EIP663: SWAPN、DUPN 和 EXCHANGE 指令

摘要

目前，SWAP* 和 DUP* 指令的堆栈深度限制为 16。引入三条新指令，SWAPN、DUPN 和 EXCHANGE，以消除此限制并允许在更高的深度访问堆栈。

动机

虽然堆栈深度为 1024 项，但只能轻松访问顶部 16 项。通过手动将更多局部变量保留在内存中或通过编译器的“堆栈到内存提升”功能，可以支持更多局部变量。这可能导致复杂且低效的代码。

此外，在 EVM 上实现更高级的构造（例如函数）将导致输入和输出参数列表，以及返回的指令偏移量。

这些参数（或堆栈项）的数量可能轻易超过 16，因此可能需要编译器额外小心以确保它们都能被访问。

最后，交换堆栈中除第一个和第 N 项以外的项对实施堆栈调度算法的编译器非常重要（堆栈机器的寄存器分配类比），该算法在给定变量和使用分析的情况下试图最小化堆栈流量。

引入 SWAPN、DUPN 和 EXCHANGE 将为编译器提供简化访问深层堆栈项的选项。

规范

我们引入三条新指令：

1. DUPN (0xe6)
2. SWAPN (0xe7)
3. EXCHANGE (0xe8)

如果代码是遗留字节码，这些指令中的任何一条都会导致 异常中止。 (注意：这意味着行为不变。)

如果代码是有效的 EOF1，适用以下规则：

1. 指令后跟一个 8 位立即数值，我们称之为 imm，其值可以为 0 到 255。
   1. 在 DUPN 和 SWAPN 的情况下，引入变量 n 等于 imm + 1。
   2. 在 EXCHANGE 的情况下，引入变量 n 等于 imm >> 4 + 1，以及变量 m 等于 imm & 0x0F + 1（即 imm 的前两个半字节，转换为一索引）。
2. 代码验证扩大以检查没有相对跳转指令 (RJUMP/RJUMPI/RJUMPV) 指向 DUPN、SWAPN 或 EXCHANGE 的立即数值。
3. EIP-5450 的堆栈验证算法得到扩展：
   1. 在 DUPN 前，如果当前堆栈高度小于 n，则代码无效。在 DUPN 后，堆栈高度增加。
   2. 在 SWAPN 前，如果当前堆栈高度小于 n + 1，则代码无效。在 SWAPN 后，堆栈高度不变。
   3. 在 EXCHANGE 前，如果当前堆栈高度小于 n + m + 1，则代码无效。在 EXCHANGE 后，堆栈高度不变。
4. 执行规则：
   1. DUPN：第 n 项堆栈项被复制到堆栈顶部。(注意：这里使用的是 1 基索引。)
   2. SWAPN：第 n + 1 项堆栈项与堆栈顶部交换。
   3. EXCHANGE：第 n + 1 项堆栈项与第 n + m + 1 项堆栈项交换。

所有三条指令的 gas 成本设定为 3。

原因

使用立即数参数

允许动态选择要交换、复制或交换的参数可能会阻止对堆栈内容的静态分析。由于静态分析是安全审计人员的重要工具，我们希望尽可能简化他们的工作。因此，操作数需要一个不是动态性质的立即数参数。

仅限 EOF

由于该指令依赖于立即数参数编码，因此只能在 EOF 内启用。在遗留字节码中，该编码可能会与跳转目标分析相矛盾。

立即数参数的大小

对于 DUPN 和 SWAPN，考虑使用 16 位大小以适应堆栈空间的 1024 项，但是：

1. 这将需要一个额外的限制/检查（n < 1024）。
2. 256 的深度相比当前的 16 是一个很大的改进，而额外字节的开销会使它的使用价值降低。

对 EXCHANGE 同样，提议的方案允许寻址 32 项。

gas 成本

这些操作的 gas 成本与现有的 DUP* 和 SWAP* 指令相同，因为它们仅作为指针交换实现。

EXCHANGE 与 SWAPN

如前所述，EXCHANGE 对实现堆栈调度算法的编译器非常重要。具体而言，在堆栈项计划在堆栈更深处被消耗的情况下（例如，堆栈中的第 3 项需要移至第 2 个位置以供下一个操作使用），目前需要三条指令 SWAP2 SWAP3 SWAP2。然而，在 EVM 实现中，该实现仅是一个指针交换，因此可以在没有额外运行时成本的情况下以一条指令实现。

向后兼容性

这对向后兼容性没有影响，因为操作码之前未被分配，并且该功能仅在 EOF 中启用。

测试用例

给定 stack[] 是一个以 0 为基础的数据结构，n、m 和 imm 根据规范定义：

• DUPN imm 在 stack_height < n 的情况下验证失败。
• SWAPN imm 在 stack_height < n + 1 的情况下验证失败。
• EXCHANGE imm 在 stack_height < n + m + 1 的情况下验证失败。
• DUPN imm 应增加函数的最大堆栈高度。如果最大堆栈高度超过 1023 的限制，则验证失败。
• DUPN imm、SWAPN imm 和 EXCHANGE imm 在运行时如果可用的 gas 少于 3 则失败。
• DUPN imm 应复制 stack[n - 1] 项并将其推送到堆栈
• SWAPN imm 应交换 stack[n] 与 stack[stack.top()]
• EXCHANGE imm 应交换 stack[n] 与 stack[n + m]。

安全考虑

作者未发现此处引入的任何附加风险。EVM 堆栈固定为 1024 项，大多数实现始终将其保存在内存中。这一变化将增加通过单一指令可访问的堆栈项数量。

版权

由于 CC0，版权和相关权利已放弃。

• 原文链接： github.com/ethereum/EIPs...
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