EVM Overview

What is EVM?

以太坊虚拟机(EVM, Ethereum Virtual Machine )是以太坊中智能合约的运行时环境。它在给定的状态下使用提供的上下文(Context)运行合约，计算有效的状态转换(智能合约代码执行的结果)来更新以太坊状态(word state) [5]。 EVM只是一个计算引擎，只提供了计算和存储的抽象，与Java虚拟机类似。 EVM没有调度功能，因为执行哪个智能合约、以什么样的顺序执行都是从外部获得的，没有与之交互的物理机。它实际上是完全隔离的，无法访问网络、文件系统或其他进程。甚至智能合约访问其他合约时也会受到限制。[6]

以太坊底层通过EVM模块支持合约的执行与调用，调用时根据合约地址获取到代码，生成环境后载入到EVM中运行。 EVM是一个准图灵完备的状态机,这个“准”的限定来源于其中的运算是通过参数 gas 来限制的，也就是限定了可以执行的运算总量，从而避免了程序永远运行的问题。[5] 如果一个系统或编程语言可以运行任何程序，那么它就是图灵完备的。

EVM是执行事务代码的引擎，是以太坊区别于其他系统的核心特性。EVM的设计目标如下[3]：

简单：操作码尽可能的少并且低级；数据类型尽可能少；虚拟机的结构尽可能少；
结果明确：在VM规范语句中，没有任何可能产生歧义的空间，结果应该是完全确定的。此外，计算步骤应该是精确的，以便可以测量gas的消耗量；
节约空间：EVM组件应尽可能紧凑；
预期应用应具备专业化能力：在VM上构建的应用应能处理20字节的地址，以及32位的自定义加密值，拥有用于自定义加密的模数运算、读取区块和交易数据与状态交互等能力；
简单安全：为了让VM不被利用，应该能够容易地建立一套gas消耗成本模型的操作；
优化友好：应该易于优化，以便即时编译（JIT）和VM的加速版本能够构建出来。

Architecture

EVM 采用的是基于栈的架构。其中字（Word）的大小（也就是栈中数据项的大小）是 256 位(32字节)。这是为了便于执行 Keccak-256 位哈希和椭圆曲线计算。其内存（memory）模型是基于字寻址（word-addressed）的字节数组。栈的最大深度为 1024。EVM 也有一个独立的存储（storage）模型；它类似于内存，但并不是一个字节数组，而是一个基于字寻址（word-addressable）的字数组（word array）。存储是持久化的键值存储，且作为系统状态的一部分被维护(持久存储在Merkle树中)。所有内存和存储中的数据都会初始化为 0。EVM 不是标准的冯诺依曼结构。程序代码被保存在一个独立的、仅能通过特定的指令进行交互的虚拟 ROM中，而不是保存在一般的可访问内存或存储中。[1, 4]

栈、内存、存储数据结构源码

core/vm/stack.go

// Stack is an object for basic stack operations. Items popped to the stack are
// expected to be changed and modified. stack does not take care of adding newly
// initialised objects.
// Stack是用于堆栈基本操作的对象。弹出到堆栈中的项将被更改。堆栈不负责添加新初始化的对象。
type Stack struct {data []*big.Int //指针的切片，堆栈中本质上存储的是指针
}func newstack() *Stack {return &Stack{data: make([]*big.Int, 0, 1024)} //初始长度为0，容量1024
}

core/vm/memory.go

// Memory implements a simple memory model for the ethereum virtual machine.
// Memory为以太坊虚拟机实现一个简单的内存模型
type Memory struct {store       []byte // 字节数组lastGasCost uint64 // 已分配的内存所花费的gas，用于扩展内存时计算花费的gas。
}// NewMemory returns a new memory model.
// NewMemory返回一个新的内存模型
func NewMemory() *Memory {return &Memory{}
}

core/state/state_object.go

// EVM code
type Code []byte// 存储，地址->数据hash
type Storage map[common.Hash]common.Hash

以太坊智能合约的代码使用低级的基于堆栈的字节码的语言写成的，被称为“以太坊虚拟机代码”或者“EVM代码”。代码由一系列字节构成，每一个字节代表一种操作。一般而言，代码执行是无限循环，程序计数器每增加一（初始值为零）就执行一次操作，直到代码执行完毕或者遇到错误，STOP或者RETURN指令。代码可以像访问区块头数据一样访问数值，发送者和接收到的消息中的数据，代码还可以返回数据的字节数组作为输出。[2]

Security

EVM是一种面向安全的虚拟机，旨在允许全球计算机网络执行不受信任的代码。为了安全起见，它规定了以下限制[4]:

程序执行中的每个计算步骤都必须预先付费，从而防止拒绝服务(DoS, Denial-of-Service)攻击。
程序之间只能通过传输一个任意长度的字节数组进行交互;它们不能访问彼此的状态。
程序执行是沙箱化的;EVM程序可以访问和修改它自己的内部状态，并可以触发其他EVM程序的执行，但除此之外不能做任何事情。
程序执行是完全确定的，并且对于任何一致性实现，从相同状态出发必然引发相同的状态转换。

EVM指令集

指令的所有操作数均从堆栈中取出，结果(在适当的情况下)通常压入堆栈。EVM指令集大致分为以下几类[5]：

算术和位运算
获取执行上下文
堆栈、内存和存储访问
控制流操作
日志记录、调用和其他操作符

参考文献

Ethereum Yellow Paper
ETHEREUM: A SECURE DECENTRALISED GENERALISED TRANSACTION LEDGER
https://ethereum.github.io/yellowpaper/paper.pdf
Ethereum White Paper
A Next-Generation Smart Contract and Decentralized Application Platform
https://github.com/ethereum/wiki/wiki/White-Paper
Design Rationale
https://github.com/ethereum/wiki/wiki/Design-Rationale
Notes on the EVM
https://github.com/CoinCulture/evm-tools/blob/master/analysis/guide.md
ethereumbook
The Ethereum Virtual Machine
https://github.com/ethereumbook/ethereumbook/blob/develop/13evm.asciidoc
The Ethereum Virtual Machine
https://solidity.readthedocs.io/en/v0.4.24/introduction-to-smart-contracts.html
Ethereum EVM Illustrated
https://github.com/takenobu-hs/ethereum-evm-illustrated

Appendix A

EVM结构源码
core/vm/evm.go

// EVM is the Ethereum Virtual Machine base object and provides
// the necessary tools to run a contract on the given state with
// the provided context. It should be noted that any error
// generated through any of the calls should be considered a
// revert-state-and-consume-all-gas operation, no checks on
// specific errors should ever be performed. The interpreter makes
// sure that any errors generated are to be considered faulty code.
// EVM 是以太坊虚拟机的基本对象，并且提供必要的工具，以便在给定的状态下使用提供的上下文运行合约。
// 应该注意的是，通过任何调用产生的任何错误都会导致状态回滚并消耗掉所有gas，
// 不应该执行任何对特定错误的检查。解释器确保产生的任何错误都被认为是错误代码。
//
// The EVM should never be reused and is not thread safe.
// EVM不应该被重用，而且也不是线程安全的。
type EVM struct {// Context provides auxiliary blockchain related information// Context提供区块链相关的辅助信息 提供访问当前区块链数据和挖矿环境的函数和数据Context// StateDB gives access to the underlying state// StateDB 以太坊状态数据库对象 提供对底层状态的访问StateDB StateDB// Depth is the current call stack// Depth 是当前调用堆栈depth int// chainConfig contains information about the current chain// chainConfig包括当前链的配置信息 当前节点的区块链配置信息chainConfig *params.ChainConfig// chain rules contains the chain rules for the current epoch// chainRules包含当前阶段的链规则chainRules params.Rules// virtual machine configuration options used to initialise the// evm.// vmConfig 是用于初始化evm的虚拟机配置选项。 虚拟机配置信息vmConfig Config// global (to this context) ethereum virtual machine// used throughout the execution of the tx.// 交易执行所采用的全局(对于这个上下文来说)以太坊虚拟机interpreters []Interpreterinterpreter  Interpreter// abort is used to abort the EVM calling operations// NOTE: must be set atomically// abort用来终止EVM的调用操作// 注意：设置时必须是原子操作abort int32// callGasTemp holds the gas available for the current call. This is needed because the// available gas is calculated in gasCall* according to the 63/64 rule and later// applied in opCall*.// callGasTemp 保存当前调用可用的gas。这是必要的，因为可用的gas是根据63/64规则在gasCall*中计算的，之后应用在opCall*中。// // 除去父合约在内存等方面花去的杂七杂八的gas成本，实际用于执行子合约的gas。也就是子合约可以使用的gas数量。callGasTemp uint64
}
gas。这是必要的，因为可用的gas是根据63/64规则在gasCall*中计算的，之后应用在opCall*中。// // 除去父合约在内存等方面花去的杂七杂八的gas成本，实际用于执行子合约的gas。也就是子合约可以使用的gas数量。callGasTemp uint64
}

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