuàng)建的合約賬戶的地址，這個(gè)nonce參數(shù)用來(lái)記錄該外部賬戶已創(chuàng)建的合約的數(shù)目。
第二行是將創(chuàng)建的合約賬戶地址和其它參數(shù)一起傳給同文件中的create（）方法。
繼續(xù)看create（）方法可看到如下三行代碼：
nonce ：= evm.StateDB.GetNonce（caller.Address（））
evm.StateDB.SetNonce（caller.Address（）， nonce+1）
contractHash ：= evm.StateDB.GetCodeHash（contractAddr）
第一行是獲取想創(chuàng)建合約的外部賬戶的nonce值。
第二行是將該nonce的值加一后寫回去，第三行是計(jì)算合約地址的哈希值確保不會(huì)發(fā)生地址沖突。
在計(jì)算出合約地址后，可看到下面一行代碼：
evm.StateDB.CreateAccount（contractAddr）
這行代碼是根據(jù)合約地址創(chuàng)建出了合約賬戶。合約賬戶創(chuàng)建完后，可看到下面一行代碼：
evm.Transfer（evm.StateDB， caller.Address（）， contractAddr， value）
創(chuàng)建者從外部賬戶向合約賬戶轉(zhuǎn)賬，金額為value。至此，合約賬戶創(chuàng)建工作完成了。
接下來(lái)需要?jiǎng)?chuàng)建合約對(duì)象并把合約代碼跑起來(lái)：
contract：=NewContract（caller， AccountRef（contractAddr）， value， gas） contract.SetCallCode（&contractAddr， crypto.Keccak256Hash（code）， code）
第一行是創(chuàng)建合約對(duì)象，第二行是將用戶定義的智能合約代碼綁定到該合約對(duì)象上。
合約對(duì)象創(chuàng)建完后，用下面一行代碼運(yùn)行該合約：
ret， err = run（evm， contract， nil）
可能有人會(huì)疑惑：創(chuàng)建完合約為什么要運(yùn)行一遍？
這主要有兩方面的原因：其一，系統(tǒng)需保證合約代碼是能正確運(yùn)行的，這樣在以后的調(diào)用中才不會(huì)出錯(cuò)；其二，系統(tǒng)需要通過(guò)運(yùn)行才能計(jì)算出消耗的gas數(shù)量，進(jìn)而完成對(duì)外部賬戶的創(chuàng)建合約操作的扣費(fèi)。其實(shí)在create（）方法中還有檢查棧深度、創(chuàng)建快照、出錯(cuò)后回滾、gas計(jì)算等代碼，因它們不涉及到本文的主要內(nèi)容，故略過(guò)。
3.3 轉(zhuǎn)賬與智能合約的調(diào)用
然后我們看core/vm/evm.go中的Call（）方法，該方法負(fù)責(zé)合約調(diào)用和轉(zhuǎn)賬兩種交易操作。
Call（）方法中不需要?jiǎng)?chuàng)建新的地址，只需要：
to = AccountRef（addr）
該行代碼獲取交易接收方的地址。之后可看到下面一行代碼：
evm.Transfer（evm.StateDB， caller.Address（）， to.Address（）， value）
交易發(fā)起者向交易接收方轉(zhuǎn)賬value金額。接下來(lái)的代碼和Create（）相像：
contract ：= NewContract（caller， to， value， gas）
contract.SetCallCode（&addr，evm.StateDB.GetCodeHash（addr），evm.StateDB.GetCode（addr））
第一行創(chuàng)建合約對(duì)象，第二行將接收者地址上的智能合約代碼綁定到合約對(duì)象上。如果是轉(zhuǎn)賬操作，接收者地址上沒(méi)有代碼，因此綁定的代碼是空，之后的運(yùn)行會(huì)很快結(jié)束。綁定完成后，使用run（）方法運(yùn)行該合約完成調(diào)用：
ret， err = run（evm， contract， input）
在Call（）方法中同樣還有檢查棧深度、創(chuàng)建快照、出錯(cuò)會(huì)滾、gas計(jì)算等代碼，留給感興趣的讀者自行閱讀。
Create（）與Call（）中最后執(zhí)行都調(diào)用了core/vm/evm.go中的run（）方法，而run（）方法中可發(fā)現(xiàn)：
return interpreter.Run（contract， input， readOnly）
接下來(lái)定位到core/vm/interpreter.go中的Run（）方法。該方法是EVM中解釋器的運(yùn)行流程，核心邏輯為循環(huán)取出合約的代碼，查表解析出具體的操作碼，再查表計(jì)算出需要消耗的gas數(shù)目，然后調(diào)用操作碼相應(yīng)的處理函數(shù)執(zhí)行。
核心代碼如下：
for atomic.LoadInt32（&in.evm.abort） == 0 {
…
op = contract.GetOp（pc）
operation ：= in.cfg.JumpTable［op］
…
cost， err = operation.gasCost（in.gasTable， in.evm， contract， stack， mem， memorySize）
…
res， err ：= operation.execute（&pc， in， contract， mem， stack）
…
}
至此，一筆交易的運(yùn)行就結(jié)束了。
4. 結(jié)語(yǔ)
綜上所述，我們能了解到以太坊設(shè)計(jì)的三種交易背后能給予用戶極大的自由度，也充分發(fā)揮了EVM語(yǔ)言及其虛擬機(jī)的功能。
用戶通過(guò)Solidity等語(yǔ)言編寫智能合約，然后編譯成EVM語(yǔ)言，再打包成交易的格式發(fā)送到區(qū)塊鏈上運(yùn)行。以太坊得益于這種模式帶來(lái)的可編程的特性，引領(lǐng)區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)入了2.0時(shí)代。
然而，現(xiàn)在智能合約由于EVM的棧深度與gas消耗的限制，多數(shù)都是簡(jiǎn)單且袖珍的程序。即使現(xiàn)在這樣的程序已經(jīng)足夠滿足需求，但未來(lái)必將面臨更多更加復(fù)雜化的交易場(chǎng)景。
如何去應(yīng)對(duì)這些場(chǎng)景，需要廣大開(kāi)發(fā)者們繼續(xù)努力。
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