现代DEX - Uniswap V4 是如何构建的

简介

本文标志着一个关于现代 DEX 实现系列的开始。这些文章的目标（与之前的“借贷”系列相同）是为 DeFi 开发者和审计人员提供对现代 DeFi 实现的全面回顾，包括所使用的算法、关键数据结构和函数。与其他资源不同，我们将不深入探讨协议的经济和金融方面，这些内容可以通过项目文档进行研究。相反，我们将专注于重要的代码段并进行详细讨论。

Uniswap V4 是著名的 Uniswap 协议的下一个版本。但是，与其前辈相比，Uniswap V4 拥有大量显著的变化。首先，Uniswap V4 允许创建具有多种逻辑类型的池。虽然 V2 池的流动性分布在整个价格范围，而 V3 池则具有集中流动性和价格区间，但 Uniswap V4 允许使用其 hooks 系统添加新的池类型。此外，还特别关注了优化交易成本，池管理的组织方式为单例而非工厂。值得注意的是，Uniswap V4 还恢复了交换本机 ETH 的能力，该功能之前只有通过将 ETH 包装为 ERC20 WETH 代币才能实现。

让我们深入探讨一下“它是如何实现的”。

[注意] 目前，Uniswap V4 尚未部署到主网，仅在测试环境中运行。请注意，讨论的所有主题与项目当前状态相关，未来可能会发生变化。

核心

Uniswap V4 的主要架构变化是从工厂模式转移到单例模式。在所有先前的版本中，新池是通过池工厂进行部署的；现在新池可以使用单个合约进行创建和管理。我们从 PoolManager.sol 开始。

PoolManager 的主要操作结构是 PoolKey 结构体，包含以下元素：两个可交换代币的地址（currency0 和 currency1）、费用的数量和类型（静态或动态）、池的 hooks 地址，以及 tick 间距参数（请参见关于集中流动性的 文章）。池的 ID 是通过对 PoolKey 结构体中所有内容进行 哈希 生成的。

池的部署是通过 initialize() 函数完成的，该函数接受 PoolKey 结构体（包含代币地址）、初始 sqrtPrice 和池 hooks 的初始参数（在 PoolKey 结构体中设置）。

在进行第一次检查后，beforeInitialize hook 被 调用，允许 hooks 设置初始状态。然后池被 初始化 到其原始状态，返回与初始价格对应的 tick 编号。之后调用 afterInitialize hook，该函数结束。

上述的 PoolKey 是所有 Uniswap V4 池操作中的唯一标识符（如 swap() 或 modifyLiquidity()）。通过将池地址计算外包给外部方，Uniswap 减少了 gas 成本并提高了效率。

现在，是时候看看 Uniswap V4 的主要安全机制——“解锁”模式和代币增量。Uniswap V4 中的每个操作都需要 解锁 PoolManager。加锁是通过 使用 临时存储实现的，这保持锁定状态持续到事务结束。这是必要的，因为在重入场景中无法使用内存，而使用存储进行重入锁定费用太高。

任何与流动性有关的操作都包括 onlyWhenUnlocked() 修饰符。“锁定/解锁”机制像重入锁一样，拒绝外部调用重新进入函数。然而，此外，在 unlock() 函数结束时，有一个重要的 检查，以确保非零代币增量。在 swap() 函数的结束处（ 此处）、流动性管理（ 此处）、以及 donate() 函数（ 此处），我们看到了 _accountPoolBalanceDelta() 函数，该函数 计算 操作后的“非零”代币余额变化。这一计数器在 unlock() 完成工作时必须等于零，这意味着在交换和提供流动性内部的任何操作都必须以零借记/贷记余额结束。

这一模式与使用临时存储结合是非常强大的，DeFi 开发人员应当研究，以保持主协议一致，同时允许外部协议执行多种任意操作。在 Uniswap V4 中，池可以通过使用 hooks 进行灵活的自定义。让我们看看 Uniswap V4 的池。

池

池的初始化包括在 initialize() 函数中设置 Pool.State 结构，这与 Uniswap V3 中使用的池类似（在我们之前的 文章 中进行了描述）。如果在创建的池中未设置 hooks，那么该池将像使用集中流动性的 Uniswap V3 池一样工作。你可以查看 Pool.sol 的 swap() 函数，并提到它使用与 Uniswap V3 池相同的代码、价格 tick、sqrt 价格和费用管理。但在 Uniswap V4 的情况下，池的创建成本大大降低，因为不需要部署额外的合约。流动性管理（在没有自定义 hooks 的情况下）也与 Uniswap V3 类似。

另一个需要注意的重要特性是 donate() 函数，它允许直接向池费用的 feeGrowthGlobal* 累加器中添加代币。它可以用于直接激励池。然而，请注意，donate() 可以被超越。此外，该代码的这一部分清楚地显示了代币增量的处理。在这里，我们简单地 "添加" 负数金额到代币增量中，协议现在记录它有一个“负余额”。

累积的借记/贷记代币余额需要从协议发送/接收，这些操作由两个函数处理：

• take()：用于从协议中提取代币
• settle()：用于检查协议的代币余额是否增加。在 _settle() 函数内部，我们看到了另一个临时存储 操作集 在 CurrencyReserves.sol。

这种代币结算设计使得外围合约在 PoolManager 解锁期间执行多种操作成为可能：提供流动性、进行交换（附加 hooks）、捐赠费用，以及仅将最终代币数量发送到协议和结算。

hooks 系统是下一个步骤。如上所述，hooks 是修改池行为的关键机制。没有 hooks，我们就会得到一个众所周知的具有集中流动性的 Uniswap V3 池。但是，如果开发者愿意，他们可以为池设置 hooks，如 这里 所述。例如，两个 hooks：beforeSwap() 和 afterSwap()，返回代币增量，可以修改池的行为；例如，实现常规的 Uniswap V2 池。相同的方法也可以用于提供流动性和激励池的目的。

实现细节

Uniswap V4 代码引入了许多新的功能和与先前版本的区别。让我们讨论一些。

一个显著的特征是支持本机 ETH 的回归。在早期版本中，将 ETH 包装和解包为 WETH 是一个繁琐的过程，并需要额外的 gas。由于 Uniswap 的主要交易池通常是与 ETH 相关的对（例如，ETH/USDC），这个变化特别重要。Uniswap V4 现在支持直接与本机 ETH 进行操作，而不需要包装或解包，增加了直接处理 ETH 的额外逻辑分支（如 这里）。

下一个有趣的部分是获取协议费用。在某些情况下，无效的协议费用控制器（由协议所有者设置）可能会打破池的初始化。为了避免这种情况，将分析对协议费用管理器的调用，如果出现回退（即调用未返回成功），则 返回 0 费用。此外，协议费用管理器可能会消耗过多的 gas，打破池的初始化。通过 这里 的额外 gas 限制，可以缓解这种情况。

另一个重要的方面是协议数学。Uniswap V4 使用“全规模” 256 位值，而早期版本的 Uniswap 使用 128 位值。因此，乘法和除法操作需要处理可能在中间结果中的溢出。例如，在 d=(a*b)/c 的情况下，可能发生在 (a*b) 部分的溢出。为了解决这些情况，Uniswap V4 实现了一个支持 512 位精度的 mulDiv() 函数。虽然这需要额外的计算，但 Uniswap V4 得以正确处理任何代币，具有任何 256 位的余额和精度，并避免在协议中进行额外的转换。

结论

Uniswap V4 引入了较早版本的显著变化和优化。新架构允许将不同逻辑的交易池结合在一起，使这些池的创建及其交互变得更加便宜。

值得注意的是，工厂模式消失了，与池的操作现在通过 PoolManager 进行，使用临时存储实现“锁定/解锁”模式，有效地避免了与重入和预言机价格操纵相关的攻击。

总的来说，Uniswap V4 的设计选择和代码结构反映了其生态系统的系统性演变，专注于 gas 效率和可用性。

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