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EIP-4200: EOF - 静态相对跳转

带有有符号立即数的 `RJUMP`、`RJUMPI` 和 `RJUMPV` 指令，用于编码跳转目标

Authors Alex Beregszaszi (@axic), Andrei Maiboroda (@gumb0), Paweł Bylica (@chfast)
Created 2021-07-16
Requires EIP-3540, EIP-3670

Table of Contents

摘要

引入了三个新的 EVM 跳转指令（RJUMP、RJUMPI 和 RJUMPV），它们将目标编码为有符号立即数。 这些指令在大多数（但不是全部）用例中都很有用，并且可以降低成本。

动机

一个反复出现讨论的话题是 EVM 只有一种用于动态跳转的机制。 它们提供了一个非常灵活的架构，只有 2 (!) 条指令。 然而，这种灵活性是有代价的：它使代码分析更加复杂，并且（部分地）导致了需要 JUMPDEST 标记。

在很多情况下，控制流实际上是静态的，不需要任何动态行为，尽管并非所有用例都可以通过静态跳转来解决。

有多种方法可以减少对动态跳转的需求，一些例子：

  1. 通过对函数/子程序的原生支持
  2. “返回调用者”指令
  3. 具有动态索引的“switch-case”表

此更改并未试图解决这些问题，而是引入了一个最小的功能集，以允许编译器决定哪个选项最适合给定的用例。 预计编译器将几乎专门使用 RJUMP / RJUMPI，但返回调用者的情况将继续使用 JUMP。

此功能并不妨碍 EVM 以后引入其他形式的控制流。 RJUMP / RJUMPI 可以有效地与更高级别的函数声明共存，其中静态相对跳转应用于函数内控制流。

这些指令的主要好处是降低了 gas 成本（在部署和执行时）并改善了分析特性。

规范

我们在激活 EIP-3540 的同一区块号上引入了三个新指令：

  1. RJUMP (0xe0) - 相对跳转
  2. RJUMPI (0xe1) - 条件相对跳转
  3. RJUMPV (0xe2) - 通过跳转表相对跳转

如果代码是旧版字节码，则所有这些指令都会导致异常停止。 （注意：这意味着行为没有改变。）

如果代码是有效的 EOF1：

  1. RJUMP relative_offset 将 PC 设置为 PC_post_instruction + relative_offset。
  2. RJUMPI relative_offset 从堆栈中弹出一个值（condition），并将 PC 设置为 PC_post_instruction + ((condition == 0) ? 0 : relative_offset)。
  3. RJUMPV max_index relative_offset+ 从堆栈中弹出一个值（case），并将 PC 设置为 PC_post_instruction + ((case > max_index) ? 0 : relative_offset[case])。

立即数参数 relative_offset 被编码为 16 位有符号（二进制补码）大端值。 根据 PC_post_instruction，我们指的是整个立即数值之后的 PC 位置。

RJUMPV 的立即数编码更加特殊：无符号 8 位 max_index 值确定跳转表中的最大索引。 后面的 relative_offset 值的数量是 max_index+1。 这允许最大 256 的表大小。RJUMPV 的编码必须至少有一个 relative_offset，因此它将至少占用 4 个字节。 此外，case > max_index 条件的失败意味着在许多用例中，人们会将 默认 路径放置在 RJUMPV 指令之后。 一个有趣的特性是 RJUMPV 0 relative_offset 是一个反转的 RJUMPI，在许多情况下可以使用它来代替 ISZERO RJUMPI relative_offset。

我们还扩展了 EIP-3670 的验证算法，以验证每个 RJUMP / RJUMPI / RJUMPV 都有一个指向指令的 relative_offset。 这意味着它不能指向 PUSHn / RJUMP / RJUMPI / RJUMPV 的立即数数据。 它不能指向代码边界之外。 允许指向 JUMPDEST，但不是必需的。

因为目标是预先验证的，所以这些指令的成本低于它们的动态对应指令：RJUMP 应该花费 2，而 RJUMPI 和 RJUMPV 应该花费 4。

原理

相对寻址

我们选择相对寻址是为了支持可重定位的代码。 这也意味着可以注入代码片段。 在此 EIP 之前，已经看到一种用于实现相同目标的技术是注入诸如 PUSHn PC ADD JUMPI 之类的代码。

我们看不到相对寻址有任何明显的缺点，它也允许我们弃用 PC 指令。

立即数大小

有符号 16 位立即数意味着可能的最大跳转距离是 32767。如果 PC=0 处的字节码以 RJUMP 开头，则可以跳转到 PC=32770。

给定 MAX_CODE_SIZE = 24576（在 EIP-170 中）和 MAX_INITCODE_SIZE = 49152（在 EIP-3860 中），我们认为 16 位立即数足够大。

具有 8 位立即数的版本仅允许将 PC 向后移动 125 个字节或向前移动 127 个字节。 虽然对于许多 for 循环来说，这似乎是一个足够好的距离，但对于跨函数跳转来说，它可能不够好。 另外，由于 16 位立即数与动态跳转在此类情况下的占用空间大小相同（3 字节：JUMP PUSH1 n），因此我们认为指令越少越好。

如果需要具有其他大小（例如 8 位、24 位或 32 位）的立即数编码，则可以引入新的操作码，类似于存在多个 PUSH 指令的方式。

PUSHn JUMP 序列

如果我们选择绝对寻址，那么 RJUMP 可以被视为类似于序列 PUSHn JUMP（并且 RJUMPI 类似于 PUSHn JUMPI）。 在这种情况下，有人可能会争辩说，应该对这些序列进行折扣，而不是引入新指令，因为 EVM 可以优化它们。

我们认为这是一个糟糕的方向：

  1. 它进一步复杂化了已经复杂的 gas 计算规则。
  2. 并且它要么需要共识定义的 EVM 代码内部表示，要么强制 EVM 实现自行进行优化。

这两者都存在风险。 此外，我们认为 EVM 实现应该可以自由选择它们应用的优化，并且节省的成本不需要以任何代价传递下去。

此外，它需要对当前实现进行潜在的重大更改，这些实现依赖于没有前瞻的逐个流式执行。

与动态跳转的关系

目标不是完全取代 EVM 当前的控制流系统，而是对其进行扩充。 在许多情况下，动态跳转很有用，例如返回调用者。

可以引入一种新机制，用于拥有预定义的有效跳转目标表，并动态提供此表中的索引，以完成某种形式的动态跳转。 这对于有效编码某种形式的“switch-case”语句非常有用。 它也可以用于“返回调用者”的情况，但这可能效率低下或者很尴尬。

缺少 JUMPDEST

JUMPDEST 有两个目的：

  1. 为了有效地划分代码——这对于预先计算给定块（即 JUMPDEST 之间的指令）的总 gas 使用量以及 JIT/AOT 转换非常有用。
  2. 为了明确显示有效位置（否则任何非数据位置都将有效）。

静态跳转不需要此功能，因为分析器可以在 jumpdest 分析期间轻松地区分静态跳转立即数中的目标。

这里有两个好处：

  1. 不浪费一个字节用于 JUMPDEST 也意味着每次跳转目标在部署期间节省 200 gas。
  2. 鉴于 JUMPDEST 本身花费 1 gas 并且在跳转期间被“执行”，因此每次跳转在执行期间节省额外的 1 gas。

RJUMPV 回退情况

如果在 RJUMPV 指令执行中未找到匹配项（即默认情况），执行将继续而不会分支。 这允许在参数中填充 0，并允许程序员选择实现方式。 替代选项包括在没有匹配项时异常中止。

向后兼容性

此更改不会对向后兼容性构成任何风险，因为它是在 EIP-3540 的同时引入的。 新指令未针对旧版字节码（非 EOF 格式的代码）引入。

测试用例

验证

有效情况

  • 以 JUMPDEST 作为目标的 RJUMP / RJUMPI / RJUMPV
    • relative_offset 为正/负/0
  • 以 JUMPDEST 以外的指令作为目标的 RJUMP / RJUMPI / RJUMPV
    • relative_offset 为正/负/0
  • RJUMPV 具有从 1 到 256 的各种有效表大小
  • RJUMP 作为代码段中的最后一条指令

无效情况

  • 具有截断立即数的 RJUMP / RJUMPI / RJUMPV
  • RJUMPI / RJUMPV 作为代码段中的最后一条指令
  • RJUMP / RJUMPI / RJUMPV 目标超出代码段边界
  • RJUMP / RJUMPI / RJUMPV 目标推送数据
  • RJUMP / RJUMPI / RJUMPV 目标另一个 RJUMP / RJUMPI / RJUMPV 立即数参数

执行

  • 旧代码中的 RJUMP / RJUMPI / RJUMPV 中止执行
  • RJUMP
    • relative_offset 为正/负/0
  • RJUMPI
    • relative_offset 为正/负/0
      • condition 等于 0
      • condition 不等于 0
  • RJUMPV 0 relative_offset
    • case 等于 0
    • case 不等于 0
  • RJUMPV 具有包含正、负、0 偏移的表
    • case 等于 0
    • case 不等于 0
    • case 超出表边界 (case > max_index, 回退情况)
    • case > 255

安全考虑

实现 EOF 容器验证算法时，应仔细考虑添加带有立即数参数的新指令。

静态相对跳转执行不需要运行时检查跳转目标。 它大大降低了执行成本。 因此，新指令的 gas 成本也可以大大降低。

RJUMPV 指令相对偏移表最多可以有 256 个单字节条目，因此读取偏移量不可能是潜在的攻击面。

版权

在 CC0 下放弃版权及相关权利。

Citation

Please cite this document as:

Alex Beregszaszi (@axic), Andrei Maiboroda (@gumb0), Paweł Bylica (@chfast), "EIP-4200: EOF - 静态相对跳转 [DRAFT]," Ethereum Improvement Proposals, no. 4200, July 2021. [Online serial]. Available: https://eips.ethereum.org/EIPS/eip-4200.