以太坊源码深入分析(9)-- 以太坊通过EVM执行交易过程分析

上一节分析了同步一个新的区块准备插入本地BlockChain之前需要重放并执行新区块的所有交易,并产生交易收据和日志。以太坊是如何执行这些交易呢?这就要请出大名鼎鼎的以太坊虚拟机。
以太坊虚拟机在执行交易分为两个部分,第一部分是创建EVM,计算交易金额,设置交易对象,计算交易gas花销;第二部分是EVM 的虚拟机解析器通过合约指令,执行智能合约代码,具体来看看源码。

一,创建EVM,通过EVM执行交易流程
上一节分析BlockChain调用processor.Process()遍历block的所有交易,然后调用:

receipt, _, err := ApplyTransaction(p.config, p.bc, nil, gp, statedb, header, tx, usedGas, cfg)。

执行交易并返回收据数据

func ApplyTransaction(config *params.ChainConfig, bc *BlockChain, author *common.Address, gp *GasPool, statedb *state.StateDB, header *types.Header, tx *types.Transaction, usedGas *uint64, cfg vm.Config) (*types.Receipt, uint64, error) {
    msg, err := tx.AsMessage(types.MakeSigner(config, header.Number))
    if err != nil {
        return nil, 0, err
    }
    // Create a new context to be used in the EVM environment
    context := NewEVMContext(msg, header, bc, author)
    // Create a new environment which holds all relevant information
    // about the transaction and calling mechanisms.
    vmenv := vm.NewEVM(context, statedb, config, cfg)
    // Apply the transaction to the current state (included in the env)
    _, gas, failed, err := ApplyMessage(vmenv, msg, gp)
    if err != nil {
        return nil, 0, err
    }
    // Update the state with pending changes
    var root []byte
    if config.IsByzantium(header.Number) {
        statedb.Finalise(true)
    } else {
        root = statedb.IntermediateRoot(config.IsEIP158(header.Number)).Bytes()
    }
    *usedGas += gas

    // Create a new receipt for the transaction, storing the intermediate root and gas used by the tx
    // based on the eip phase, we're passing wether the root touch-delete accounts.
    receipt := types.NewReceipt(root, failed, *usedGas)
    receipt.TxHash = tx.Hash()
    receipt.GasUsed = gas
    // if the transaction created a contract, store the creation address in the receipt.
    if msg.To() == nil {
        receipt.ContractAddress = crypto.CreateAddress(vmenv.Context.Origin, tx.Nonce())
    }
    // Set the receipt logs and create a bloom for filtering
    receipt.Logs = statedb.GetLogs(tx.Hash())
    receipt.Bloom = types.CreateBloom(types.Receipts{receipt})

    return receipt, gas, err
}

1,首先调用tx.Message()方法产生交易Message。这个方法通过txdata数据来拼接Message对象,并通过签名方法signer.Sender(tx),对txdata 的V、R 、S三个数进行解密得到这个交易的签名公钥(也是就是发送方的地址)。发送方的地址在交易数据中是没有的,这主要是为了防止交易数据被篡改,任何交易数据的变化后通过signer.Sender方法都不能得到正确的地址。
2,调用 NewEVMContext(msg, header, bc, author)创建EVM的上下文环境,调用vm.NewEVM(context, statedb, config, cfg)创建EVM对象,并在内部创建一个evm.interpreter(虚拟机解析器)。
3,调用ApplyMessage(vmenv, msg, gp)方法通过EVM对象来执行Message。
重点看看ApplyMessage()方法的实现:

func ApplyMessage(evm *vm.EVM, msg Message, gp *GasPool) ([]byte, uint64, bool, error) {
    return NewStateTransition(evm, msg, gp).TransitionDb()
}

创建stateTransition对象,执行TransitionDb()方法:

func (st *StateTransition) TransitionDb() (ret []byte, usedGas uint64, failed bool, err error) {
    if err = st.preCheck(); err != nil {
        return
    }
    msg := st.msg
    sender := st.from() // err checked in preCheck

    homestead := st.evm.ChainConfig().IsHomestead(st.evm.BlockNumber)
    contractCreation := msg.To() == nil

    // Pay intrinsic gas
    gas, err := IntrinsicGas(st.data, contractCreation, homestead)
    if err != nil {
        return nil, 0, false, err
    }
    if err = st.useGas(gas); err != nil {
        return nil, 0, false, err
    }

    var (
        evm = st.evm
        // vm errors do not effect consensus and are therefor
        // not assigned to err, except for insufficient balance
        // error.
        vmerr error
    )
    if contractCreation {
        ret, _, st.gas, vmerr = evm.Create(sender, st.data, st.gas, st.value)
    } else {
        // Increment the nonce for the next transaction
        st.state.SetNonce(sender.Address(), st.state.GetNonce(sender.Address())+1)
        ret, st.gas, vmerr = evm.Call(sender, st.to().Address(), st.data, st.gas, st.value)
    }
    if vmerr != nil {
        log.Debug("VM returned with error", "err", vmerr)
        // The only possible consensus-error would be if there wasn't
        // sufficient balance to make the transfer happen. The first
        // balance transfer may never fail.
        if vmerr == vm.ErrInsufficientBalance {
            return nil, 0, false, vmerr
        }
    }
    st.refundGas()
    st.state.AddBalance(st.evm.Coinbase, new(big.Int).Mul(new(big.Int).SetUint64(st.gasUsed()), st.gasPrice))

    return ret, st.gasUsed(), vmerr != nil, err
}

3.1,调用IntrinsicGas()方法,通过计算消息的大小以及是否是合约创建交易,来计算此次交易需消耗的gas。
3.2,如果是合约创建交易,调用evm.Create(sender, st.data, st.gas, st.value)来执行message

func (evm *EVM) Create(caller ContractRef, code []byte, gas uint64, value *big.Int) (ret []byte, contractAddr common.Address, leftOverGas uint64, err error) {

    // Depth check execution. Fail if we're trying to execute above the
    // limit.
    if evm.depth > int(params.CallCreateDepth) {
        return nil, common.Address{}, gas, ErrDepth
    }
    if !evm.CanTransfer(evm.StateDB, caller.Address(), value) {
        return nil, common.Address{}, gas, ErrInsufficientBalance
    }
    // Ensure there's no existing contract already at the designated address
    nonce := evm.StateDB.GetNonce(caller.Address())
    evm.StateDB.SetNonce(caller.Address(), nonce+1)

    contractAddr = crypto.CreateAddress(caller.Address(), nonce)
    contractHash := evm.StateDB.GetCodeHash(contractAddr)
    if evm.StateDB.GetNonce(contractAddr) != 0 || (contractHash != (common.Hash{}) && contractHash != emptyCodeHash) {
        return nil, common.Address{}, 0, ErrContractAddressCollision
    }
    // Create a new account on the state
    snapshot := evm.StateDB.Snapshot()
    evm.StateDB.CreateAccount(contractAddr)
    if evm.ChainConfig().IsEIP158(evm.BlockNumber) {
        evm.StateDB.SetNonce(contractAddr, 1)
    }
    evm.Transfer(evm.StateDB, caller.Address(), contractAddr, value)

    // initialise a new contract and set the code that is to be used by the
    // E The contract is a scoped evmironment for this execution context
    // only.
    contract := NewContract(caller, AccountRef(contractAddr), value, gas)
    contract.SetCallCode(&contractAddr, crypto.Keccak256Hash(code), code)

    if evm.vmConfig.NoRecursion && evm.depth > 0 {
        return nil, contractAddr, gas, nil
    }

    if evm.vmConfig.Debug && evm.depth == 0 {
        evm.vmConfig.Tracer.CaptureStart(caller.Address(), contractAddr, true, code, gas, value)
    }
    start := time.Now()

    ret, err = run(evm, contract, nil)

    // check whether the max code size has been exceeded
    maxCodeSizeExceeded := evm.ChainConfig().IsEIP158(evm.BlockNumber) && len(ret) > params.MaxCodeSize
    // if the contract creation ran successfully and no errors were returned
    // calculate the gas required to store the code. If the code could not
    // be stored due to not enough gas set an error and let it be handled
    // by the error checking condition below.
    if err == nil && !maxCodeSizeExceeded {
        createDataGas := uint64(len(ret)) * params.CreateDataGas
        if contract.UseGas(createDataGas) {
            evm.StateDB.SetCode(contractAddr, ret)
        } else {
            err = ErrCodeStoreOutOfGas
        }
    }

    // When an error was returned by the EVM or when setting the creation code
    // above we revert to the snapshot and consume any gas remaining. Additionally
    // when we're in homestead this also counts for code storage gas errors.
    if maxCodeSizeExceeded || (err != nil && (evm.ChainConfig().IsHomestead(evm.BlockNumber) || err != ErrCodeStoreOutOfGas)) {
        evm.StateDB.RevertToSnapshot(snapshot)
        if err != errExecutionReverted {
            contract.UseGas(contract.Gas)
        }
    }
    // Assign err if contract code size exceeds the max while the err is still empty.
    if maxCodeSizeExceeded && err == nil {
        err = errMaxCodeSizeExceeded
    }
    if evm.vmConfig.Debug && evm.depth == 0 {
        evm.vmConfig.Tracer.CaptureEnd(ret, gas-contract.Gas, time.Since(start), err)
    }
    return ret, contractAddr, contract.Gas, err
}

3.2.1,evm执行栈深度不能超过1024,发送方持有的以太坊数量大于此次合约交易金额。
3.2.2,对该发送方地址的nonce值+1,通过地址和nonce值生成合约地址,通过合约地址得到合约hash值。
3.2.3,记录一个状态快照,用来后见失败回滚。
3.2.4,为这个合约地址创建一个合约账户,并为这个合约账户设置nonce值为1
3.2.5,产生以太坊资产转移,发送方地址账户金额减value值,合约账户的金额加value值。
3.2.6,根据发送方地址和合约地址,以及金额value 值和gas,合约代码和代码hash值,创建一个合约对象
3.2.7,run方法来执行合约,内部调用evm的解析器来执行合约指令,如果是预编译好的合约,则预编译执行合约就行。
3.2.8,如果执行ok,setcode更新这个合约地址状态,设置usegas为创建合约的gas。如果执行出错,则回滚到之前快照状态,设置usegas为传入的合约gas。

3.3,如果不是新创建的合约,则调用evm.Call(sender, st.to().Address(), st.data, st.gas, st.value)方法,同时更新发送方地址nonce值+1.

func (evm *EVM) Call(caller ContractRef, addr common.Address, input []byte, gas uint64, value *big.Int) (ret []byte, leftOverGas uint64, err error) {
    if evm.vmConfig.NoRecursion && evm.depth > 0 {
        return nil, gas, nil
    }

    // Fail if we're trying to execute above the call depth limit
    if evm.depth > int(params.CallCreateDepth) {
        return nil, gas, ErrDepth
    }
    // Fail if we're trying to transfer more than the available balance
    if !evm.Context.CanTransfer(evm.StateDB, caller.Address(), value) {
        return nil, gas, ErrInsufficientBalance
    }

    var (
        to       = AccountRef(addr)
        snapshot = evm.StateDB.Snapshot()
    )
    if !evm.StateDB.Exist(addr) {
        precompiles := PrecompiledContractsHomestead
        if evm.ChainConfig().IsByzantium(evm.BlockNumber) {
            precompiles = PrecompiledContractsByzantium
        }
        if precompiles[addr] == nil && evm.ChainConfig().IsEIP158(evm.BlockNumber) && value.Sign() == 0 {
            return nil, gas, nil
        }
        evm.StateDB.CreateAccount(addr)
    }
    evm.Transfer(evm.StateDB, caller.Address(), to.Address(), value)

    // Initialise a new contract and set the code that is to be used by the EVM.
    // The contract is a scoped environment for this execution context only.
    contract := NewContract(caller, to, value, gas)
    contract.SetCallCode(&addr, evm.StateDB.GetCodeHash(addr), evm.StateDB.GetCode(addr))

    start := time.Now()

    // Capture the tracer start/end events in debug mode
    if evm.vmConfig.Debug && evm.depth == 0 {
        evm.vmConfig.Tracer.CaptureStart(caller.Address(), addr, false, input, gas, value)

        defer func() { // Lazy evaluation of the parameters
            evm.vmConfig.Tracer.CaptureEnd(ret, gas-contract.Gas, time.Since(start), err)
        }()
    }
    ret, err = run(evm, contract, input)

    // When an error was returned by the EVM or when setting the creation code
    // above we revert to the snapshot and consume any gas remaining. Additionally
    // when we're in homestead this also counts for code storage gas errors.
    if err != nil {
        evm.StateDB.RevertToSnapshot(snapshot)
        if err != errExecutionReverted {
            contract.UseGas(contract.Gas)
        }
    }
    return ret, contract.Gas, err
}

evm.call方法和evm.create方法大致相同,我们来说说不一样的地方。
3.3.1,call方法调用的是一个存在的合约地址的合约,所以不用创建合约账户。如果call方法发现本地没有合约接收方的账户,则需要创建一个接收方的账户,并更新本地状态数据库。
3.3.2,create方法的资金transfer转移是在创建合约用户账户和这个合约账户之间发生,而call方法的资金转移是在合约的发送方和合约的接收方之间产生。

3.4,TransitionDb()方法执行完合约,调用st.refundGas()方法计算合约退税,调用evm SSTORE指令 或者evm SUICIDE指令销毁合约十都会产生退税。
3.5,计算合约产生的gas总数,加入到矿工账户,作为矿工收入。

4,回到最开始的ApplyTransaction()方法,根据EVM的执行结果,拼接交易receipt数据,其中receipt.Logs日志数据是EVM执行指令代码的时候产生的,receipt.Bloom根据日志数据建立bloom过滤器。

二,EVM 的虚拟机解析器通过运行合约指令,执行智能合约代码
我们从 3.2.7 执行合约的run()方法入手,它调用了evm.interpreter.Run(contract, input)方法

func (in *Interpreter) Run(contract *Contract, input []byte) (ret []byte, err error) {
    // Increment the call depth which is restricted to 1024
    in.evm.depth++
    defer func() { in.evm.depth-- }()

    // Reset the previous call's return data. It's unimportant to preserve the old buffer
    // as every returning call will return new data anyway.
    in.returnData = nil

    // Don't bother with the execution if there's no code.
    if len(contract.Code) == 0 {
        return nil, nil
    }

    var (
        op    OpCode        // current opcode
        mem   = NewMemory() // bound memory
        stack = newstack()  // local stack
        // For optimisation reason we're using uint64 as the program counter.
        // It's theoretically possible to go above 2^64. The YP defines the PC
        // to be uint256. Practically much less so feasible.
        pc   = uint64(0) // program counter
        cost uint64
        // copies used by tracer
        pcCopy  uint64 // needed for the deferred Tracer
        gasCopy uint64 // for Tracer to log gas remaining before execution
        logged  bool   // deferred Tracer should ignore already logged steps
    )
    contract.Input = input

    if in.cfg.Debug {
        defer func() {
            if err != nil {
                if !logged {
                    in.cfg.Tracer.CaptureState(in.evm, pcCopy, op, gasCopy, cost, mem, stack, contract, in.evm.depth, err)
                } else {
                    in.cfg.Tracer.CaptureFault(in.evm, pcCopy, op, gasCopy, cost, mem, stack, contract, in.evm.depth, err)
                }
            }
        }()
    }
    // The Interpreter main run loop (contextual). This loop runs until either an
    // explicit STOP, RETURN or SELFDESTRUCT is executed, an error occurred during
    // the execution of one of the operations or until the done flag is set by the
    // parent context.
    for atomic.LoadInt32(&in.evm.abort) == 0 {
        if in.cfg.Debug {
            // Capture pre-execution values for tracing.
            logged, pcCopy, gasCopy = false, pc, contract.Gas
        }

        // Get the operation from the jump table and validate the stack to ensure there are
        // enough stack items available to perform the operation.
        op = contract.GetOp(pc)
        operation := in.cfg.JumpTable[op]
        if !operation.valid {
            return nil, fmt.Errorf("invalid opcode 0x%x", int(op))
        }
        if err := operation.validateStack(stack); err != nil {
            return nil, err
        }
        // If the operation is valid, enforce and write restrictions
        if err := in.enforceRestrictions(op, operation, stack); err != nil {
            return nil, err
        }

        var memorySize uint64
        // calculate the new memory size and expand the memory to fit
        // the operation
        if operation.memorySize != nil {
            memSize, overflow := bigUint64(operation.memorySize(stack))
            if overflow {
                return nil, errGasUintOverflow
            }
            // memory is expanded in words of 32 bytes. Gas
            // is also calculated in words.
            if memorySize, overflow = math.SafeMul(toWordSize(memSize), 32); overflow {
                return nil, errGasUintOverflow
            }
        }

        if !in.cfg.DisableGasMetering {
            // consume the gas and return an error if not enough gas is available.
            // cost is explicitly set so that the capture state defer method cas get the proper cost
            cost, err = operation.gasCost(in.gasTable, in.evm, contract, stack, mem, memorySize)
            if err != nil || !contract.UseGas(cost) {
                return nil, ErrOutOfGas
            }
        }
        if memorySize > 0 {
            mem.Resize(memorySize)
        }

        if in.cfg.Debug {
            in.cfg.Tracer.CaptureState(in.evm, pc, op, gasCopy, cost, mem, stack, contract, in.evm.depth, err)
            logged = true
        }

        // execute the operation
        res, err := operation.execute(&pc, in.evm, contract, mem, stack)
        // verifyPool is a build flag. Pool verification makes sure the integrity
        // of the integer pool by comparing values to a default value.
        if verifyPool {
            verifyIntegerPool(in.intPool)
        }
        // if the operation clears the return data (e.g. it has returning data)
        // set the last return to the result of the operation.
        if operation.returns {
            in.returnData = res
        }

        switch {
        case err != nil:
            return nil, err
        case operation.reverts:
            return res, errExecutionReverted
        case operation.halts:
            return res, nil
        case !operation.jumps:
            pc++
        }
    }
    return nil, nil
}

我们直接看解析器处理的主循环,之前的代码都是在初始化一些临时变量。
1,首先调用contract.GetOp(pc)从和约二进制数据里取得第pc个opcode,opcode是以太坊虚拟机指令,一共不超过256个,正好一个byte大小能装下。
2,从解析器的JumpTable表中查到op对应的operation。比如opcode是SHA3(0x20),取到的operation就是

    SHA3: {
            execute:       opSha3,
            gasCost:       gasSha3,
            validateStack: makeStackFunc(2, 1),
            memorySize:    memorySha3,
            valid:         true,
        }

execute表示指令对应的执行方法
gasCost表示执行这个指令需要消耗的gas
validateStack计算是不是解析器栈溢出
memorySize用于计算operation的占用内存大小

3,如果operation可用,解析器栈不超过1024,且读写不冲突
4,计算operation的memorysize,不能大于64位。
5,根据不同的指令,指令的memorysize等,调用operation.gasCost()方法计算执行operation指令需要消耗的gas。
6,调用operation.execute(&pc, in.evm, contract, mem, stack)执行指令对应的方法。
7,operation.reverts值是true或者operation.halts值是true的指令,会跳出主循环,否则继续遍历下个op。
8,operation指令集里面有4个特殊的指令LOG0,LOG1,LOG2,LOG3,它们的指令执行方法makeLog()会产生日志数据,日志内容包括EVM解析栈内容,指令内存数据,区块信息,合约信息等。这些日志数据会写入到tx的Receipt的logs里面,并存入本地ldb数据库。

总结
EVM是以太坊的核心功能,得益于EVM,以太坊把区块链带入了2.0时代,这是一个非常伟大的进步。

最后编辑于
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 204,732评论 6 478
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 87,496评论 2 381
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 151,264评论 0 338
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 54,807评论 1 277
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 63,806评论 5 368
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 48,675评论 1 281
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 38,029评论 3 399
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 36,683评论 0 258
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 41,704评论 1 299
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 35,666评论 2 321
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 37,773评论 1 332
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 33,413评论 4 321
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 39,016评论 3 307
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 29,978评论 0 19
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 31,204评论 1 260
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 45,083评论 2 350
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 42,503评论 2 343

推荐阅读更多精彩内容

  • 简介 不管你们知不知道以太坊(Ethereum blockchain)是什么,但是你们大概都听说过以太坊。最近在新...
    Lilymoana阅读 3,887评论 1 22
  • 1区块 所有的交易都被分组为“区块”。区块链包含一系列链接在一 起的这样的块。 在以太坊,一个区块包括: 区块头 ...
    布尼区块链阅读 2,209评论 0 2
  • 以太坊(Ethereum ):下一代智能合约和去中心化应用平台 翻译:巨蟹 、少平 译者注:中文读者可以到以太坊爱...
    车圣阅读 3,716评论 1 7
  • 今天上班感觉身体不是太舒服但也是把每一步都仔细的做好了虽然中间出了些小毛病但都解决了 晚上出去医院打了点滴到现在才...
    京心达侯天祥阅读 61评论 0 0
  • 那年冬天,我告别了江南小城的亲友,第一次乘坐飞机来到了特区――深圳。深圳离我生活的小城太远太远,以至于在我心中的印...
    花清香hp阅读 670评论 4 7