EVM深度分析之数据存储

清源
更新于 2023-05-24 16:24
阅读 15588

以太坊虚拟机EVM的作用是将智能合约代码翻译成可以在以太坊上执行的机器码，并且提供一个沙盒运行环境，在运行期间不能访问宿主机的网络，文件，系统，即使不同的合约之间也有有限的访问权限。

[ 以太坊虚拟机EVM](https://learnblockchain.cn/2019/04/09/easy-evm/)的作用是将智能合约代码翻译成可以在以太坊上执行的机器码，并且提供一个沙盒运行环境，在运行期间不能访问宿主机的网络，文件，系统，即使不同的合约之间也有有限的访问权限。

## EVM的特点

官方给出的EVM主要的设计目标如下：

* 简单性，操作码尽可能少且低级，数据类型尽可能少，虚拟机的结构尽可能简单。
* 确定性，EVM的语句没有产生歧义的空间，结果在不同机器上的执行结果是确定一致的。
* 节约空间，EVM的组件尽可能紧凑。
* 区块链定制化的，必须可以处理20bytes的账户地址，自定义32bytes密码学算法等等。
* 简单、安全模型，Gas的计价模型应该是简单易行准确的。
* 便于优化，以便即时编译（JIT）和VM的性能优化。

## EVM基本信息

以太坊是一种基于栈的虚拟机，基于栈的虚拟机数据的存取为先进后出（也即后进先出），在后面介绍EVM指令的时候会看到这个特性。同时基于栈的虚拟机实现简单，移植性也不错，这也是以太坊选择基于栈的虚拟机的原因。

![基于栈的虚拟机模型](https://img.learnblockchain.cn/2019/10/15702698199825.jpg)

EVM采用了32字节（256bit）的`字长`，最多可以容纳2014个`字`，`字`为最小的操作单位。

## EVM数据管理

接下来看一下EVM的数据是如何管理的。

![](https://img.learnblockchain.cn/2019/10/15702698575338.jpg)

可以看到code和storage里存储的数据是非易失的（non-volatile），而stack，args，memory里存储的数据是易失的(volatile)，其中code的数据是智能合约的二进制源码，是非易失的很好理解，部署合约的时候data字段也就是合约内容会存储在EVM的code中。
  如果要操作这些存储结构里的数据，就需要用到EVM指令，由于EVM的操作码被限制在一个`字节`以内，所以EVM最多容纳256条指令，目前EVM已经定义了约142条指令，还有100多条用于以后的扩展。这142条指令包括了算法运算，密码学计算，栈操作，memory，storage操作等。

接下来看一下各个存储位置的含义；

### Stack（栈）

`stack`可以免费使用，没有gas消耗，用来保存函数的局部变量，数量被限制在了16个，当在合约里中声明的局部变量超过16个时，再编译合约就会遇到`Stack too deep, try removing local variables`错误。
  介绍几个EVM操作栈的指令，在后面分析合约的时候会用到；

* Pop指令（操作码0x50）用来从栈顶弹出一个元素；
* PushX指令用来把紧跟在后面的1-32字节元素推入栈顶，Push指令一共32条，从Push1（0x60）到Push32（0x7A），因为栈的一个`字`是256bit，一个字节8bit，所以Push指令最多可以把其后32字节的元素放入栈中而不溢出。
* DupX指令用来复制从栈顶开始的第1-16个元素，复制后把元素在推入栈顶，Dup指令一共16条，从Dup1（0x80）到Dup16（0x8A）。
* SwapX指令把栈顶元素和从栈顶开始数的第1-16个元素进行交换，Swap指令一共16条，从Swap1（0x01）一直到Swap16（0x9A）。

### Args（参数）

`args`也叫`calldata`，是一段只读的可寻址的保存函数调用参数的空间，与栈不同的地方的是，如果要使用calldata里面的数据，必须手动指定偏移量和读取的字节数。
  EVM提供的用于操作calldata的指令有三个：

* `calldatasize`返回calldata的大小。
* `calldataload`从calldata中加载32bytes到stack中。
* `calldatacopy`拷贝一些字节到内存中。

通过一个合约来看一下如何使用`calldata`，假如我们要写一个合约，合约有一个add的方法，用来把传入的两个参数相加，通常会这样写。

```js
pragma solidity ^0.5.1;

contract Calldata {
  function add(uint256 a, uint256 b) public view returns (uint256) {
    return a + b;
  }
}
```

当然我们也可以用内联汇编的形式这样写。

```js
contract Calldata {
 function add(uint256 a, uint256 b) public view returns (uint256) {
   assembly {
     let a := mload(0x40)
     let b := add(a, 32)
     calldatacopy(a, 4, 32)
     calldatacopy(b, add(4, 32), 32)
     result := add(mload(a), mload(b))
   }
 }
}

```

首先我们我们加载了0x40这个地址，这个地址EVM存储空闲`memory`的指针，然后我们用a重命名了这个地址，接着我们用b重命名了a偏移32字节以后的空余地址，到目前为止这个地址所指向的内容还是空的。
  `calldatacopy(a, 4, 32)`这行代码把calldata的从第4字节到第36字节的数据拷贝到了a中，同样`calldatacopy(b, add(4, 32), 32)`把36到68字节的数据拷贝到了b中，接着`add(mload(a), mload(b))`把栈中的a，b加载到内存中相加。最后的结果等价于第一个合约。
  而为什么`calldatacopy(a, 4, 32)`的偏移要从4开始呢？在EVM中，前四位是存储函数指纹([函数选择器](https://learnblockchain.cn/docs/solidity/abi-spec.html#function-selector))的，计算公式是bytes4(keccak256(“add(uint256, uint256)”))，从第四位开始才是args。

### Memory（内存）

Memory是一个易失性的可以读写修改的空间，主要是在运行期间存储数据，将参数传递给内部函数。内存可以在字节级别寻址，一次可以读取32字节。
  EVM提供的用于操作memory的指令有三个：

* mload 加载一个字从stack到内存；
* sstore存储一个值到指定的内存地址，格式mstore（p，v），存储v到地址p；
* mstore8存储一个byte到指定地址 ；

当我们操作内存的时候，总是需要加载0x40，因为这个地址保存了空闲内存的指针，避免了覆盖已有的数据。

### Storage（存储）

Storage是一个可以读写修改的持久存储的空间，也是每个合约持久化存储数据的地方。Storage是一个巨大的map，一共2^256个插槽，一个插糟有32byte。
  EVM提供的用于操作storage的指令有两个：

* sload用于加载一个字到stack中；
* sstore用于存储一个字到storage中；

solidity将定义的状态变量，映射到插糟内，对于静态大小的变量从0开始连续布局，对于动态数组和map则采用了其他方法，下面介绍。

## 状态变量

Storage初始化的时候是空白的，默认是0。

```js
pragma solidity ^0.5.1;
contract C {
 uint256 a;
 uint256 b;
 uint256 c;
 uint256 d;
 uint256 e;
 uint256 f;
 
  function test() public {
    f = 0xc0fefe;
  }
}
```

用`solc --bin --asm --optimize test.sol`编译合约，可以看到；

```
tag_5:
 /* "test.sol":167:175 0xc0fefe */
 0xc0fefe
 /* "test.sol":163:164 f */
 0x5
 /* "test.sol":163:175 f = 0xc0fefe */
 sstore
```

这段汇编执行的是`sstore(0x5, 0xc0fefe)`，把0xc0fefe存储到0x5这个位置，在EVM中声明变量不需要成本，EVM会在编译的时候保留位置，但是不会初始化。

> 当通过指令`sload`读取一个未初始化的变量的时候， 不会报错，只会读取到零值0x0。

##  struct 结构体

结构体的初始化和变量是一样的；

```js 
pragma solidity ^0.5.1;
contract C {
 struct Tuple {
   uint256 a;
   uint256 b;
   uint256 c;
   uint256 d;
   uint256 e;
   uint256 f;
 }
 
 Tuple t;
 function test() public {
   t.f = 0xC0FEFE;
 }
}

```

编译得到:

```
tag_5:
 /* "test.sol":219:227 0xC0FEFE */
 0xc0fefe
 /* "test.sol":213:216 t.f */
 0x5
 /* "test.sol":213:227 t.f = 0xC0FEFE */
 sstore
 /* "test.sol":182:234 function test() public {... */
```

分析编译后的汇编发现结果和状态变量的行为是一致的。

## 定长数组

定长数组EVM很容易知道类型和长度，所以可以依次排列，就像存储状态变量一样。

```js
pragma solidity ^0.5.1;
contract C {
 uint256[6] numbers;
 
 function test() public {
   numbers[5] = 0xC0FEFE;
 }
}

```

编译合约，可以看到一样的汇编。

```
tag_5:
 /* "test.sol":110:118 0xC0FEFE */
 0xc0fefe
 /* "test.sol":105:106 5 */
 0x5
 /* "test.sol":97:118 numbers[5] = 0xC0FEFE */
 sstore

```

但是使用定长数组就会有越界的问题，EVM会在赋值的时候生成汇编检查，具体的内容在下篇合约分析中讨论。

固定大小的变量都是尽可能打包成32字节的块然后依次存储的，而一些类型是可以动态扩容的，这个时候就需要更加灵活的存储方式了，这些类型有映射（map），数组（array），字节数组（Byte arrays），字符串(string)。

## 映射（map）

通过一个简单的合约学习map的存储方式；

```js
pragma solidity ^0.5.1;

contract Test {
 mapping(uint256 => uint256) items;

function test() public {
 items[0x01] = 0x42;
 }
}

```

这个合约很简单，就是创建了一个key和value都是uint256类型的map，并且在用0x01作为key存储了0x42，用`solc --bin --asm --optimize test.sol`编译合约，得到如下汇编。

``` 
tag_5:
 /* "test.sol":119:123 0x01 */
 0x1
 /* "test.sol":113:118 items */
 0x0
 /* "test.sol":113:124 items[0x01] */
 swap1
 dup2
 mstore
 0x20
 mstore
 /* "test.sol":127:131 0x42 */
 0x42
 /* "test.sol":113:124 items[0x01] */
 0xada5013122d395ba3c54772283fb069b10426056ef8ca54750cb9bb552a59e7d
 /* "test.sol":113:131 items[0x01] = 0x42 */
 sstore
 /* "test.sol":82:136 function test() public {... */
 jump // out

```

分析一些这段汇编就会发现0x42并不是存储在key是0x01的位置，取而代之的是`0xada5013122d395ba3c54772283fb069b10426056ef8ca54750cb9bb552a59e7d`这样一段地址，这段地址是通过`keccak256( bytes32(0x01) + bytes32(0x00) )`计算得到的，0x01就是key，而0x00表示这个合约存储的第一个storage类型变量。
  所以key的计算公式就是`keccak256(bytes32(key) + bytes32(position))`

###  多个映射map

假设我们的合约有两个map

```js
pragma solidity ^0.5.1;

contract Test {
 mapping(uint256 => uint256) itemsA;
 mapping(uint256 => uint256) itemsB;

function test() public {
   itemsA[0xAAAA] = 0xAAAA;
   itemsB[0xBBBB] = 0xBBBB;
 }
}

```

编译得到

``` 
tag_5:
 /* "test.sol":166:172 0xAAAA */
 0xaaaa
 /* "test.sol":149:163 itemsA[0xAAAA] */
 0x839613f731613c3a2f728362760f939c8004b5d9066154aab51d6dadf74733f3
 /* "test.sol":149:172 itemsA[0xAAAA] = 0xAAAA */
 sstore
 /* "test.sol":195:201 0xBBBB */
 0xbbbb
 /* "test.sol":149:155 itemsA */
 0x0
 /* "test.sol":178:192 itemsB[0xBBBB] */
 dup2
 swap1
 mstore
 /* "test.sol":178:184 itemsB */
 0x1
 /* "test.sol":149:163 itemsA[0xAAAA] */
 0x20
 /* "test.sol":178:192 itemsB[0xBBBB] */
 mstore
 0x34cb23340a4263c995af18b23d9f53b67ff379ccaa3a91b75007b010c489d395
 /* "test.sol":178:201 itemsB[0xBBBB] = 0xBBBB */
 sstore
 /* "test.sol":120:206 function test() public {... */
 jump // out

```

itemsA的位置是0，key是0xAAAA:

```
# key = 0xAAAA, position = 0
keccak256(bytes32(0xAAAA) + bytes32(0))
'839613f731613c3a2f728362760f939c8004b5d9066154aab51d6dadf74733f3'

```

itemsB的位置是1，key是0xBBBB:

```
# key = 0xBBBB, position = 1
keccak256(bytes32(0xBBBB) + bytes32(1))
'34cb23340a4263c995af18b23d9f53b67ff379ccaa3a91b75007b010c489d395'

```

用`solc --bin --asm --optimize test.sol`编译合约，得到如下汇编。

``` 
/* "test.sol":166:172 0xAAAA */
 0xaaaa
 /* "test.sol":149:163 itemsA[0xAAAA] */
 0x839613f731613c3a2f728362760f939c8004b5d9066154aab51d6dadf74733f3
 /* "test.sol":149:172 itemsA[0xAAAA] = 0xAAAA */
 sstore
 /* "test.sol":195:201 0xBBBB */
 0xbbbb
 /* "test.sol":149:155 itemsA */
 0x0
 /* "test.sol":178:192 itemsB[0xBBBB] */
 dup2
 swap1
 mstore
 /* "test.sol":178:184 itemsB */
 0x1
 /* "test.sol":149:163 itemsA[0xAAAA] */
 0x20
 /* "test.sol":178:192 itemsB[0xBBBB] */
 mstore
 0x34cb23340a4263c995af18b23d9f53b67ff379ccaa3a91b75007b010c489d395
 /* "test.sol":178:201 itemsB[0xBBBB] = 0xBBBB */
 sstore
 /* "test.sol":120:206 function test() public {... */
 jump // out

```

可以看到，存储的地址和我们推到的一样。

##  动态数组

在其他语言中，数组只是连续存储在内存中的一系列相同类型的元素，取值的时候都是采用首地址+偏移量的形式，但是在solidity中，数组是一种映射。数组在存储器中是这样存储的:

```
0x290d...e563
0x290d...e564
0x290d...e565
0x290d...e566
```

虽然看起来像是连续存储的，但实际上访问的时候是通过映射来查找的。增加了数组类型的意义在于多了一些数组的方法，便于我们更好的理解和编写代码，增加的特性有:

* length表示数组的长度，一共有多少元素；
* 边界检查，当读取或者写入时索引值大于length就会报错；
* 比映射更加复杂的存储打包行为；
* 当数组变小时，自动清除未使用的空间；
* bytes和string的特殊优化让短数组（小于32字节）存储更加高效；

编译合约

```js
pragma solidity ^0.5.1;
contract C {
 uint256[] chunks;

function test() public {
   chunks.push(0xAA);
   chunks.push(0xBB);
   chunks.push(0xCC);
 }
}

```

使用`remix`调试合约可以看到storage部分的存储内容；

![](https://img.learnblockchain.cn/2019/10/15702896357491.jpg)

因为动态数组在编译期间无法知道数组的长度，提前预留存储空间，所以solidity就用`chunks`变量的位置存储了动态数组的长度，而具体的数据地址通过计算`keccak256(bytes32(0))`算得数组首地址，再加数组长度偏移量获得具体的元素。

> 这里的 0 表示的是chunks变量的位置哦

##  动态数据打包

数组与映射相比，有更加优化的打包行为，编译合约；

```js
pragma solidity ^0.5.1;
contract C {
  uint128[] s;
  function test() public {
    s.length = 4;
    s[0] = 0xAA;
    s[1] = 0xBB;
    s[2] = 0xCC;
    s[3] = 0xDD;
  }
}

```

使用`remix`调试合约可以看到storage部分的存储内容；

![](https://img.learnblockchain.cn/2019/10/15702894822475.jpg)

可以发现4个元素并没有占据4个插槽，而只有两个，solidity一个插糟的大小是256bit，s的类型是uint128，编译器做了一个优化，对数据进行了更优化的打包策略，可以最大限度的节约Gas。

看一些各项操作所花费Gas的表格；

![](https://img.learnblockchain.cn/2019/10/15702894968481.jpg)

其中数据的持久化操作`sstore`是消耗Gas最多的操作，在合适的场景下使用数组可以利用编译器优化节约大量的Gas。

##  字节数组和字符串

bytes和string是EVM特殊优化的类型:

```js
pragma solidity ^0.5.1;
contract C {
  bytes s;
  function test() public {
    s.push(0xAA);
    s.push(0xBB);
    s.push(0xCC);
 }
}

```

最后用remix编译得到:

``` 
key: 0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
value: 0xaabbcc0000000000000000000000000000000000000000000000000000000006
```

当bytes和string的长度小于31字节的时候可以这样放到一个插槽里，但是当大于31字节的时候，就采用存储动态数组的方式。

## 总结

EVM的存储器就是一个健值数据库，当改变里面的任何一点东西，根节点的校验和也会改变，如果两个根节点拥有相同的校验和，存储的数据就能保持一致。

本文作者是深入浅出区块链共建者清源，欢迎关注清源的[博客](http://qyuan.top)，不定期分享一些区块链底层技术文章。

EVM的特点

官方给出的EVM主要的设计目标如下：

简单性，操作码尽可能少且低级，数据类型尽可能少，虚拟机的结构尽可能简单。
确定性，EVM的语句没有产生歧义的空间，结果在不同机器上的执行结果是确定一致的。
节约空间，EVM的组件尽可能紧凑。
区块链定制化的，必须可以处理20bytes的账户地址，自定义32bytes密码学算法等等。
简单、安全模型，Gas的计价模型应该是简单易行准确的。
便于优化，以便即时编译（JIT）和VM的性能优化。

EVM基本信息

EVM采用了32字节（256bit）的字长，最多可以容纳2014个字，字为最小的操作单位。

EVM数据管理

接下来看一下EVM的数据是如何管理的。

可以看到code和storage里存储的数据是非易失的（non-volatile），而stack，args，memory里存储的数据是易失的(volatile)，其中code的数据是智能合约的二进制源码，是非易失的很好理解，部署合约的时候data字段也就是合约内容会存储在EVM的code中。如果要操作这些存储结构里的数据，就需要用到EVM指令，由于EVM的操作码被限制在一个字节以内，所以EVM最多容纳256条指令，目前EVM已经定义了约142条指令，还有100多条用于以后的扩展。这142条指令包括了算法运算，密码学计算，栈操作，memory，storage操作等。

接下来看一下各个存储位置的含义；

Stack（栈）

stack可以免费使用，没有gas消耗，用来保存函数的局部变量，数量被限制在了16个，当在合约里中声明的局部变量超过16个时，再编译合约就会遇到Stack too deep, try removing local variables错误。介绍几个EVM操作栈的指令，在后面分析合约的时候会用到；

Pop指令（操作码0x50）用来从栈顶弹出一个元素；
PushX指令用来把紧跟在后面的1-32字节元素推入栈顶，Push指令一共32条，从Push1（0x60）到Push32（0x7A），因为栈的一个字是256bit，一个字节8bit，所以Push指令最多可以把其后32字节的元素放入栈中而不溢出。
DupX指令用来复制从栈顶开始的第1-16个元素，复制后把元素在推入栈顶，Dup指令一共16条，从Dup1（0x80）到Dup16（0x8A）。
SwapX指令把栈顶元素和从栈顶开始数的第1-16个元素进行交换，Swap指令一共16条，从Swap1（0x01）一直到Swap16（0x9A）。

Args（参数）

args也叫calldata，是一段只读的可寻址的保存函数调用参数的空间，与栈不同的地方的是，如果要使用calldata里面的数据，必须手动指定偏移量和读取的字节数。 EVM提供的用于操作calldata的指令有三个：

calldatasize返回calldata的大小。
calldataload从calldata中加载32bytes到stack中。
calldatacopy拷贝一些字节到内存中。

通过一个合约来看一下如何使用calldata，假如我们要写一个合约，合约有一个add的方法，用来把传入的两个参数相加，通常会这样写。

pragma solidity ^0.5.1;

contract Calldata {
  function add(uint256 a, uint256 b) public view returns (uint256) {
    return a + b;
  }
}

当然我们也可以用内联汇编的形式这样写。

contract Calldata {
 function add(uint256 a, uint256 b) public view returns (uint256) {
   assembly {
     let a := mload(0x40)
     let b := add(a, 32)
     calldatacopy(a, 4, 32)
     calldatacopy(b, add(4, 32), 32)
     result := add(mload(a), mload(b))
   }
 }
}

首先我们我们加载了0x40这个地址，这个地址EVM存储空闲memory的指针，然后我们用a重命名了这个地址，接着我们用b重命名了a偏移32字节以后的空余地址，到目前为止这个地址所指向的内容还是空的。 calldatacopy(a, 4, 32)这行代码把calldata的从第4字节到第36字节的数据拷贝到了a中，同样calldatacopy(b, add(4, 32), 32)把36到68字节的数据拷贝到了b中，接着add(mload(a), mload(b))把栈中的a，b加载到内存中相加。最后的结果等价于第一个合约。而为什么calldatacopy(a, 4, 32)的偏移要从4开始呢？在EVM中，前四位是存储函数指纹(函数选择器)的，计算公式是bytes4(keccak256(“add(uint256, uint256)”))，从第四位开始才是args。

Memory（内存）

Memory是一个易失性的可以读写修改的空间，主要是在运行期间存储数据，将参数传递给内部函数。内存可以在字节级别寻址，一次可以读取32字节。 EVM提供的用于操作memory的指令有三个：

mload 加载一个字从stack到内存；
sstore存储一个值到指定的内存地址，格式mstore（p，v），存储v到地址p；
mstore8存储一个byte到指定地址；

当我们操作内存的时候，总是需要加载0x40，因为这个地址保存了空闲内存的指针，避免了覆盖已有的数据。

Storage（存储）

Storage是一个可以读写修改的持久存储的空间，也是每个合约持久化存储数据的地方。Storage是一个巨大的map，一共2^256个插槽，一个插糟有32byte。 EVM提供的用于操作storage的指令有两个：

sload用于加载一个字到stack中；
sstore用于存储一个字到storage中；

solidity将定义的状态变量，映射到插糟内，对于静态大小的变量从0开始连续布局，对于动态数组和map则采用了其他方法，下面介绍。

状态变量

Storage初始化的时候是空白的，默认是0。

pragma solidity ^0.5.1;
contract C {
 uint256 a;
 uint256 b;
 uint256 c;
 uint256 d;
 uint256 e;
 uint256 f;

  function test() public {
    f = 0xc0fefe;
  }
}

用solc --bin --asm --optimize test.sol编译合约，可以看到；

tag_5:
 /* "test.sol":167:175 0xc0fefe */
 0xc0fefe
 /* "test.sol":163:164 f */
 0x5
 /* "test.sol":163:175 f = 0xc0fefe */
 sstore

这段汇编执行的是sstore(0x5, 0xc0fefe)，把0xc0fefe存储到0x5这个位置，在EVM中声明变量不需要成本，EVM会在编译的时候保留位置，但是不会初始化。

当通过指令sload读取一个未初始化的变量的时候，不会报错，只会读取到零值0x0。

struct 结构体

结构体的初始化和变量是一样的；

pragma solidity ^0.5.1;
contract C {
 struct Tuple {
   uint256 a;
   uint256 b;
   uint256 c;
   uint256 d;
   uint256 e;
   uint256 f;
 }

 Tuple t;
 function test() public {
   t.f = 0xC0FEFE;
 }
}

编译得到:

tag_5:
 /* "test.sol":219:227 0xC0FEFE */
 0xc0fefe
 /* "test.sol":213:216 t.f */
 0x5
 /* "test.sol":213:227 t.f = 0xC0FEFE */
 sstore
 /* "test.sol":182:234 function test() public {... */

分析编译后的汇编发现结果和状态变量的行为是一致的。

定长数组

定长数组EVM很容易知道类型和长度，所以可以依次排列，就像存储状态变量一样。

pragma solidity ^0.5.1;
contract C {
 uint256[6] numbers;

 function test() public {
   numbers[5] = 0xC0FEFE;
 }
}

编译合约，可以看到一样的汇编。

tag_5:
 /* "test.sol":110:118 0xC0FEFE */
 0xc0fefe
 /* "test.sol":105:106 5 */
 0x5
 /* "test.sol":97:118 numbers[5] = 0xC0FEFE */
 sstore

但是使用定长数组就会有越界的问题，EVM会在赋值的时候生成汇编检查，具体的内容在下篇合约分析中讨论。

映射（map）

通过一个简单的合约学习map的存储方式；

pragma solidity ^0.5.1;

contract Test {
 mapping(uint256 => uint256) items;

 function test() public {
 items[0x01] = 0x42;
 }
}

这个合约很简单，就是创建了一个key和value都是uint256类型的map，并且在用0x01作为key存储了0x42，用solc --bin --asm --optimize test.sol编译合约，得到如下汇编。

tag_5:
 /* "test.sol":119:123 0x01 */
 0x1
 /* "test.sol":113:118 items */
 0x0
 /* "test.sol":113:124 items[0x01] */
 swap1
 dup2
 mstore
 0x20
 mstore
 /* "test.sol":127:131 0x42 */
 0x42
 /* "test.sol":113:124 items[0x01] */
 0xada5013122d395ba3c54772283fb069b10426056ef8ca54750cb9bb552a59e7d
 /* "test.sol":113:131 items[0x01] = 0x42 */
 sstore
 /* "test.sol":82:136 function test() public {... */
 jump // out

分析一些这段汇编就会发现0x42并不是存储在key是0x01的位置，取而代之的是0xada5013122d395ba3c54772283fb069b10426056ef8ca54750cb9bb552a59e7d这样一段地址，这段地址是通过keccak256( bytes32(0x01) + bytes32(0x00) )计算得到的，0x01就是key，而0x00表示这个合约存储的第一个storage类型变量。所以key的计算公式就是keccak256(bytes32(key) + bytes32(position))

多个映射map

假设我们的合约有两个map

pragma solidity ^0.5.1;

contract Test {
 mapping(uint256 => uint256) itemsA;
 mapping(uint256 => uint256) itemsB;

 function test() public {
   itemsA[0xAAAA] = 0xAAAA;
   itemsB[0xBBBB] = 0xBBBB;
 }
}

编译得到

tag_5:
 /* "test.sol":166:172 0xAAAA */
 0xaaaa
 /* "test.sol":149:163 itemsA[0xAAAA] */
 0x839613f731613c3a2f728362760f939c8004b5d9066154aab51d6dadf74733f3
 /* "test.sol":149:172 itemsA[0xAAAA] = 0xAAAA */
 sstore
 /* "test.sol":195:201 0xBBBB */
 0xbbbb
 /* "test.sol":149:155 itemsA */
 0x0
 /* "test.sol":178:192 itemsB[0xBBBB] */
 dup2
 swap1
 mstore
 /* "test.sol":178:184 itemsB */
 0x1
 /* "test.sol":149:163 itemsA[0xAAAA] */
 0x20
 /* "test.sol":178:192 itemsB[0xBBBB] */
 mstore
 0x34cb23340a4263c995af18b23d9f53b67ff379ccaa3a91b75007b010c489d395
 /* "test.sol":178:201 itemsB[0xBBBB] = 0xBBBB */
 sstore
 /* "test.sol":120:206 function test() public {... */
 jump // out

itemsA的位置是0，key是0xAAAA:

# key = 0xAAAA, position = 0
keccak256(bytes32(0xAAAA) + bytes32(0))
'839613f731613c3a2f728362760f939c8004b5d9066154aab51d6dadf74733f3'

itemsB的位置是1，key是0xBBBB:

# key = 0xBBBB, position = 1
keccak256(bytes32(0xBBBB) + bytes32(1))
'34cb23340a4263c995af18b23d9f53b67ff379ccaa3a91b75007b010c489d395'

用solc --bin --asm --optimize test.sol编译合约，得到如下汇编。

/* "test.sol":166:172 0xAAAA */
 0xaaaa
 /* "test.sol":149:163 itemsA[0xAAAA] */
 0x839613f731613c3a2f728362760f939c8004b5d9066154aab51d6dadf74733f3
 /* "test.sol":149:172 itemsA[0xAAAA] = 0xAAAA */
 sstore
 /* "test.sol":195:201 0xBBBB */
 0xbbbb
 /* "test.sol":149:155 itemsA */
 0x0
 /* "test.sol":178:192 itemsB[0xBBBB] */
 dup2
 swap1
 mstore
 /* "test.sol":178:184 itemsB */
 0x1
 /* "test.sol":149:163 itemsA[0xAAAA] */
 0x20
 /* "test.sol":178:192 itemsB[0xBBBB] */
 mstore
 0x34cb23340a4263c995af18b23d9f53b67ff379ccaa3a91b75007b010c489d395
 /* "test.sol":178:201 itemsB[0xBBBB] = 0xBBBB */
 sstore
 /* "test.sol":120:206 function test() public {... */
 jump // out

可以看到，存储的地址和我们推到的一样。

动态数组

0x290d...e563
0x290d...e564
0x290d...e565
0x290d...e566

length表示数组的长度，一共有多少元素；
边界检查，当读取或者写入时索引值大于length就会报错；
比映射更加复杂的存储打包行为；
当数组变小时，自动清除未使用的空间；
bytes和string的特殊优化让短数组（小于32字节）存储更加高效；

编译合约

pragma solidity ^0.5.1;
contract C {
 uint256[] chunks;

 function test() public {
   chunks.push(0xAA);
   chunks.push(0xBB);
   chunks.push(0xCC);
 }
}

使用remix调试合约可以看到storage部分的存储内容；

因为动态数组在编译期间无法知道数组的长度，提前预留存储空间，所以solidity就用chunks变量的位置存储了动态数组的长度，而具体的数据地址通过计算keccak256(bytes32(0))算得数组首地址，再加数组长度偏移量获得具体的元素。

这里的 0 表示的是chunks变量的位置哦

动态数据打包

数组与映射相比，有更加优化的打包行为，编译合约；

pragma solidity ^0.5.1;
contract C {
  uint128[] s;
  function test() public {
    s.length = 4;
    s[0] = 0xAA;
    s[1] = 0xBB;
    s[2] = 0xCC;
    s[3] = 0xDD;
  }
}

使用remix调试合约可以看到storage部分的存储内容；

看一些各项操作所花费Gas的表格；

其中数据的持久化操作sstore是消耗Gas最多的操作，在合适的场景下使用数组可以利用编译器优化节约大量的Gas。

字节数组和字符串

bytes和string是EVM特殊优化的类型:

pragma solidity ^0.5.1;
contract C {
  bytes s;
  function test() public {
    s.push(0xAA);
    s.push(0xBB);
    s.push(0xCC);
 }
}

最后用remix编译得到:

key: 0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
value: 0xaabbcc0000000000000000000000000000000000000000000000000000000006

当bytes和string的长度小于31字节的时候可以这样放到一个插槽里，但是当大于31字节的时候，就采用存储动态数组的方式。

总结

本文作者是深入浅出区块链共建者清源，欢迎关注清源的博客，不定期分享一些区块链底层技术文章。

学分: 32
分类: 以太坊
标签: EVM

本文参与登链社区写作激励计划，好文好收益，欢迎正在阅读的你也加入。

EVM深度分析之数据存储

EVM的特点

EVM基本信息

EVM数据管理

Stack（栈）

Args（参数）

Memory（内存）

Storage（存储）

状态变量

struct 结构体

定长数组

映射（map）

多个映射map

动态数组

动态数据打包

字节数组和字符串

总结

2 条评论

文章目录