【Web3技术分享系列专题】以太坊虚拟机（EVM）设计原理-状态转移源码分析
【摘要】 EVM地址、Optional AccessList、EVM数据存储位置、状态转移与Gas计算、合约调用、内建合约、合约执行、操作码执行、栈操作演示
EVM地址
普通账户地址：EOA（External Owner Account），可以持有私钥，可以发送交易的账户地址。通常使用钱包进行创建。
合约账户地址：由创建合约的EOA地址+交易的nonce值，计算哈希后取第12~31共20个字节。
通过钱包进行EOA生成
下面通过钱包派生一个EOA地址的函数，通过第代码片段的993行可以看到，其输入参数包含公钥信息，和派生路径信息。
从下面的代码片段可以看出，通过钱包进行EOA地址生成时，地址的获取，是和公钥直接相关的，对公钥进行哈希后，取了第12到31个字节的数据。
合约地址生成
下面的代码片段是节点接收到区块后，进行交易执行时操作逻辑。函数将区块中的每一笔交易信息转换成‘msg’这种结构。
从上面代码片段中的第82行进入函数‘applyTransaction’，该函数会对msg中的目的地址字段‘to’进行判断，如果目的地之字段为空，那么协议就认为给笔交易是一个合约创建交易。接下来就要调用合约地址创建函数。
从下面的代码片段我们可以看到，合约地址的生成是将交易的sender地址，以及此笔交易的nonce值，进行哈希后，取第12到31个字节。
Optional AccessList(EIP2930)
EVM执行区块中的交易，进行状态转移时，将transaction都转化为msg，msg的类型如下，其中有一个accessList成员变量。
AccessList说明
- 包含一个AccessList，指明一组address以及对应于每个address要访问的一组storage keys。这些地址和存储key被添加到 accessed_addresses 和 accessed_storage_keys 全局集合中（在 EIP-2929 中引入）。
- 通过AccessList声明要访问的数据，可以节省gas费用。
- AccessList之外的数据也可以访问，但是gas费用比较高。
- Address或者AccessList中的key目前是可以重复，如果重复了会重复收费，没有其他不同
类型AccessList的结构如下：
在发送交易时提前声明要访问的数据。规定了格式：每个地址对应多个key值。如下图所示：
由于新增了AccessList，交易的大小会比没有AccessList更大。也就会增加gas消耗，每个key值固定消耗1900wei，每个address固定消耗2400wei。
不过，当存储的读取可以预测时，处理交易更容易。因为clients可以预加载数据，并行读取数据。此外，在一些场景中AccessList难以实时构建，在交易生成和签名之间存在长时间滞后。目前，只有10%的折扣，将来会考虑提高list之外的key的费用。发送交易前，可以通过API进行进行创建AccessList，同时会返回该交易对应的gas消耗。
EVM数据存储位置
EVM的数据存储有以下几类：
- Memory（线性地址空间）
- Stack
- Trie （Merkle-Tree ，stateDB）
- Ancient存储（只能追加，不能修改）
- LevelDB
其中Memory、Stack、Trie和LevelDB都很好理解其作用。第4条Ancient存储不好理解，经过走读代码，发现起作用是进行冷存储的。将历史区块数据进行保存。
表示单链数据表（例如块）。它由一个数据文件（snappy 编码的任意数据 blob）和一个 索引入口 文件（指向数据文件的未压缩的 64 位索引）组成。从下面的代码片段可以看到，保存了区块哈希表、区块头表、区块body表、收据表还有一个困难度表。
状态转移与Gas计算
状态转移前的检查工作
检查交易信息是否满足共识规则：
- 检查nonce值是否正确（等于状态数据库中的nonce值，且+1后不大于2^64）
- 调用者有足够的余额（balance > gaslimit * gasprice）
- 当前区块可用Gas量可以供当前交易消耗的（当前交易的MaxFeePerGas > 当前区块的BaseFee）。
- 当前交易中支付的gas 大于 固有Gas费（data占用）
- 固有Gas不能溢出（max：2^64）
- 检查账户余额 > 转账金额（msg的value字段）
固有Gas费计算
- Initial gas=53000(创建合约) 或者 21000（其他）
- gas += data字段的 NoneZero字节数量 * 68（EIP2028:16）
- gas += data字段的 Zero字节数量 * 4
- gas += len(accessList) * 2400
- gas += len(accessList. StorageKeys) * 1900
合约调用
交易的类型分为转账、创建合约、调用合约。
合约执行函数逻辑如下图所示，关注点有
- 先检查合约嵌套调用的深度，不能超过1024。
- 判断是否是内建合约
- 执行实际的转账操作
- 内建合约的代码不需要从StateDB中读取，直接调用
- 合约执行后，即时出错了，gas的消耗不会退回，依然要背减掉。
内建合约
内建合约根据不同协议版本，有一点差别。大致有以下版本：
- PrecompiledContractsHomestead
- PrecompiledContractsByzantium
- PrecompiledContractsIstanbul
- PrecompiledContractsBerlin
- PrecompiledContractsBLS（测试使用）
其中，合约函数的功能描述如下：
- ecrecover: 返回ecdsa签名的公钥
- sha256hash: 计算哈希值
- ripemd160hash: 计算哈希值
- dataCopy：数据拷贝
- bigModExp:大整数指数模运算
- bn256AddByzantium：椭圆曲线点加
- bn256ScalarMulByzantium：椭圆曲线标量乘法
- bn256PairingByzantium：bn256 曲线实现配对
- blake2F：快速安全的哈希算法。BLAKE2 is specified in RFC 7693
合约执行
合约的执行就是将操作码转换成指令集中的指令，一条条执行的过程。不同版本的协议，指令集有所不同。不同指令集的版本如下：
下面的代码片段是合约执行的逻辑。程序计数器从0开始，不断的取出操作码opcode，然后根据opcode找到对应的操作operation。其中operation中就包括了gas消耗、需要的Stack大小、Memory大小、执行函数。每个操作的gas消耗包含固定gas消耗和动态gas消耗，动态gas消耗通过动态gas计算函数进行计算得出。
操作码执行举例
CALLDATALOAD：把交易的input字段中的第4字节之后的32字节入栈。Get inputdata in current environment
SLOAD：根据关键字key，加载StateDB中的值value
SSTORE：根据关键字，保存value到StateDB
栈操作演示
假设，i=2,num=5，合约函数如下：
编译后的操作码：
Stack的执行过程演示如下，栈顶是输入参数 i = 2，栈顶下面的元素忽略为x。
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