理解以太坊: Go-Ethereum 源码剖析(1): Account and State
- hsyodyssey
- 更新于 2022-11-06 19:32
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在本文，我们就来探索一下以太坊中的基本数据单元(Metadata)之一的Account。
Account and Contract
Author: Siyuan Han Github: https://github.com/hsyodyssey
概述
我们常常听到这样一个说法，"Ethereum 和 Bitcoin 最大的不同之一是二者使用链上数据模型不同。其中，Bitcoin 是基于 UTXO 模型的 Blockchain/Ledger 系统，Ethereum是基于 Account/State 模型的系统"。那么，这个另辟蹊径的 Account/State 模型究竟不同在何处呢？在本文，我们就来探索一下以太坊中的基本数据单元(Metadata)之一的Account。
简单的来说，Ethereum 的运行是一种基于交易的状态机模型(Transaction-based State Machine)。整个系统由若干的账户组成 (Account)，类似于银行账户。状态(State)反应了某一账户(Account)在某一时刻下的值(value)。在以太坊中，State 对应的基本数据结构，称为 StateObject。当 StateObject 的值发生了变化时，我们称为状态转移。在 Ethereum 的运行模型中，StateObject 所包含的数据会因为 Transaction 的执行引发数据更新/删除/创建，引发状态转移，我们说：StateObject 的状态从当前的 State 转移到另一个 State。
在 Ethereum 中，承载 StateObject 的具体实例就是 Ethereum 中的 Account。通常，我们提到的 State 具体指的就是 Account 在某个时刻的包含的数据的值。
- Account --> StateObject
- State --> The value/data of the Account
总的来说, Account (账户)是参与链上交易(Transaction)的基本角色，是Ethereum状态机模型中的基本单位，承担了链上交易的发起者以及接收者的角色。目前，在以太坊中，有两种类型的Account，分别是外部账户(EOA)以及合约账户(Contract)。
EOA
外部账户(EOA)是由用户直接控制的账户，负责签名并发起交易(Transaction)。用户通过Account 的私钥来保证对账户数据的控制权。
合约账户(Contract)，简称为合约，是由外部账户通过Transaction创建的。合约账户，保存了不可篡改的图灵完备的代码段，以及一些持久化的数据变量。这些代码使用专用的图灵完备的编程语言编写(Solidity)，并通常提供一些对外部访问 API 接口函数。这些 API 接口函数可以通过构造 Transaction，或者通过本地/第三方提供的节点 RPC 服务来调用。这种模式构成了目前的 DApp 生态的基础。
通常，合约中的函数用于计算以及查询或修改合约中的持久化数据。我们经常看到这样的描述"一旦被记录到区块链上数据不可被修改，或者不可篡改的智能合约"。现在我们知道这种笼统的描述其实是不准确。针对一个链上的智能合约，不可修改/篡改的部分是合约中的代码段，或说合约中的函数逻辑/代码逻辑是不可以被修改/篡改的。而合约中的持久化的数据变量是可以通过调用代码段中的函数进行数据操作的(CURD)。具体的操作方式取决于合约函数中的代码逻辑。
根据合约中函数是否会修改合约中持久化的变量，合约中的函数可以分为两种: 只读函数和写函数。如果用户只希望查询某些合约中的持久化数据，而不对数据进行修改的话，那么用户只需要调用相关的只读函数。调用只读函数不需要通过构造一个 Transaction 来查询数据。用户可以通过直接调用本地节点或者第三方节点提供的 RPC 接口来直接调用对应的合约中的只读函数。如果用户需要对合约中的数据进行更新，那么他就要构造一个Transaction 来调用合约中相对应的写函数。注意，每个 Transaction 每次调用一个合约中的一个写函数。因为，如果想在链上实现复杂的逻辑，需要将写函数接口化，在其中调用更多的逻辑。
对于如何编写合约，以及 Ethereum 的执行层如何解析 Transaction 并调用对应的合约中函数的，我们会在后面的文章中详细的进行解析。
StateObject, Account, Contract
概述
在实际代码中，这两种 Account 都是由stateObject这一数据结构定义的。stateObject的相关代码位于core/state/state_object.go文件中，隶属于package state。我们摘录了stateObject的结构代码，如下所示。通过下面的代码，我们可以观察到，stateObject是由小写字母开头。根据 go 语言的特性，我们可以知道这个结构主要用于 package 内部数据操作，并不对外暴露。
type stateObject struct {
address common.Address
addrHash common.Hash // hash of ethereum address of the account
data types.StateAccount
db *StateDB
dbErr error
// Write caches.
trie Trie // storage trie, which becomes non-nil on first access
code Code // contract bytecode, which gets set when code is loaded
// 这里的Storage 是一个 map[common.Hash]common.Hash
originStorage Storage // Storage cache of original entries to dedup rewrites, reset for every transaction
pendingStorage Storage // Storage entries that need to be flushed to disk, at the end of an entire block
dirtyStorage Storage // Storage entries that have been modified in the current transaction execution
fakeStorage Storage // Fake storage which constructed by caller for debugging purpose.
// Cache flags.
// When an object is marked suicided it will be delete from the trie
// during the "update" phase of the state transition.
dirtyCode bool // true if the code was updated
suicided bool
deleted bool
}Address
在stateObject这一结构体中，开头的两个成员变量为address以及 address 的哈希值addrHash。address是common.Address类型，addrHash是common.Hash类型，它们分别对应了一个20字节长的byte类型数组和一个32字节长的byte类型数组。关于这两种数据类型的定义如下所示。
// Lengths of hashes and addresses in bytes.
const (
// HashLength is the expected length of the hash
HashLength = 32
// AddressLength is the expected length of the address
AddressLength = 20
)
// Address represents the 20 byte address of an Ethereum account.
type Address [AddressLength]byte
// Hash represents the 32 byte Keccak256 hash of arbitrary data.
type Hash [HashLength]byte在Ethereum中，每个 Account 都拥有独一无二的地址。Address作为每个 Account 的身份信息，类似于现实生活中的身份证，它与用户信息时刻绑定而且不能被修改。
data and StateAccount
继续向下探索，我们会遇到成员变量 data，它是一个types.StateAccount类型的变量。在上面的分析中我们提到，stateObject这种类型只对 Package State 这个内部使用。所以相应的，Package State也为外部Package API提供了与Account相关的数据类型"State Account"。在上面的代码中我们就可以看到，"State Account"对应了State Object中" data Account" 成员变量。State Account的具体数据结构的被定义在"core/types/state_account.go"文件中(在之前的版本中Account的代码位于core/account.go)，其定义如下所示。
// Account is the Ethereum consensus representation of accounts.
// These objects are stored in the main account trie.
type StateAccount struct {
Nonce uint64
Balance *big.Int
Root common.Hash // merkle root of the storage trie
CodeHash []byte
}其中的包含四个变量为:
- Nonce 表示该账户发送的交易序号，随着账户发送的交易数量的增加而单调增加。每次发送一个交易，Nonce 的值就会加1。
- Balance 表示该账户的余额。这里的余额指的是链上的 Native Token Ether (以太)。
- Root 表示当前账户的下 Storage 层的 Merkle Patricia Trie的 Root。这里的存储层是为了管理合约中持久化变量准备的。对于 EOA账户这个部分为空值。
- CodeHash是该账户的Contract代码的哈希值。同样的，这个变量是用于保存合约账户中的代码的 hash ，EOA账户这个部分为空值。
db
上述的几个成员变量基本覆盖了 Account 主生命周期相关的全部成员变量。那么我们继续向下看，会遇到db和dbErr这两个成员变量。db这个变量保存了一个 StateDB 类型的指针。这是为了方便调用 StateDB 相关的API对Account所对应的 stateObject 进行操作。StateDB本质上是用于管理stateObject信息的而抽象出来的内存数据库。所有的Account 数据的更新，检索都会使用 StateDB 提供的API。关于 StateDB 的具体实现，功能，以及如何与更底层物理存储层(leveldb)进行结合的，我们会在之后的文章中进行详细描述。
Cache
对于剩下的成员变量，它们的主要用于内存Cache。trie用于保存和管理合约账户中的持久化变量存储的数据，code用于缓存合约中的代码段到内存中，它是一个byte数组。剩下的四个Storage 字段主要在执行 Transaction 的时候缓存合约修改的持久化数据，比如dirtyStorage 就用于缓存在 Block 被 Finalize 之前，Transaction所修改的合约中的持久化存储数据。对于外部账户，由于没有代码字段，所以对应 stateObject 对象中的code 字段，以及四个 Storage 类型的字段对应的变量的值都为空(originStorage, pendingStorage, dirtyStorage, fakeStorage)。
从调用关系上看，这四个缓存变量的修改顺序是: originStorage --> dirtyStorage--> pendingStorage。关于合于中的 Storage 层的详细信息，我们会在后面部分进行详细的描述。
深入Account
谁掌握了你的账户
我们经常会在各种科技网站/自媒体上看到这样的说法，"用户在区块链系统中保存的Cryptocurrency/Token，除了用户自己，不存在第三方可以不经过用户的允许转走你的财富"。这个说法基本是正确的。目前，用户账户里的由链级别定义的 Crypto/Token，或者称为原生货币(Native Token)，比如Ether，Bitcoin，BNB(Only in BSC)，是没办法被第三方在不被批准的情况下转走的。这是因为链级别上的所有数据的修改都要执行由用户私钥(Private Key)签名的Transaction。因此，只要用户保管好自己账户的私钥(Private Key)，保证其没有被第三方知晓，就没有人可以转走你链上的财富。
我们说上述说法是基本正确，而不是完全正确。原因有两个。首先，用户的链上数据安全是基于当前Ethereum使用的密码学工具足够保证：不存在第三方可以在有限的时间内在不知道用户私钥的前提下获取到用户的私钥信息来伪造签名交易。当然这个安全保证前提是当今Ethereum使用的密码学工具的强度足够大，没有计算机可以在有限的时间内 hack 出用户的私钥信息。在量子计算机出现之前，目前 Ethereum 和其他 Blockchain 使用的密码学工具的强度都是足够安全的。这也是为什么很多新的区块链项目在研究抗量子计算机密码体系的原因。第二点原因是，当今很多的所谓的 Crypto/Token 并不是链级别的代币，而是保存在合约中持久化变量中的数据，比如 ERC-20 Token 和NFT对应的 ERC-721 的Token。由于这部分的Token都是基于合约代码生成和维护的，所以这部分 Token 的安全依赖于合约本身的安全。如果合约本身的代码是有问题的，存在后门或者漏洞，比如存在给第三方任意提取其他账户下 Token 的漏洞。那么即使用户的私钥信息没有泄漏，合约中的Token仍然可以被第三方获取到。由于合约的代码段在链上是不可修改的，因此合约代码的安全性是极其重要的。目前有很多研究人员，技术团队在进行合约审计方面的工作，来保证上传的合约代码是安全的。随着Layer-2技术和一些跨链技术的发展，用户持有的Token，在很多情况下不是我们上面提到的安全的 Naive Token，而是 ERC-20 甚至只是其他合约中的简单数值记录。这种类型的资产的安全性是远低于低于layer-1上的 Native Toke n的。用户在持有这类资产的时候需要小心。这里我们推荐阅读 Jay Freeman 所分析的关于一个热门Layer-2系统Optimism上的由于非Naive Token造成的任意提取漏洞。
Account Generation
首先，EOA账户的创建分为本地创建和链上注册两个部分。当我们使用诸如 Metamask 等钱包工具创建账户的时候，在区块链上并没有同步注册账户信息。链上账户的创建和管理都是通过StateDB模块来操作的，因此我们将geth中账户管理部分的代码整合到StateDB模块章节来一起讲述。而合约账户，或者说智能合约的创建是需要通过 EOA 账户构造特定的交易生成的。关于这部分的细节我们也放在之后的章节中进行解析。
下面我们简单分析一下，如何在本地创建一个 EOA 账户的。
总的来说，创建新账户的依赖的入口函数NewAccount位于 accounts/keystore/keystore.go文件中。函数有一个string类型的passphrase参数。注意，这个参数仅用于加密本地保存私钥的Keystore文件，与生成账户的私钥，地址的生成都无关。
// passphrase 参数用于本地加密
func (ks *KeyStore) NewAccount(passphrase string) (accounts.Account, error) {
//生成account的函数
_, account, err := storeNewKey(ks.storage, crand.Reader, passphrase)
if err != nil {
return accounts.Account{}, err
}
// Add the account to the cache immediately rather
// than waiting for file system notifications to pick it up.
ks.cache.add(account)
ks.refreshWallets()
return account, nil
}上述代码段中，最核心的调用是storeNewKey函数。在storeNewKey函数中，首先就调用了newKey函数，该函数的主要功能就是生成一个账户需要的私钥和公钥对。而newKey函数的核心是调用了生成椭圆曲线加密对相关的函数ecdsa.GenerateKey。
func newKey(rand io.Reader) (*Key, error) {
privateKeyECDSA, err := ecdsa.GenerateKey(crypto.S256(), rand)
if err != nil {
return nil, err
}
return newKeyFromECDSA(privateKeyECDSA), nil
}
这部分的代码位于crypto/ecdsa.go文件中。由于这一部分涉及到了大量的椭圆曲线加密的知识，与以太坊的主要业务关系不大，因此对于这部分的内容，我们仅简述主要流程，对于数学具体原理在此我们不进行详细说明，感兴趣的读者可以自行搜索。值得注意的时候，在整个流程中，首先生成的是账户的私钥，而账户对应的地址，是基于该私钥在椭圆曲线上对用的公钥值，经过哈希计算得到的。
-
首先，我们在创建一个新的 EOA 账户的时候，我们首先会通过
GenerateKey函数随机的得到一串私钥，它是一个 32bytes长的变量，通常表现为64位16进制数。这个私钥就是平时需要用户激活钱包时，发送交易时的门禁卡，一旦这个私钥暴露了，钱包也将不再安全。- 64个16进制位，256bit，32字节
var AlicePrivateKey = "289c2857d4598e37fb9647507e47a309d6133539bf21a8b9cb6df88fd5232032"
- 64个16进制位，256bit，32字节
-
在得到私钥后，我们使用私钥来计算公钥和地址地址。基于上述私钥，我们使用ECDSA算法，选择spec256k1曲线进行计算。通过将私钥带入到所选择的椭圆曲线中，计算出点的坐标即是公钥。以太坊和比特币使用了同样的spec256k1曲线，在实际的代码中，我们也可以看到在 go-Ethereum 直接调用了比特币的 secp256k1 的C语言代码。
ecdsaSK, err := crypto.ToECDSA(privateKey) -
对私钥进行椭圆加密之后，我们可以得到一个 64bytes 的数，它是由两个 32bytes 的数构成，这两个数代表了spec256k1曲线上某个点的XY值。
ecdsaPK := ecdsaSK.PublicKey -
以太坊的地址，是基于上述公钥(ecdsaSK.PublicKey)进行 Keccak-256算法 计算之后哈希值的后20个字节，用0x开头表示。
- Keccak-256是SHA-3（Secure Hash Algorithm 3）标准下的一种哈希算法
addr := crypto.PubkeyToAddress(ecdsaSK.PublicKey)
- Keccak-256是SHA-3（Secure Hash Algorithm 3）标准下的一种哈希算法
Signature & Verification
<!-- TODO: 这里写的不好，需要再改改 -->
- Hash（m,R）X +R = S P
- P是椭圆曲线函数的基点(base point) 可以理解为一个 P 是一个在曲线 C 上的一个 order 为n的加法循环群的生成元，n 是一个大质数。
- R = r * P (r 是个随机数，并不告知verifier)
- 以太坊签名校验的核心思想是:首先基于上面得到的ECDSA下的私钥ecdsaSK对数据 msg 进行签名(sign)得到msgSig.
sig, err := crypto.Sign(msg[:], ecdsaSK)msgSig := decodeHex(hex.EncodeToString(sig)) - 然后基于 msg 和 msgSig 可以反推出来签名的公钥（用于生成账户地址的公钥ecdsaPK）。
recoveredPub, err := crypto.Ecrecover(msg[:],msgSig) - 通过反推出来的公钥可以得到发送者的地址，并与当前交易的发送者在 ECDSA 下的pk进行对比。
crypto.VerifySignature(testPk, msg[:], msgSig[:len(msgSig)-1]) - 这套体系的安全性保证在于，即使知道了公钥ecdsaPk/ecdsaSK.PublicKey也难以推测出 ecdsaSK以及生成他的privateKey。
ECDSA & spec256k1曲线
- Elliptic curve point multiplication
- Point addition P + Q = R
- Point doubling P + P = 2P
- y^2 = x^3 +7
- Based Point P是在椭圆曲线上的群的生成元
- x次computation on Based Point得到X点，x为私钥，X为公钥。x由Account Private Key得出。
- 在ECC中的+号不是四则运算中的加法，而是定义椭圆曲线C上的新的二元运算(Point Multiplication)。他代表了过两点P和Q的直线与椭圆曲线C的交点R‘关于X轴对称的点R。因为C是关于X轴对称的所以关于X对称的点也都在椭圆曲线上。
深入Contract
- 这部分的示例代码位于: [example/signature]中。
Contract Storage (合约存储)
[在文章的开头](#general Background)我们提到，在外部账户对应的 stateObject 结构体的实例中，有四个 Storage 类型的变量是空值。那显然的，这四个变量是为Contract类型的账户准备的。
在state_object.go文件的开头部分(41行左右)，我们可以找到Storage类型的定义。具体如下所示。
type Storage map[common.Hash]common.Hash我们可以看到，Storage是一个 key 和 value 都是common.Hash类型的 map 结构，common.Hash 类型，则对应了一个长度为 32bytes 的 byte类型数组。这个类型在go-ethereum中被大量使用，通常用于表示32字节长度的数据，比如 Keccak256 函数的哈希值。在之后的旅程中，我们也会经常看到它的身影，它的定义在common.type.go文件中。
// HashLength is the expected length of the hash
HashLength = 32
// Hash represents the 32 byte Keccak256 hash of arbitrary data.
type Hash [HashLength]byte从数据层面讲，外部账户(EOA)与合约账户(Contract)不同的点在于: 外部账户并没有维护自己的代码(codeHash)以及额外的 Storage 层。相比与外部账户，合约账户额外保存了一个存储层(Storage)用于存储合约代码中持久化的变量的数据。在上文中我们提到，StateObject 结构体中的声明的四个 Storage 类型的变量，就是作为 Contract Storage 层的内存缓存。
在 Ethereum 中，每个合约都维护了自己的独立的存储空间，用于保存合约中的持久化变量，我们称为 Storage 层。Storage 层的基本组成单元称为槽 (Slot)。若干个 Slot 按照Stack的方式顺序集合在一起就构造成了 Storage 层。每个 Slot 的大小是 256 bits，也就是最多保存32 bytes的数据。作为基本的存储单元，Slot 管理的方式与内存或者HDD中的基本单元的管理方式类似，通过地址索引的方式被上层函数访问。Slot的地址索引的长度同样是32 bytes(256 bits)，寻址空间从 0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 到 0xFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF。因此，每个Contract的Storage层最多可以保存$2^{256} - 1$个 Slot。也就说在理论状态下，一个 Contract 可以最多保存$(2^{256} - 1)$ bytes的数据，这是个相当大的数字。
为了更好的管理 Storage 层的Slot数据，Contract 同样使用 MPT 作为索引树来管理 Storage 层的Slot。这里值得注意的是，合约 Storage 层的数据并不会跟随交易一起，被打包进入 Block 中。正如我们之前提到的，管理合约账户中 Storage 层 Storage Trie 的根数据被保存在 StateAccount 结构体中的 Root 变量中(它是一个32bytes长的byte数组)。当某个 Contract 的 Storage 层的数据发生变化时，根据骨牌效应，最终向上传导到整个的 World State Root 的值发生变化，从而影响到Chain链上数据。目前，Storage 层的数据读取和修改是在执行相关 Transaction 的时候，通过调用 EVM 中的两个专用的指令OpSload和OpSstore来实际执行的。关于这两个指令的具体实现原理，我们会在后续的 EVM 章节进行详细的解读。
我们知道目前 Ethereum 中的大部分合约都通过 Solidity 语言编写。Solidity 做为强类型的图灵完备的语言，支持多种类型的变量。总的来说，根据变量的长度性质，Ethereum中的持久化的变量可以分为定长的变量和不定长度的变量两种。定长的变量有常见的单变量类型，比如 uint256。不定长的变量包括了由若干单变量组成的 Array，以及KV形式的 Map 类型。
根据上面的介绍，我们了解到对 Contract Storage 层的访问是通过 Slot 的地址来进行的。请读者先思考下面的几个问题:
- 如何给定一个包含若干持久化存储变量的 Solidity 的合约，EVM 是怎么给其包含的变量分配存储空间的呢？
- 怎么保证 Contract Storage 的一致性读写的？(怎么保证每个合约的验证者和执行者都能获取到相同的数据？)
我们将通过下面的一些实例来展示，在 Ethereum 中，Contract 是如何保存持久化变量的，以及保证所有的参与者都能一致性读写的 Contract 中的数据的。
Contract Storage Example One
我们使用一个简单的合约来展示 Contract Storage 层的逻辑，合约代码如下所示。在本例中，我们使用了一个叫做 Storage 合约，其中定义了了三个持久化 uint256 类型的变量分别是 number, number1, 以及number2。同时，我们定义一个 stores 函数给这个三个变量进行赋值。合约代码如下所示。
// SPDX-License-Identifier: GPL-3.0
pragma solidity >=0.7.0 <0.9.0;
/**
* @title Storage
* @dev Store & retrieve value in a variable
*/
contract Storage {
uint256 number;
uint256 number1;
uint256 number2;
function stores(uint256 num) public {
number = num;
number1 = num + 1;
number2 = num + 2;
}
function get_number() public view returns (uint256){
return number;
}
function get_number1() public view returns (uint256){
return number1;
}
function get_number2() public view returns (uint256){
return number2;
}
}我们使用Remix来在本地部署这个合约，并构造一个调用 stores(1) 函数的交易，同时使用Remix debugger来观察Storage层的变化。在交易执行之后，合约中三个变量的值将被分别赋给1，2，3。此时，我们观察 Storage 层会发现，存储层增加了三个 Storage Object 。这三个 Storage Object 对应了三个Slot。所以在本例中，合约增加了三个 Slots 来存储数据。我们可以发现每个 Storage Object 由三个字段组成，分别是一个32 bytes的 key字段和32 bytes 的value字段，以及外层的一个32 bytes 的字段。这三个字段在下面的例子中都表现为64位的16进制数(32 Bytes)。
下面我们来逐个解释一下这个三个值的实际意义。首先我们观察内部的Key-Value对，可以发现下面三个 Storage Object 中 key 的值其实是从0开始的递增整数，分别是0，1，2。它代表了当前 Slot 的地址索引值，或者说该 Slot 在 Storage 层对应的绝对位置(Position)。比如，key 的值为 0 时，它代表整个 Storage 层中的第 1 个 Slot，或者说在1号位置的 Slot，当key等于1时代表 Storage 层中的第2个 Slot，以此类推。每个Storage Object中的value变量，存储了合约中三个变量的值(1,2,3)。而 Storage Object 外层的值则等于 Storage Object 的 key 的值的sha3的哈希值。比如，下面例子中的第一个 Storage Object 的外层索引值"0x290decd9548b62a8d60345a988386fc84ba6bc95484008f6362f93160ef3e563" 是等于 keccak256(0) 计算出的值，它代表了第一个Slot position的Sha3的哈希，而"0xb10e2d527612073b26eecdfd717e6a320cf44b4afac2b0732d9fcbe2b7fa0cf6" 等于 keccak(1) 计算出的值。我们在示例代码中展示了如何计算的过程。
{
"0x290decd9548b62a8d60345a988386fc84ba6bc95484008f6362f93160ef3e563": {
"key": "0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000",
"value": "0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001"
},
"0xb10e2d527612073b26eecdfd717e6a320cf44b4afac2b0732d9fcbe2b7fa0cf6": {
"key": "0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001",
"value": "0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000002"
},
"0x405787fa12a823e0f2b7631cc41b3ba8828b3321ca811111fa75cd3aa3bb5ace": {
"key": "0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000002",
"value": "0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000003"
}
}到这里读者可能已经发现了，在这个 Storage Object 中，外层的索引值其实与 Key 值的关系是一一对应的。换句话说，这两个键值本质上都是关于 Slot 位置的唯一索引。这里我们简单讲述一下这两个值在使用上的区别。Key 值代表了 Slot 在 Storage 层的 Position，这个值会在实际的代码中作为stateObject.go/getState()以及setState()函数的参数，用于定位 Slot。如果我们继续深入上面的两个函数，我们就会发现，当内存中不存在该Slot 的缓存时，geth 就会尝试从更底层的数据库中来获取这个 Slot 的值。而正如我们之前提到的，Storage 层使用了一个 MPT的结构作为访问底层数据的索引结构。为了 MPT 树的平衡，这里在具体实现的时候使用了一个 Secure Trie的特殊结构。与常规的 MPT 不同的是，Secure Trie 中的节点的 Key 值都是需要 Hash 的。因此当我们使用 Secure Trie 来查询/修改需要的数据时，需要使用哈希之后的值作为索引键，具体就是上述例子中的外层 hash 值。具体的关于 Secure Trie 的描述可以参考[Trie]这一章节。总结下来，在上层函数 (stateObject) 调用中使用的键值是 Slot 的 Position，在下层的函数(Trie)调用中使用的键值是 Slot 的 Position 的哈希值。
func (t *SecureTrie) TryGet(key []byte) ([]byte, error) {
// Secure Trie中查询的例子
// 这里的key还是Slot的Position
// 但是在更下层的Call更下层的函数的时候使用了这个Key的hash值作为查询使用的键值。
return t.trie.TryGet(t.hashKey(key))
}Account Storage Example Two
下面我们来看另外的一个例子。在这个例子中，我们调整了一下合约中变量的声明顺序，从(number，number1，number2)调整为(number 2, number 1, number)。合约代码如下所示。
// SPDX-License-Identifier: GPL-3.0
pragma solidity >=0.7.0 <0.9.0;
/**
* @title Storage
* @dev Store & retrieve value in a variable
*/
contract Storage {
uint256 number2;
uint256 number1;
uint256 number;
function stores(uint256 num) public {
number = num;
number1 = num + 1;
number2 = num + 2;
}
function get_number() public view returns (uint256){
return number;
}
function get_number1() public view returns (uint256){
return number1;
}
function get_number2() public view returns (uint256){
return number2;
}
}同样我们还是构造交易来调用合约中的stores函数。此时我们可以在 Storage 层观察到不一样的结果。我们发现number2这个变量的值被存储在了第一个 Slot 中（Key:"0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000"），而number这个变量的值被存储在了第三个Slot中 (Key:"0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000002")。
{
"0x290decd9548b62a8d60345a988386fc84ba6bc95484008f6362f93160ef3e563": {
"key": "0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000",
"value": "0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000003"
},
"0xb10e2d527612073b26eecdfd717e6a320cf44b4afac2b0732d9fcbe2b7fa0cf6": {
"key": "0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001",
"value": "0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000002"
},
"0x405787fa12a823e0f2b7631cc41b3ba8828b3321ca811111fa75cd3aa3bb5ace": {
"key": "0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000002",
"value": "0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001"
}
}这个例子可以说明，在 Ethereum 中，变量对应的存储层的 Slot，是按照其在在合约中的声明顺序，从第一个Slot（position：0）开始分配的。
Account Storage Example Three
我们再考虑另一种情况：声明的三个变量，但只对其中的两个变量进行赋值。具体的来说，我们按照number，number1，和number2的顺序声明三个uint256变量。但是，在函数stores中只对 number1 和 number2 进行赋值操作。合约代码如下所示。
// SPDX-License-Identifier: GPL-3.0
pragma solidity >=0.7.0 <0.9.0;
/**
* @title Storage
* @dev Store & retrieve value in a variable
*/
contract Storage {
uint256 number;
uint256 number1;
uint256 number2;
function stores(uint256 num) public {
number1 = num + 1;
number2 = num + 2;
}
function get_number() public view returns (uint256){
return number;
}
function get_number1() public view returns (uint256){
return number1;
}
function get_number2() public view returns (uint256){
return number2;
}
}基于上述合约，我们构造交易并调用stores函数，输入参数1，将 number1 和 number2 的值修改为2，和3。在交易执行完成后，我们可以观察到 Storage 层 Slot 的结果如下所示。
{
"0xb10e2d527612073b26eecdfd717e6a320cf44b4afac2b0732d9fcbe2b7fa0cf6": {
"key": "0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001",
"value": "0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000002"
},
"0x405787fa12a823e0f2b7631cc41b3ba8828b3321ca811111fa75cd3aa3bb5ace": {
"key": "0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000002",
"value": "0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000003"
}
}我们可以观察到，stores函数执行的结果只对 Storage 层中位置在 1 和 2 位置的两个 Slot 进行了赋值。值得注意的是，在本例中，对于 Slot 的赋值是从 1 号位置 Slot 的开始，而不是 0 号 Slot。这说明对于固定长度的变量，其值的所占用的 Slot 的位置在合约初始化开始的时候就已经分配的。即使变量只是被声明还没有真正的赋值，保存其值所需要的 Slot 也已经被 EVM 分配完毕。而不是在第一次进行变量赋值的时候，进行再对变量所需要的的 Slot 进行分配。
Account Storage Example Four
在 Solidity 中，有一类特殊的变量类型Address，通常用于表示账户的地址信息。例如在 ERC-20 合约中，用户拥有的 token 信息是被存储在一个(address->uint)的map结构中。在这个 map 中，key就是 Address 类型的，它表示了用户实际的 address 。目前Address的大小为160bits(20bytes)，并不足以填满一整个 Slot。因此当Address作为value单独存储在的时候，它并不会排他的独占用一个Slot。我们使用下面的例子来说明。
在下面的示例中，我们声明了三个变量，分别是number(uint256)，addr(address)，以及isTrue(bool)。我们知道，在以太坊中Address类型变量的长度是20 bytes，所以一个Address类型的变量是没办法填满整个的Slot(32 bytes)的。同时，布尔类型在以太坊中只需要一个bit(0 or 1)的空间. 因此，我们构造transaction并调用函数 storeaddr 来给这三个变量赋值，函数的input参数是一个uint256的值，一个address类型的值，分别为{1, “0xb6186d3a3D32232BB21E87A33a4E176853a49d12”}。
// SPDX-License-Identifier: GPL-3.0
pragma solidity >=0.7.0 <0.9.0;
/**
* @title Storage
* @dev Store & retrieve value in a variable
*/
contract Storage {
uint256 number;
address addr;
bool isTrue;
function stores(uint256 num) public {
// number1 = num + 1;
// number2 = num + 2;
}
function storeaddr(uint256 num, address a) public {
number = num;
addr = a;
isTure = true;
}
function get_number() public view returns (uint256){
return number;
}
}交易的运行后 Storage 层的结果如下面的 Json 所示。我们可以观察到，在本例中Contract 声明了三个变量，但是在 Storage 层只调用了两个 Slot。第一个 Slot 用于保存了 uint256 的值，而在第二个 Slot 中(Key:0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001)保存了 addr 和 isTrue 的值。这里需要注意，虽然这种将两个小于32 bytes长的变量合并到一个Slot的做法节省了物理空间，但是也同样带来读写放大的问题。因为在Geth中，读操作最小的读的单位都是按照32bytes来进行的。在本例中，即使我们只需要读取isTrue或者addr这两个变量的值，在具体的函数调用中，我们仍然需要将对应的Slot先读取到内存中。同样的，如果我们想修改这两个变量的值，同样需要对整个的Slot进行重写。这无疑增加了额外的开销。所以在 Ethereum 使用32 bytes的变量，在某些情况下消耗的Gas反而比更小长度类型的变量要小(例如 unit8)。这也是为什么 Ethereum 官方也建议使用长度为 32 bytes 变量的原因。
// Todo Gas cost? here or in EVM Section
{
"0x290decd9548b62a8d60345a988386fc84ba6bc95484008f6362f93160ef3e563": {
"key": "0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000",
"value": "0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001"
},
"0xb10e2d527612073b26eecdfd717e6a320cf44b4afac2b0732d9fcbe2b7fa0cf6": {
"key": "0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001",
"value": "0x000000000000000000000001b6186d3a3d32232bb21e87a33a4e176853a49d12"
}
}Account Storage Example Five
对于变长数组和 Map 结构的变量存储分配则相对的复杂。虽然 Map 本身就是key-value的结构，但是在 Storage 层并不直接使用 map 中 key 的值或者 key 的值的 sha3 哈希值来作为 Storage 分配的 Slot 的索引值。目前，EVM 首先会使用map中元素的key的值和当前Map变量声明位置对应的slot的值进行拼接，再使用拼接后的值的 keccak256 哈希值作为 Slot 的位置索引(Position)。我们在下面的例子中展示了 Ethereum 是如何处理 map 这种变长的数据结构的。在下面的合约中，我们声明了一个定长的 uint256 类型的对象number，和一个[string=>uint256]类型的 Map 对象。
<!-- Todo: 变长数据结构的存储情况。 -->
// SPDX-License-Identifier: GPL-3.0
pragma solidity >=0.7.0 <0.9.0;
/**
* @title Storage
* @dev Store & retrieve value in a variable
*/
contract Storage {
uint256 number;
mapping(string => uint256) balances;
function set_balance(uint256 num) public {
number = num;
balances["hsy"] = num;
balances["lei"] = num + 1;
}
function get_number() public view returns (uint256){
return number;
}
}我们构造一个交易来调用 set_balance 函数。在交易执行之后的 Storage 层的结果如下面的 Json 所示。我们发现，对于定长的变量 number 占据了第一个 Slot 的空间(Position:0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000)。但是对于 Map 类型变量 balances，它包含的两个数据并没有按照变量定义的物理顺序来定义 Slot。此外，我们观察到存储这两个值的 Slot 的 key，也并不是这两个字在mapping 中 key 的直接 hash。正如我们在上段中提到的那样，EVM 会使用 Map 中元素的 key 值与当前 Map 被分配的 Slot 的位置进行拼接，之后对拼接之后对值进行使用keccak256 函数求得哈希值，来最终得到 map 中元素最终的存储位置。比如在本例中，按照变量定义的顺序，balances这个 Map 变量会被分配到第二个 Slot，对应的 Slot Position 是1。因此，balances中的 kv 对分配到的 Slot 的位置就是，keccak(key, 1)，这里是一个特殊的拼接操作。
{
"0x290decd9548b62a8d60345a988386fc84ba6bc95484008f6362f93160ef3e563": {
"key": "0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000",
"value": "0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001"
},
"0xa601d8e9cd2719ca27765dc16042655548d1ac3600a53ffc06b4a06a12b7c65c": {
"key": "0xbaded3bf529b04b554de2e4ee0f5702613335896b4041c50a5555b2d5e279f91",
"value": "0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001"
},
"0x53ac6681d92653b13055d2e265b672e2db2b2a19407afb633928597f144edbb0": {
"key": "0x56a8a0d158d59e2fd9317c46c65b1e902ed92f726ecfe82c06c33c015e8e6682",
"value": "0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000002"
}
}为了验证上面的说法，我们使用 go 语言编写了一段代码，来调用相关的库来验证一下上面的结论。对于 balances["hsy"]，它被分配的 Slot 的位置可以由下面的代码求得。读者可以阅读/使用示例代码进行尝试。这里的 k1 是一个整形实数，代表了 Slot 的在 storage 层的位置(Position)。
k1 := solsha3.SoliditySHA3([]byte("hsy"), solsha3.Uint256(big.NewInt(int64(1))))
fmt.Printf("Test the Solidity Map storage Key1: 0x%x\n", k1)
