ETH 之 EVM

Henry Wei
发布于 1天前
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EVM是以太坊的心脏，是一种基于栈的图灵完备的虚拟机，用于执行合约代码。每个节点都运行它来验证交易、状态变更是否一致。它接受的输入是字节码（从Solidity编译而来），执行时会按照opcode指令逐条运行，并维护一套完整的执行环境（栈、内存、存储、Gas、程序计数器）EVM的执行结构（图

EVM是以太坊的心脏，是一种**基于栈的图灵完备**的虚拟机，用于执行合约代码。每个节点都运行它来**验证交易、状态变更是否一致**。

它接受的输入是字节码（从 Solidity 编译而来），执行时会按照`opcode指令`逐条运行，并维护一套完整的执行环境（栈、内存、存储、Gas、程序计数器）

## EVM 的执行结构（图解）

用图来表达通常会展示以下核心组件：

* 每执行一条指令：

* PC 变化；
  * 栈发生入栈/出栈变化；
  * 内存可能写入；
  * Storage（SLOAD / SSTORE）可能触发状态变化；
  * 消耗 Gas
  
  ## Gas 模拟器 / 计费机制

### 为什么需要 Gas？

1. 防止死循环；
2. 资源计价机制（每个操作都定价）；
3. 经济激励系统的一部分。

### 常见的指令及其 Gas 消耗：

| 指令       | 含义   | Gas (估值)        |
| -------- | ---- | --------------- |
| `ADD`    | 加法   | 3 gas           |
| `MSTORE` | 存入内存 | 3 gas           |
| `SLOAD`  | 读取存储 | 2100 gas        |
| `SSTORE` | 写入存储 | 20_000 / 5000   |
| `CALL`   | 合约调用 | ≥700 gas + 内存成本 |
| `CREATE` | 部署合约 | 32_000+         |

## Opcode

EVM运行智能合约的核心就是`执行字节码指令（Opcode）`，这些是低级指令，被 Solidity 编译器翻译后在链上运行

### 🧮  算术运算指令（Arithmetic

| Opcode | 名称  | 含义说明     |
| ------ | --- | -------- |
| `ADD`  | 加法  | `a + b`  |
| `SUB`  | 减法  | `a - b`  |
| `MUL`  | 乘法  | `a * b`  |
| `DIV`  | 除法  | `a / b`  |
| `MOD`  | 取模  | `a % b`  |
| `EXP`  | 幂运算 | `a ** b` |

### 🔢  逻辑运算 & 位运算（Logic / Bitwise）

| Opcode | 名称 | 含义说明     |
| ------ | -- | -------- |
| `AND`  | 与  | `a & b`  |
| `OR`   | 或  | `a   | `
| `XOR`  | 异或 | `a ^ b`  |
| `NOT`  | 取反 | `~a`     |
| `SHL`  | 左移 | `a << b` |
| `SHR`  | 右移 | `a >> b` |

## 🧪 比较运算（Comparison）

| Opcode   | 名称    | 含义说明   |
| -------- | ----- | ------ |
| `EQ`     | 等于    | 判断是否相等 |
| `LT`     | 小于    | 是否小于   |
| `GT`     | 大于    | 是否大于   |
| `ISZERO` | 是否为 0 | 用于条件跳转 |

## 🧱 堆栈操作（Stack）

| Opcode  | 名称      | 含义说明                        |
| ------- | ------- | --------------------------- |
| `PUSHn` | 压栈      | 推入 `n` 字节的值（如 PUSH1~PUSH32） |
| `POP`   | 弹栈      | 弹出栈顶一个元素                    |
| `DUPn`  | 复制第 n 个 | 把第 n 个元素复制到栈顶               |
| `SWAPn` | 交换      | 交换栈顶和第 n 个元素                |

## 🗃️ 存储 & 内存（Memory & Storage）

| Opcode   | 名称  | 含义说明           |
| -------- | --- | -------------- |
| `MLOAD`  | 读内存 | 从内存中读取 32 字节   |
| `MSTORE` | 写内存 | 向内存中写入 32 字节   |
| `SLOAD`  | 读存储 | 从合约存储中读取 32 字节 |
| `SSTORE` | 写存储 | 向合约存储中写入 32 字节 |

## 🔁 流程控制（Control Flow）

| Opcode     | 名称   | 含义说明                 |
| ---------- | ---- | -------------------- |
| `JUMP`     | 跳转   | 跳转到某个程序位置            |
| `JUMPI`    | 条件跳转 | 如果条件为 true，则跳转       |
| `JUMPDEST` | 跳转目标 | 可跳转的有效目标位置           |
| `STOP`     | 停止执行 | 合约逻辑结束               |
| `REVERT`   | 回滚交易 | 回退状态改变，返回 error data |

## 📬 调用类指令（External Calls）

| Opcode         | 名称     | 含义说明                   |
| -------------- | ------ | ---------------------- |
| `CALL`         | 调用合约   | 通用跨合约调用                |
| `CALLCODE`     | 旧版调用   | 类似 CALL，但上下文不同（不推荐使用）  |
| `DELEGATECALL` | 委托调用   | 保持调用者上下文（用于代理合约）       |
| `STATICCALL`   | 静态调用   | 禁止修改状态，适合 view/pure 函数 |
| `CREATE`       | 创建合约   | 部署合约       |
| `CREATE2`      | 确定地址创建 | 可预测合约地址（与盐值有关）         |

## ⛽  Gas 操作

| Opcode     | 名称       | 含义说明                    |
| ---------- | -------- | ----------------------- |
| `GAS`      | 查询剩余 gas | 获取当前执行剩余的 gas 值         |
| `GASPRICE` | gas 价格   | 当前交易的 gas price         |
| `BASEFEE`  | 基础费      | 当前区块的 baseFee（EIP-1559） |

## 🧾 区块信息 / 上下文信息

| Opcode      | 名称       | 含义说明                  |
| ----------- | -------- | --------------------- |
| `ADDRESS`   | 当前合约地址   | `msg.sender` 在合约自身的地址 |
| `CALLER`    | 调用者地址    | `msg.sender`          |
| `ORIGIN`    | 交易发起人    | `tx.origin`           |
| `CALLVALUE` | 调用携带ETH  | `msg.value`           |
| `BALANCE`   | 获取地址余额   | 查询任意地址的 ETH 余额        |
| `BLOCKHASH` | 某区块 hash | 用于随机性（仅最近 256 个区块有效）  |
| `TIMESTAMP` | 区块时间戳    | `block.timestamp`     |
| `NUMBER`    | 当前区块高度   | `block.number`        |

EVM是以太坊的心脏，是一种基于栈的图灵完备的虚拟机，用于执行合约代码。每个节点都运行它来验证交易、状态变更是否一致。

它接受的输入是字节码（从 Solidity 编译而来），执行时会按照opcode指令逐条运行，并维护一套完整的执行环境（栈、内存、存储、Gas、程序计数器）

EVM 的执行结构（图解）

用图来表达通常会展示以下核心组件：

+--------------------+
| Contract Bytecode  |  ← 程序代码区 (不可变)
+--------------------+
         ↓
+--------------------+
| Program Counter     | ← 当前执行指令的位置
+--------------------+
         ↓
+--------------------+
| Operand Stack       | ← 最多1024层，执行用的临时栈
+--------------------+
         ↓
+--------------------+
| Memory (RAM-like)   | ← 执行时的临时内存（可扩展）
+--------------------+
         ↓
+--------------------+
| Storage (永久存储)  | ← 账户永久状态映射（key-value）
+--------------------+
         ↓
+--------------------+
| Gas Counter         | ← 每执行一步都会消耗 Gas
+--------------------+

每执行一条指令：
- PC 变化；
- 栈发生入栈/出栈变化；
- 内存可能写入；
- Storage（SLOAD / SSTORE）可能触发状态变化；
- 消耗 Gas
Gas 模拟器 / 计费机制

为什么需要 Gas？

防止死循环；
资源计价机制（每个操作都定价）；
经济激励系统的一部分。

常见的指令及其 Gas 消耗：

指令	含义	Gas (估值)
`ADD`	加法	3 gas
`MSTORE`	存入内存	3 gas
`SLOAD`	读取存储	2100 gas
`SSTORE`	写入存储	20_000 / 5000
`CALL`	合约调用	≥700 gas + 内存成本
`CREATE`	部署合约	32_000+

Opcode

EVM运行智能合约的核心就是执行字节码指令（Opcode），这些是低级指令，被 Solidity 编译器翻译后在链上运行

🧮 算术运算指令（Arithmetic

Opcode	名称	含义说明
`ADD`	加法	`a + b`
`SUB`	减法	`a - b`
`MUL`	乘法	`a * b`
`DIV`	除法	`a / b`
`MOD`	取模	`a % b`
`EXP`	幂运算	`a ** b`

🔢 逻辑运算 & 位运算（Logic / Bitwise）

Opcode	名称	含义说明
`AND`	与	`a & b`
`OR`	或	`a \|`
`XOR`	异或	`a ^ b`
`NOT`	取反	`~a`
`SHL`	左移	`a << b`
`SHR`	右移	`a >> b`

🧪 比较运算（Comparison）

Opcode	名称	含义说明
`EQ`	等于	判断是否相等
`LT`	小于	是否小于
`GT`	大于	是否大于
`ISZERO`	是否为 0	用于条件跳转

🧱 堆栈操作（Stack）

Opcode	名称	含义说明
`PUSHn`	压栈	推入 `n` 字节的值（如 PUSH1~PUSH32）
`POP`	弹栈	弹出栈顶一个元素
`DUPn`	复制第 n 个	把第 n 个元素复制到栈顶
`SWAPn`	交换	交换栈顶和第 n 个元素

🗃️ 存储 & 内存（Memory & Storage）

Opcode	名称	含义说明
`MLOAD`	读内存	从内存中读取 32 字节
`MSTORE`	写内存	向内存中写入 32 字节
`SLOAD`	读存储	从合约存储中读取 32 字节
`SSTORE`	写存储	向合约存储中写入 32 字节

🔁 流程控制（Control Flow）

Opcode	名称	含义说明
`JUMP`	跳转	跳转到某个程序位置
`JUMPI`	条件跳转	如果条件为 true，则跳转
`JUMPDEST`	跳转目标	可跳转的有效目标位置
`STOP`	停止执行	合约逻辑结束
`REVERT`	回滚交易	回退状态改变，返回 error data

📬 调用类指令（External Calls）

Opcode	名称	含义说明
`CALL`	调用合约	通用跨合约调用
`CALLCODE`	旧版调用	类似 CALL，但上下文不同（不推荐使用）
`DELEGATECALL`	委托调用	保持调用者上下文（用于代理合约）
`STATICCALL`	静态调用	禁止修改状态，适合 view/pure 函数
`CREATE`	创建合约	部署合约
`CREATE2`	确定地址创建	可预测合约地址（与盐值有关）

⛽ Gas 操作

Opcode	名称	含义说明
`GAS`	查询剩余 gas	获取当前执行剩余的 gas 值
`GASPRICE`	gas 价格	当前交易的 gas price
`BASEFEE`	基础费	当前区块的 baseFee（EIP-1559）

🧾 区块信息 / 上下文信息

Opcode	名称	含义说明
`ADDRESS`	当前合约地址	`msg.sender` 在合约自身的地址
`CALLER`	调用者地址	`msg.sender`
`ORIGIN`	交易发起人	`tx.origin`
`CALLVALUE`	调用携带ETH	`msg.value`
`BALANCE`	获取地址余额	查询任意地址的 ETH 余额
`BLOCKHASH`	某区块 hash	用于随机性（仅最近 256 个区块有效）
`TIMESTAMP`	区块时间戳	`block.timestamp`
`NUMBER`	当前区块高度	`block.number`

原创
学分: 4
分类: 以太坊
标签: EVM OpCode

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