剖析DeFi交易产品之Uniswap：V2下篇

剖析UniswapV2系列的最后一篇，主要讲解了TWAP、FlashSwap和质押挖矿

前言

上篇我们主要讲了 UniswapV2 整体分为了哪些项目，并重点讲解了 uniswap-v2-core 的核心代码实现；中篇主要对 uniswap-v2-periphery 的路由合约实现进行了剖析；现在剩下 V2 系列的最后一篇，我会介绍剩下的一些内容，主要包括：TWAP、FlashSwap、质押挖矿。

TWAP

TWAP = Time-Weighted Average Price，即时间加权平均价格，可用来创建有效防止价格操纵的链上价格预言机。

TWAP 的实现机制其实很简单。首先，在配对合约里会存储三个相关变量：

  • price0CumulativeLast
  • price1CumulativeLast
  • blockTimestampLast

前两个变量是两个 token 的累加价格，最后一个变量则用来记录更新的区块时间。我们可以直接来看看其代码实现：

image20211009150104200.png

这是 UniswapV2Pair 合约的 _update 函数，每次 mint、burn、swap、sync 时都会触发更新。实现逻辑很容易理解，主要就以下几步：

  1. 读取当前的区块时间 blockTimestamp
  2. 计算出与上一次更新的区块时间之间的时间差 timeElapsed
  3. 如果 timeElapsed > 0 且两个 token 的 reserve 都不为 0，则更新两个累加价格
  4. 更新两个 reserve 和区块时间 blockTimestampLast

有些人可能还是不太理解累加价格的意义，要把它理解透彻，先从当前时刻的价格说起，即 token0 和 token1 的当前价格，其实可以根据以下公式计算所得：

price0 = reserve1 / reserve0
price1 = reserve0 / reserve1

比如，假设两个 token 分别为 WETH 和 USDT，当前储备量分别为 10 WETH 和 40000 USDT，那么 WETH 和 USDT 的价格分别为：

price0 = 40000/10 = 4000 USDT
price1 = 10/40000 = 0.00025 WETH

现在，再加上时间维度来考虑。比如，当前区块时间相比上一次更新的区块时间，过去了 5 秒，那就可以算出这 5 秒时间的累加价格：

price0Cumulative = reserve1 / reserve0 * timeElapsed = 40000/10*5 = 20000 USDT
price1Cumulative = reserve0 / reserve1 * timeElapsed = 10/40000*5 = 0.00125 WETH

假设之后再过了 6 秒，最新的 reserve 分别变成了 12 WETH 和 32000 USDT，则最新的累加价格变成了：

price0CumulativeLast = price0Cumulative + reserve1 / reserve0 * timeElapsed = 20000 + 32000/12*6 = 36000 USDT
price1CumulativeLast = price1Cumulative + reserve0 / reserve1 * timeElapsed = 0.00125 + 12/32000*6 = 0.0035 WETH

这就是合约里所记录的累加价格了。

另外，每次计算时因为有 timeElapsed 的判断，所以其实每次计算的是每个区块的第一笔交易。而且，计算累加价格时所用的 reserve 是更新前的储备量，所以，实际上所计算的价格是之前区块的，因此，想要操控价格的难度也就进一步加大了。

img

有了前面的基础，接下来就可以计算 TWAP 即时间加权平均价格了。计算公式也很简单，如下图：

v2_twapfdc82ab82856196510db6b421cce9204.png

代入我们的例子，为了简化，我们将前面 5 秒时间的时刻记为 T1，累加价格记为 priceT1，而 6 秒时间后的时刻记为 T2，累加价格记为 priceT2。如此，可以计算出，在后面 6 秒时间里的平均价格：

twap = (priceT2 - priceT1)/(T2 - T1) = (36000 - 20000)/6 = 2666.66

在实际应用中，一般有两种计算方案，一是固定时间窗口的 TWAP，二是移动时间窗口的 TWAP。在 uniswap-v2-periphery 项目中，examples 目录下提供了这两种方案的示例代码，分为是 ExampleOracleSimple.sol 和 ExampleSlidingWindowOracle.sol，具体代码就不展开讲解了。

现在，Uniswap TWAP 已经被广泛应用于很多 DeFi 协议，很多时候会结合 Chainlink 一起使用。比如 Compound 就使用 Chainlink 进行喂价并加入 Uniswap TWAP 进行边界校验，防止价格波动太大。

FlashSwap

FlashSwap，翻译过来就是闪电兑换，和闪电贷（FlashLoan） 有点类似。

从代码层面来说，闪电兑换的触发在 UniswapV2Pair 合约的 swap 函数里的，该函数里有这么一行代码：

if (data.length > 0) IUniswapV2Callee(to).uniswapV2Call(msg.sender, amount0Out, amount1Out, data);

这行代码主要说明了三个信息：

  1. to 地址是一个合约地址
  2. to 地址的合约实现了 IUniswapV2Callee 接口
  3. 可以在 uniswapV2Call 函数里执行 to 合约自己的逻辑

一般情况下的兑换流程，是先支付 tokenA，再得到 tokenB。但闪电兑换却可以先得到 tokenB，最后再支付 tokenA。如下图：

image20211010105414230.png

即是说，通过闪电兑换，可以实现无前置成本的套利。

比如，在 Uniswap 上可以用 3000 DAI 兑换出 1 ETH，而在 Sushi 上可以将 1 ETH 兑换成 3100 DAI，这就存在 100 DAI 的套利空间了。但是，如果用户钱包里没有 DAI 的话，该怎么套利呢？通过 Uniswap 的闪电兑换，就可以先获得 ETH，再将 ETH 在 Sushi 卖出得到 DAI，最后支付 DAI 给到 Uniswap，这样就实现了无需前置资金成本的套利了。

理论上，只要利润空间能覆盖两边的交易手续费和 GAS，就值得执行套利。这种套利行为能使得不同 DEX 之间的价格趋于一致。

闪电兑换还可以应用于另一种场景。假设用户想在 Compound 抵押 ETH 借出 DAI，再用借出的 DAI 到 Uniswap 兑换成 ETH，再抵押到 Compound 借出更多 DAI，如此重复操作，从而提高做多 ETH 的杠杆率。这么做的效率非常低。而使用闪电兑换，可以大大提高交易效率：

  1. 先从 Uniswap 得到 ETH
  2. 将用户的 ETH 和从 Uniswap 得到的 ETH 抵押进 Compound
  3. 从 Compound 借出 DAI
  4. 在 Uniswap 支付 DAI

上述步骤也不需要重复执行，一次流程就实现了用户想要的杠杆率，相比之下，明显高效很多。

在 uniswap-v2-periphery 项目中，examples 目录下有个 ExampleFlashSwap.sol，就是实现闪电兑换的一个示例，实现的是在 UniswapV1 和 UniswapV2 之间套利。

质押挖矿

质押挖矿项目也同样很小，这是项目的 github 地址：

总共只有四个 sol 文件：

  • IStakingRewards.sol
  • RewardsDistributionRecipient.sol
  • StakingRewards.sol
  • StakingRewardsFactory.sol

IStakingRewards.sol 是一个接口文件，定义了质押合约 StakingRewards 需要实现的一些函数，其中，Mutative 函数只有四个：

  • stake：充值，即质押
  • withdraw：提现，即解质押
  • getReward：提取奖励
  • exit：退出

剩下的则都是 View 函数：

  • lastTimeRewardApplicable：有奖励的最近区块数
  • rewardPerToken：每单位 Token 奖励数量
  • earned：用户已赚但未提取的奖励数量
  • getRewardForDuration：挖矿奖励总量
  • totalSupply：总质押量
  • balanceOf：用户的质押余额

RewardsDistributionRecipient.sol 则是一个抽象合约，跟常用的 Ownable 合约类似，我们可以直接看看其代码实现：

image20211010181334698.png

总共就 12 行代码，rewardsDistribution 其实就是管理员地址，还有一个 onlyRewardsDistribution 的 modifier，这不就是和我们熟知的 Ownable 一样的功能嘛。另外，还定义了一个抽象函数 notifyRewardAmount，所以实际上这就是一个抽象合约。而继承了该合约的是 StakingRewards 合约，后面再细说。

StakingRewards.sol 留到最后再说，先来看看 StakingRewardsFactory.sol，这是一个工厂合约，主要就是用来部署 StakingRewards 合约的。

StakingRewardsFactory

工厂合约里定义了四个变量：

  • rewardsToken：用作奖励的代币，其实就是 UNI 代币
  • stakingRewardsGenesis：质押挖矿开始的时间
  • stakingTokens：用来质押的代币数组，一般就是各交易对的 LPToken
  • stakingRewardsInfoByStakingToken：一个 mapping，用来保存质押代币和质押合约信息之间的映射

质押合约信息则是一个数据结构：

struct StakingRewardsInfo {
    address stakingRewards;
    uint rewardAmount;
}

其中，stakingRewards 其实就是 StakingRewards 合约（即质押合约）地址，rewardAmount 则是该质押合约每周期的奖励总量。

rewardsToken 和 stakingRewardsGenesis 在工厂合约的构造函数里就初始化的。除了构造函数，工厂合约还有三个函数：

  • deploy
  • notifyRewardAmounts
  • notifyRewardAmount

deploy 就是部署 StakingRewards 合约的函数，其代码实现如下：

function deploy(address stakingToken, uint rewardAmount) public onlyOwner {
    StakingRewardsInfo storage info = stakingRewardsInfoByStakingToken[stakingToken];
    require(info.stakingRewards == address(0), 'StakingRewardsFactory::deploy: already deployed');

    info.stakingRewards = address(new StakingRewards(address(this), rewardsToken, stakingToken));
    info.rewardAmount = rewardAmount;
    stakingTokens.push(stakingToken);
}

两个入参，stakingToken 就是质押代币，一般为 LPToken；rewardAmount 则是奖励数量。

实现逻辑，先从 mapping 中读取出 info，如果 info 的 stakingRewards 不为零地址说明该质押代币的质押合约已经部署过了，不能重复部署。接着，用 new 的方式创建了 StakeingRewards 合约，并将合约地址赋值给 info.stakingRewards，将合约地址保存起来。之后，再保存 rewardAmount。最后，将 stakingToken 加到质押代币数组里。至此，质押合约的部署工作就完成了。

部署合约之后，下一步应该将用来挖矿的代币转入到质押合约中，这就要通过 notifyRewardAmount 函数了，其代码实现如下：

function notifyRewardAmount(address stakingToken) public {
    require(block.timestamp >= stakingRewardsGenesis, 'StakingRewardsFactory::notifyRewardAmount: not ready');

    StakingRewardsInfo storage info = stakingRewardsInfoByStakingToken[stakingToken];
    require(info.stakingRewards != address(0), 'StakingRewardsFactory::notifyRewardAmount: not deployed');

    if (info.rewardAmount > 0) {
        uint rewardAmount = info.rewardAmount;
        info.rewardAmount = 0;

        require(
        IERC20(rewardsToken).transfer(info.stakingRewards, rewardAmount),
        'StakingRewardsFactory::notifyRewardAmount: transfer failed'
        );
        StakingRewards(info.stakingRewards).notifyRewardAmount(rewardAmount);
    }
}

调用该函数之前，其实还有一个前提条件要先完成，那就是需要先将用来挖矿奖励的 UNI 代币数量先转入该工厂合约。有个这个前提，工厂合约的该函数才能实现将 UNI 代币下发到质押合约中去。

代码逻辑就很简单了，先是判断当前区块的时间需大于等于质押挖矿的开始时间。然后读取出指定的质押代币 stakingToken 映射的质押合约 info，要求 info 的质押合约地址不能为零地址，否则说明还没部署。再判断 info.rewardAmount 是否大于零，如果为零也不用下发奖励。if 语句里面的逻辑主要就是调用 rewardsToken 的 transfer 函数将奖励代币转发给质押合约，再调用质押合约的 notifyRewardAmount 函数触发其内部处理逻辑。另外，将 info.rewardAmount 重置为 0，可以避免向质押合约重复下发奖励代币。

而 notifyRewardAmounts 函数，则是遍历整个质押代币数组，对每个代币再调用 notifyRewardAmount，实现逻辑非常简单。

至此，工厂合约的代码逻辑就讲完了。下面，就来看看 StakingRewards 合约了。

StakingRewards

StakingRewards 合约会继承 RewardsDistributionRecipient 合约和 IStakingRewards 接口。

StakingRewards 存储的变量则比较多，除了继承自 RewardsDistributionRecipient 抽象合约里的 rewardsDistribution 变量之外，还有 11 个变量：

  • rewardsToken：奖励代币，即 UNI 代币
  • stakingToken：质押代币，即 LPToken
  • periodFinish：质押挖矿结束的时间，默认时为 0
  • rewardRate：挖矿速率，即每秒挖矿奖励的数量
  • rewardsDuration：挖矿时长，默认设置为 60 天
  • lastUpdateTime：最近一次更新时间
  • rewardPerTokenStored：每单位 token 奖励数量
  • userRewardPerTokenPaid：用户的每单位 token 奖励数量
  • rewards：用户的奖励数量
  • _totalSupply：私有变量，总质押量
  • _balances：私有变量，用户质押余额

前面讲工厂合约的 notifyRewardAmount 函数时，提到最后其实会调用到 StakingRewards 合约的 notifyRewardAmount 函数，我们就来看看这个函数是如何实现的：

function notifyRewardAmount(uint256 reward) external onlyRewardsDistribution updateReward(address(0)) {
    if (block.timestamp >= periodFinish) {
        rewardRate = reward.div(rewardsDuration);
    } else {
        uint256 remaining = periodFinish.sub(block.timestamp);
        uint256 leftover = remaining.mul(rewardRate);
        rewardRate = reward.add(leftover).div(rewardsDuration);
    }

    // Ensure the provided reward amount is not more than the balance in the contract.
    // This keeps the reward rate in the right range, preventing overflows due to
    // very high values of rewardRate in the earned and rewardsPerToken functions;
    // Reward + leftover must be less than 2^256 / 10^18 to avoid overflow.
    uint balance = rewardsToken.balanceOf(address(this));
    require(rewardRate <= balance.div(rewardsDuration), "Provided reward too high");

    lastUpdateTime = block.timestamp;
    periodFinish = block.timestamp.add(rewardsDuration);
    emit RewardAdded(reward);
}

该函数由工厂合约触发执行，而且根据工厂合约的代码逻辑，该函数也只会被触发一次。

由于 periodFinish 默认值为 0 且只会在该函数中更新值，所以只会执行 block.timestamp >= periodFinish 的分支逻辑，将从工厂合约转过来的挖矿奖励总量除以挖矿奖励时长，得到挖矿速率 rewardRate，即每秒的挖矿数量。理论上，else 分支是执行不到的，除非以后工厂合约升级为可以多次触发执行该函数。之后，读取 balance 并校验下 rewardRate，可以保证收取到的挖矿奖励余额也是充足的，rewardRate 就不会虚高。最后，更新 lastUpdateTime 和 periodFinish。periodFinish 就是在当前区块时间上加上挖矿时长，就得到了挖矿结束的时间。

接着，再来看看几个核心业务函数的实现，包括 stake、withdraw、getReward。

stake 就是质押代币的函数，实现代码如下：

function stake(uint256 amount) external nonReentrant updateReward(msg.sender) {
    require(amount > 0, "Cannot stake 0");
    _totalSupply = _totalSupply.add(amount);
    _balances[msg.sender] = _balances[msg.sender].add(amount);
    stakingToken.safeTransferFrom(msg.sender, address(this), amount);
    emit Staked(msg.sender, amount);
}

函数体内的代码逻辑很简单，将用户指定的质押量 amount 增加到 _totalSupply（总质押量）和 _balances（用户的质押余额），最后调用 stakingToken 的 safeTransferFrom 将代币从用户地址转入当前合约地址。

withdraw 则是用来提取质押代币的，代码实现也同样很简单，_totalSupply 和 _balances 都减掉提取数量，且将代币从当前合约地址转到用户地址：

function withdraw(uint256 amount) public nonReentrant updateReward(msg.sender) {    
    require(amount > 0, "Cannot withdraw 0");
    _totalSupply = _totalSupply.sub(amount);
    _balances[msg.sender] = _balances[msg.sender].sub(amount);
    stakingToken.safeTransfer(msg.sender, amount);
    emit Withdrawn(msg.sender, amount);
}

getReward 是领取挖矿奖励的函数，内部逻辑主要就是从 rewards 中读取出用户有多少奖励并清零和转账给到用户：

function getReward() public nonReentrant updateReward(msg.sender) {
    uint256 reward = rewards[msg.sender];
    if (reward > 0) {
        rewards[msg.sender] = 0;
        rewardsToken.safeTransfer(msg.sender, reward);
        emit RewardPaid(msg.sender, reward);
    }
}

这几个核心业务函数体内的逻辑都非常好理解，值得一说的其实是每个函数声明最后的 updateReward(msg.sender)，这是一个更新挖矿奖励的 modifer，我们来看其代码：

modifier updateReward(address account) {
    rewardPerTokenStored = rewardPerToken();
    lastUpdateTime = lastTimeRewardApplicable();
    if (account != address(0)) {
        rewards[account] = earned(account);
        userRewardPerTokenPaid[account] = rewardPerTokenStored;
    }
    _;
}

主要逻辑就是更新几个字段，包括 rewardPerTokenStored、lastUpdateTime 和用户的奖励相关的 rewards[account] 和 userRewardPerTokenPaid[account]。

其中，还调用到其他三个函数：rewardPerToken()、lastTimeRewardApplicable()、earned(account)。先来看看这三个函数的实现。最简单的就是 lastTimeRewardApplicable：

function lastTimeRewardApplicable() public view returns (uint256) {
    return Math.min(block.timestamp, periodFinish);
}

其逻辑就是从当前区块时间和挖矿结束时间两者中返回最小值。因此，当挖矿未结束时返回的就是当前区块时间，而挖矿结束后则返回挖矿结束时间。也因此，挖矿结束后，lastUpdateTime 也会一直等于挖矿结束时间，这点很关键。

rewardPerToken 函数则是获取每单位质押代币的奖励数量，其实现代码如下：

function rewardPerToken() public view returns (uint256) {
    if (_totalSupply == 0) {
        return rewardPerTokenStored;
    }
    return
        rewardPerTokenStored.add(
            lastTimeRewardApplicable().sub(lastUpdateTime).mul(rewardRate).mul(1e18).div(_totalSupply)
        );
}

这其实就是用累加计算的方式存储到 rewardPerTokenStored 变量中。当挖矿结束后，则不会再产生增量，rewardPerTokenStored 就不会再增加了。

earned 函数则是计算用户当前的挖矿奖励，代码实现也只有一行代码：

function earned(address account) public view returns (uint256) {
    return _balances[account].mul(rewardPerToken().sub(userRewardPerTokenPaid[account])).div(1e18).add(rewards[account]);
}

其逻辑也是计算出增量的每单位质押代币的挖矿奖励，再乘以用户的质押余额得到增量的总挖矿奖励，再加上之前已存储的挖矿奖励，就得到当前总的挖矿奖励。

至此，StakingRewards 合约的主要实现逻辑也都讲解完了。

总结

至此，所有 UniswapV2 的合约项目就都讲解完了。虽然分为了好几个小项目，但从架构设计上来说，能够大大减低不同模块之间的耦合性，不同项目也可以由不同的小团队单独维护，而且项目小而简单，那出 BUG 的概率也会更低。所以，这样的架构设计其实更适合 Dapp。

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