理解以太坊合约数据读取过程 | 函数式与区块链（二）

李大狗
更新于 2021-08-26 09:38
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基于函数式语言的 Ethereum 智能合约数据读取全过程

**关于函数式编程：**

> 函数式编程是有别于传统的面对对象范式的编程范式，函数式方向是目前编程语言发展的大方向，所有新设计的编程语言都或多或少的引入了函数式编程功能。
> 
> 笔者认为，「下一代计算机学科体系」将基于函数式编程语言。因此，打好函数式编程基础对于具备「长期主义」思维的程序员是必要的。

**关于本专栏：**

> 本专栏将通过实战代码分析与经典著作解读，分享作者关于函数式编程与区块链的思考与实践。就目前而言，本专栏将基于两种函数式语言：**Rust 和 Elixir**，有时候会提及其它语言，作为辅助性参考。

**关于太上：**

> 太上是笔者团队近期实践的一个函数式+区块链的项目。
> 
> 太上炼金炉在不改变原有 NFT 合约的基础上，通过附加「存证合约」，赋予 NFT 组合、拆解、生命周期、权益绑定等能力，锻造 NFT +，创造无限创新玩法与想象空间。
> 
> **项目地址：** https://github.com/WeLightProject/Tai-Shang
> 
> **愿景0x01：** 助力所有 NFT 及其相关项目，让其具备无限商业想象空间与无限玩法。
> 
> **愿景0x02：** 成为下一代区块链基础设施
> 
> 太上是本系列用以探讨函数式编程的第一个项目。

本篇是系列的第二篇，通过描述基于 Elixir 与 Ethereum 的交互方法，描述以太坊数据读取过程。需要注意的是，虽然名字是以太坊，但是这个过程对任何支持 EVM 的区块链都是适用的，例如：FISCO BCOS、Moobeam。

# Ethereumex 与 ExABI

在 Elixir 中，使用到的两个 Repo，一个是 Ethereumex：

> https://github.com/mana-ethereum/ethereumex
> 
> Elixir JSON-RPC client for the Ethereum blockchain.

另一个是 ExABI：

> https://github.com/poanetwork/ex_abi
> 
> The [Application Binary Interface](https://solidity.readthedocs.io/en/develop/abi-spec.html) (ABI) of Solidity describes how to transform binary data to types which the Solidity programming language understands.

> 小 Tips：
> 
> ABI 是与 EVM 上的合约进行交互的标准方法，`.abi`文件中包含了函数接口描述与事件描述，呈现方式为`json`。
> 
> Hello World 合约的 ABI 如下：
> 
> ```
> [{
>     "constant": true,
>     "inputs": [],
>     "name": "get",
>     "outputs": [{
>         "name": "",
>         "type": "string"
>       }
>     ],
>     "payable": false,
>     "stateMutability": "view",
>     "type": "function"
> }]
> ```

需要注意的是，我们在引入 Ethereumex 的时候，除了要常规的写入`mix.exs`的`deps`中以外，还需要在applications中挂载：

```elixir
# mix.exs:
def application do
  [
    mod: {TaiShang.Application, []},
    extra_applications: [:logger, :runtime_tools, :ethereumex]
  ]
end
……
defp deps do
	[
		 {:ethereumex, "~> 0.7.0"}
	]
end
```

还需要在`config.exs`中设置访问的区块链节点url：

```elixir
# config.exs
config :ethereumex,
  url: "http://localhost:8545"
```

# 交易结构

在 Elixir 中，我们可以通过代码简单清晰地理解结构体（Struct）。

我们可以把 Ethereum 中的交易用如下的 Elixir Struct 表示：

```elixir
%Transaction{
  nonce: nonce, # 确保交易顺序的累加器
  gas_price: @gas.price, # gas 费用
  gas_limit: @gas.limit, # gas 上限
  to: bin_to, # Binary 形式的地址
  value: 0, # 要发送的以太币
  init: <<>>, # 机器码
  data: data # 要发送给to地址的数据
}
```

需要注意的是，我们现在只做数据的读取，因此 nonce 这个参数是不需要的，nonce 参数只有在写操作时才会需要，也才会发生改变。

> #### eth_call
> 
> Executes a new message call immediately without creating a transaction on the block chain.
> 
> ##### Parameters
> 
> 1. `Object` - The transaction call object
> 
> - `from`: `DATA`, 20 Bytes - (optional) The address the transaction is sent from.
> - `to`: `DATA`, 20 Bytes - The address the transaction is directed to.
> - `gas`: `QUANTITY` - (optional) Integer of the gas provided for the transaction execution. eth_call consumes zero gas, but this parameter may be needed by some executions.
> - `gasPrice`: `QUANTITY` - (optional) Integer of the gasPrice used for each paid gas
> - `value`: `QUANTITY` - (optional) Integer of the value sent with this transaction
> - `data`: `DATA` - (optional) Hash of the method signature and encoded parameters. For details see [Ethereum Contract ABI in the Solidity documentation](https://solidity.readthedocs.io/en/latest/abi-spec.html)
> 
> 1. `QUANTITY|TAG` - integer block number, or the string `"latest"`, `"earliest"` or `"pending"`, see the [default block parameter](https://eth.wiki/json-rpc/API#the-default-block-parameter)
> 
> ##### Returns
> 
> `DATA` - the return value of executed contract.
> 
> ##### Example
> 
> ```javascript
> // Request
> curl -X POST --data '{"jsonrpc":"2.0","method":"eth_call","params":[{see above}],"id":1}'
> 
> // Result
> {
>   "id":1,
>   "jsonrpc": "2.0",
>   "result": "0x"
> }
> ```
> 
> ——https://eth.wiki/json-rpc/API

在 Rust 中我们也有相似的结构：

```rust
// from: https://kauri.io/#collections/A%20Hackathon%20Survival%20Guide/sending-ethereum-transactions-with-rust/
let tx = TransactionRequest {
        from: accounts[0],
        to: Some(accounts[1]),
        gas: None, // 即 gas limit
        gas_price: None,
        value: Some(U256::from(10000)),
        data: None,
        nonce: None,
        condition: None
    };
```

我们现在只是要把流程跑通，所以可以先不用去管 gas_price 和 gas_limit，写死即可：

```elixir
@gas %{price: 0, limit: 300_000}
```

那么，现在只要搞定 2 个参数即可：to 和 data。

# 地址的 Binary 转换

在上一讲中，笔者讨论了 Binary 的基本知识。同样的，我们日常所使用的区块链中的地址，如`0x769699506f972A992fc8950C766F0C7256Df601f`，可以转换为 Binary：

```elixir
@spec addr_to_bin(String.t()) :: Binary.t()
def addr_to_bin(addr_str) do
  addr_str
  |> String.replace("0x", "")
  |> Base.decode16!(case: :mixed)
end
```

# 从智能合约函数到 Data

通过「函数字符串标识」与参数列表（params list）生成 data：

```elixir
@spec get_data(String.t(), List.t()) :: String.t()
def get_data(func_str, params) do
  payload =
  func_str
  |> ABI.encode(params)
  |> Base.encode16(case: :lower)

"0x" <> payload
end
```

函数字符串标识的例子：

```elixir
@func %{
    balance_of: "balanceOf(address)",
    token_of_owner_by_index: "tokenOfOwnerByIndex(address, uint256)",
    token_uri: "tokenURI(uint256)",
    get_evidence_by_key: "getEvidenceByKey(string)",
    new_evidence_by_key: "newEvidenceByKey(string, string)",
    mint_nft: "mintNft(address, string)",
    owner_of: "ownerOf(uint256)"
    }
```

简单来说就是「函数名(参数1类型, 参数2类型, …)」。

我们可以跳转过去，查看 `encode` 函数的实现：

```elixir
def encode(function_signature, data, data_type \\ :input)

# 在这一步会把 string 格式的 function 解析为 function_selector
# 然后再次调用 encode 方法，传入 function_selector
def encode(function_signature, data, data_type) when is_binary(function_signature) do
  function_signature
  |> Parser.parse!()
  |> encode(data, data_type)
end

def encode(%FunctionSelector{} = function_selector, data, data_type) do
  TypeEncoder.encode(data, function_selector, data_type)
end
```

FunctionSelector 结构体：

```elixir
iex(5)> ABI.Parser.parse!("baz(uint8)")
%ABI.FunctionSelector{
  function: "baz",
  input_names: [],
  inputs_indexed: nil,
  method_id: nil,
  returns: [],
  type: nil,
  types: [uint: 8]
}
```

TypeEncoder.encode 最终负责把 data, function_selector 和 data_type 编译为 data_type，详见：

> https://github.com/poanetwork/ex_abi/blob/57ba7eb1703d8b0cd0353a0a588feef139b7edf3/lib/abi/type_encoder.ex

# 返回数据的转换

调用合约时返回的数据需要从`hex`形态的`data`转换为对应的格式，所以我们要写个 TypeTransalator：

```elixir
defmodule Utils.TypeTranslator do
  ……

def data_to_int(raw) do
    raw
    |> hex_to_bin()
    |> ABI.TypeDecoder.decode_raw([{:uint, 256}])
    |> List.first()
  end

def data_to_str(raw) do
    raw
    |> hex_to_bin()
    |> ABI.TypeDecoder.decode_raw([:string])
    |> List.first()
  end

def data_to_addr(raw) do
    addr_bin =
      raw
      |> hex_to_bin()
      |> ABI.TypeDecoder.decode_raw([:address])
      |> List.first()

"0x" <> Base.encode16(addr_bin, case: :lower)
  end

……
end
```

具体采用哪种方式视返回值的类型而定，我们可以通过 ABI 判定返回值：

```json
{
    "constant": true,
    "inputs": [],
    "name": "get",
    "outputs": [{
        "name": "",
        "type": "string"  # 返回值是string
      }
    ],
    "payable": false,
    "stateMutability": "view",
    "type": "function"
}
```

# 合约调用函数—Elixir

现在只差最后一步了！我们只要将如上几个函数放在一个调用函数中，区块链数据读取就大功告成。

以`get_balance`函数为例：

```elixir
@spec balance_of(String.t(), String.t()) :: Integer.t()
def balance_of(contract_addr, addr_str) do
  {:ok, addr_bytes} = TypeTranslator.hex_to_bytes(addr_str)
  data = get_data("balanceOf(address)", [addr_bytes])

{:ok, balance_hex} =
    Ethereumex.HttpClient.eth_call(%{ # 交易结构被Ethereumex 封装过了！
    data: data,
    to: contract_addr
  })

TypeTranslator.data_to_int(balance_hex)
end
```

# 合约调用函数—Rust

最后是一个用`rust-web3`去调用合约的例子：

```rust
extern crate hex;
use hex_literal::hex;

use web3::{
    contract::{Contract, Options},
    types::{U256, H160, Bytes},
};

#[tokio::main]
async fn main() -> web3::contract::Result<()> {
    let _ = env_logger::try_init();
    let http = web3::transports::Http::new("https://ropsten.infura.io/v3/9aa3d95b3bc440fa88ea12eaa4456161")?;
    let web3 = web3::Web3::new(http);

let addr_u8 = hex::decode("7Ad11de6d4C3DA366BC929377EE2CaFEcC412A10").expect("Decoding failed");
    let addr_h160 = H160::from_slice(&addr_u8);

let contra = Contract::from_json(
        web3.eth(),
        addr_h160,
        include_bytes!("../contracts/hello_world.json"),
    )?;

// let acct:[u8; 20] = hex!("f24ff3a9cf04c71dbc94d0b566f7a27b94566cac").into();
    
    let result = contra.query::<String, _, _,_>("get", (), None, Options::default(), None).await?;
    println!("{}", result);

Ok(())
}
```

这个例子的完整项目见：

> https://github.com/leeduckgo/eth-interactor-rs

关于函数式编程：

函数式编程是有别于传统的面对对象范式的编程范式，函数式方向是目前编程语言发展的大方向，所有新设计的编程语言都或多或少的引入了函数式编程功能。

笔者认为，「下一代计算机学科体系」将基于函数式编程语言。因此，打好函数式编程基础对于具备「长期主义」思维的程序员是必要的。

关于本专栏：

本专栏将通过实战代码分析与经典著作解读，分享作者关于函数式编程与区块链的思考与实践。就目前而言，本专栏将基于两种函数式语言：Rust 和 Elixir，有时候会提及其它语言，作为辅助性参考。

关于太上：

太上是笔者团队近期实践的一个函数式+区块链的项目。

太上炼金炉在不改变原有 NFT 合约的基础上，通过附加「存证合约」，赋予 NFT 组合、拆解、生命周期、权益绑定等能力，锻造 NFT +，创造无限创新玩法与想象空间。

项目地址： https://github.com/WeLightProject/Tai-Shang

愿景0x01： 助力所有 NFT 及其相关项目，让其具备无限商业想象空间与无限玩法。

愿景0x02： 成为下一代区块链基础设施

太上是本系列用以探讨函数式编程的第一个项目。

Ethereumex 与 ExABI

在 Elixir 中，使用到的两个 Repo，一个是 Ethereumex：

https://github.com/mana-ethereum/ethereumex

Elixir JSON-RPC client for the Ethereum blockchain.

另一个是 ExABI：

https://github.com/poanetwork/ex_abi

The Application Binary Interface (ABI) of Solidity describes how to transform binary data to types which the Solidity programming language understands.

小 Tips：

ABI 是与 EVM 上的合约进行交互的标准方法，.abi文件中包含了函数接口描述与事件描述，呈现方式为json。

Hello World 合约的 ABI 如下：
[{
    "constant": true,
    "inputs": [],
    "name": "get",
    "outputs": [{
        "name": "",
        "type": "string"
      }
    ],
    "payable": false,
    "stateMutability": "view",
    "type": "function"
}]

需要注意的是，我们在引入 Ethereumex 的时候，除了要常规的写入mix.exs的deps中以外，还需要在applications中挂载：

# mix.exs:
def application do
  [
    mod: {TaiShang.Application, []},
    extra_applications: [:logger, :runtime_tools, :ethereumex]
  ]
end
……
defp deps do
    [
         {:ethereumex, "~> 0.7.0"}
    ]
end

还需要在config.exs中设置访问的区块链节点url：

# config.exs
config :ethereumex,
  url: "http://localhost:8545"

交易结构

在 Elixir 中，我们可以通过代码简单清晰地理解结构体（Struct）。

我们可以把 Ethereum 中的交易用如下的 Elixir Struct 表示：

%Transaction{
  nonce: nonce, # 确保交易顺序的累加器
  gas_price: @gas.price, # gas 费用
  gas_limit: @gas.limit, # gas 上限
  to: bin_to, # Binary 形式的地址
  value: 0, # 要发送的以太币
  init: &lt;&lt;>>, # 机器码
  data: data # 要发送给to地址的数据
}

需要注意的是，我们现在只做数据的读取，因此 nonce 这个参数是不需要的，nonce 参数只有在写操作时才会需要，也才会发生改变。

eth_call

Executes a new message call immediately without creating a transaction on the block chain.

Parameters

Object - The transaction call object

from: DATA, 20 Bytes - (optional) The address the transaction is sent from.

to: DATA, 20 Bytes - The address the transaction is directed to.

gas: QUANTITY - (optional) Integer of the gas provided for the transaction execution. eth_call consumes zero gas, but this parameter may be needed by some executions.

gasPrice: QUANTITY - (optional) Integer of the gasPrice used for each paid gas

value: QUANTITY - (optional) Integer of the value sent with this transaction

data: DATA - (optional) Hash of the method signature and encoded parameters. For details see Ethereum Contract ABI in the Solidity documentation

QUANTITY|TAG - integer block number, or the string "latest", "earliest" or "pending", see the default block parameter

Returns

DATA - the return value of executed contract.

Example
// Request
curl -X POST --data '{"jsonrpc":"2.0","method":"eth_call","params":[{see above}],"id":1}'

// Result
{
  "id":1,
  "jsonrpc": "2.0",
  "result": "0x"
}
——https://eth.wiki/json-rpc/API

在 Rust 中我们也有相似的结构：

// from: https://kauri.io/#collections/A%20Hackathon%20Survival%20Guide/sending-ethereum-transactions-with-rust/
let tx = TransactionRequest {
        from: accounts[0],
        to: Some(accounts[1]),
        gas: None, // 即 gas limit
        gas_price: None,
        value: Some(U256::from(10000)),
        data: None,
        nonce: None,
        condition: None
    };

我们现在只是要把流程跑通，所以可以先不用去管 gas_price 和 gas_limit，写死即可：

@gas %{price: 0, limit: 300_000}

那么，现在只要搞定 2 个参数即可：to 和 data。

地址的 Binary 转换

在上一讲中，笔者讨论了 Binary 的基本知识。同样的，我们日常所使用的区块链中的地址，如0x769699506f972A992fc8950C766F0C7256Df601f，可以转换为 Binary：

@spec addr_to_bin(String.t()) :: Binary.t()
def addr_to_bin(addr_str) do
  addr_str
  |> String.replace("0x", "")
  |> Base.decode16!(case: :mixed)
end

从智能合约函数到 Data

通过「函数字符串标识」与参数列表（params list）生成 data：

@spec get_data(String.t(), List.t()) :: String.t()
def get_data(func_str, params) do
  payload =
  func_str
  |> ABI.encode(params)
  |> Base.encode16(case: :lower)

  "0x" &lt;> payload
end

函数字符串标识的例子：

@func %{
    balance_of: "balanceOf(address)",
    token_of_owner_by_index: "tokenOfOwnerByIndex(address, uint256)",
    token_uri: "tokenURI(uint256)",
    get_evidence_by_key: "getEvidenceByKey(string)",
    new_evidence_by_key: "newEvidenceByKey(string, string)",
    mint_nft: "mintNft(address, string)",
    owner_of: "ownerOf(uint256)"
    }

简单来说就是「函数名(参数1类型, 参数2类型, …)」。

我们可以跳转过去，查看 encode 函数的实现：

def encode(function_signature, data, data_type \\ :input)

# 在这一步会把 string 格式的 function 解析为 function_selector
# 然后再次调用 encode 方法，传入 function_selector
def encode(function_signature, data, data_type) when is_binary(function_signature) do
  function_signature
  |> Parser.parse!()
  |> encode(data, data_type)
end

def encode(%FunctionSelector{} = function_selector, data, data_type) do
  TypeEncoder.encode(data, function_selector, data_type)
end

FunctionSelector 结构体：

iex(5)> ABI.Parser.parse!("baz(uint8)")
%ABI.FunctionSelector{
  function: "baz",
  input_names: [],
  inputs_indexed: nil,
  method_id: nil,
  returns: [],
  type: nil,
  types: [uint: 8]
}

TypeEncoder.encode 最终负责把 data, function_selector 和 data_type 编译为 data_type，详见：

https://github.com/poanetwork/ex_abi/blob/57ba7eb1703d8b0cd0353a0a588feef139b7edf3/lib/abi/type_encoder.ex

返回数据的转换

调用合约时返回的数据需要从hex形态的data转换为对应的格式，所以我们要写个 TypeTransalator：

defmodule Utils.TypeTranslator do
  ……

  def data_to_int(raw) do
    raw
    |> hex_to_bin()
    |> ABI.TypeDecoder.decode_raw([{:uint, 256}])
    |> List.first()
  end

  def data_to_str(raw) do
    raw
    |> hex_to_bin()
    |> ABI.TypeDecoder.decode_raw([:string])
    |> List.first()
  end

  def data_to_addr(raw) do
    addr_bin =
      raw
      |> hex_to_bin()
      |> ABI.TypeDecoder.decode_raw([:address])
      |> List.first()

    "0x" &lt;> Base.encode16(addr_bin, case: :lower)
  end

……
end

具体采用哪种方式视返回值的类型而定，我们可以通过 ABI 判定返回值：

{
    "constant": true,
    "inputs": [],
    "name": "get",
    "outputs": [{
        "name": "",
        "type": "string"  # 返回值是string
      }
    ],
    "payable": false,
    "stateMutability": "view",
    "type": "function"
}

合约调用函数—Elixir

现在只差最后一步了！我们只要将如上几个函数放在一个调用函数中，区块链数据读取就大功告成。

以get_balance函数为例：

@spec balance_of(String.t(), String.t()) :: Integer.t()
def balance_of(contract_addr, addr_str) do
  {:ok, addr_bytes} = TypeTranslator.hex_to_bytes(addr_str)
  data = get_data("balanceOf(address)", [addr_bytes])

  {:ok, balance_hex} =
    Ethereumex.HttpClient.eth_call(%{ # 交易结构被Ethereumex 封装过了！
    data: data,
    to: contract_addr
  })

    TypeTranslator.data_to_int(balance_hex)
end

合约调用函数—Rust

最后是一个用rust-web3去调用合约的例子：

extern crate hex;
use hex_literal::hex;

use web3::{
    contract::{Contract, Options},
    types::{U256, H160, Bytes},
};

#[tokio::main]
async fn main() -> web3::contract::Result&lt;()> {
    let _ = env_logger::try_init();
    let http = web3::transports::Http::new("https://ropsten.infura.io/v3/9aa3d95b3bc440fa88ea12eaa4456161")?;
    let web3 = web3::Web3::new(http);

    let addr_u8 = hex::decode("7Ad11de6d4C3DA366BC929377EE2CaFEcC412A10").expect("Decoding failed");
    let addr_h160 = H160::from_slice(&addr_u8);

    let contra = Contract::from_json(
        web3.eth(),
        addr_h160,
        include_bytes!("../contracts/hello_world.json"),
    )?;

    // let acct:[u8; 20] = hex!("f24ff3a9cf04c71dbc94d0b566f7a27b94566cac").into();

    let result = contra.query::&lt;String, _, _,_>("get", (), None, Options::default(), None).await?;
    println!("{}", result);

    Ok(())
}

这个例子的完整项目见：