以太坊源碼分析—交易的執行

Lowky 發布于2019-06-27 18:51 / 2762人閱讀

摘要：前言以太坊是一個運行智能合約的平臺，被稱作可編程的區塊鏈，允許用戶將編寫的智能合約部署在區塊鏈上運行。交易執行以太坊是一個基于交易的狀態機，一筆交易可以使以太坊從一個狀態切換到另一個狀態，即交易的執行伴隨著狀態的改變。

前言

以太坊是一個運行智能合約的平臺，被稱作可編程的區塊鏈，允許用戶將編寫的智能合約部署在區塊鏈上運行。而運行合約的主體便是以太坊虛擬機(EVM)

區塊交易合約

區塊鏈由區塊(Block)組成，而區塊中打包一定數量的交易(Transaction)，交易可能是一個單純的轉賬操作，也可能是調用一個智能合約，無論是哪一種，EVM在運行(excute)交易時都會創建合約(Contract)

外部賬戶合約賬戶

以太坊中的賬戶有兩類

外部賬戶 由賬戶持有人的私鑰控制的真實存在的賬戶

合約賬戶 由合約代碼控制，保存著合約代碼

一筆交易總是有發送方(sender),接收方(recipient)和數額(value) 三要素。發送方將一定數額的ETH轉移到接收方的賬戶，在單純的轉賬交易中，接收方是外部賬戶。而在調用智能合約的交易時，接收方是合約賬戶。

gas

如同現實中的稅費一樣，交易也需要將支付少量的費用，稱為gas，費用支付給礦工，這可以激勵礦工打包交易到區塊，也使得區塊鏈避免惡意運算攻擊。gas由交易的發送者使用ETH購買，在執行交易的每一步都會消耗gas，如果gas用完了，交易狀態會被回退，但消耗的gas不會返還。

交易執行

以太坊是一個基于交易的狀態機，一筆交易可以使以太坊從一個狀態(state)切換到另一個狀態，即交易的執行伴隨著狀態的改變。
交易執行的入口在 core/state_processor.go的Process()方法，下面是該方法的輪廓

func (p *StateProcessor) Process(block *types.Block, statedb *state.StateDB, cfg vm.Config) (types.Receipts，[]*types.Log，uint64，error) {
    ......
    var (
        usedGas = new(uint) 
        header = block.Header()
        gp = new(GasPool).AddGas(block.GasLimit())
    )
    for i, tx := range block.Transactions() {
        receipt, _, _ := ApplyTransaction(p.config, p.bc, nil, gp, statedb, header, tx, usedGas, cfg)
        receipts = append(receipts, receipt)
        allLogs = append(allLogs, receipt.Logs...)        
    }
    p.engine.Finalize(p.bc. header, statedb, block.Transactions(), block.Uncles(), receipts)
    ......
}

Process()方法對block中的每個交易tx調用ApplyTransaction()來執行交易，入參state存儲了各個賬戶的信息，如賬戶余額、合約代碼(僅對合約賬戶而言)，我們姑且將其理解為一個內存中的數據庫。其中每個賬戶以state object表示

ApplyTransaction()方法完成以下功能

調用AsMessage()用tx為參數生成core.Message。也就是將tx中的一些字段存入Message，再從tx的數字簽名中反解出tx的sender，重點關注其中的data字段：如果是普通的轉賬交易，該字段為空，如果是創建一個新的合約，該字段為新的合約的代碼，如果是執行一個已經在區塊鏈上存在的合約，該參數為合約代碼的輸入參數

調用NewEVMContext()創建一個EVM運行上下文vm.Context。注意其中的Coinbase字段需要填入的礦工的地址，Transfer是具體的轉賬方法，其實就是操作sender和recipient的賬戶余額

調用NewEVM()創建一個虛擬機運行環境EVM，它主要作用是匯集之前的信息以及創建一個代碼解釋器(Interpreter)，這個解釋器之后會用來解釋并執行合約代碼

接下來就是調用ApplyMessage()將以上的信息施加在以太坊當前狀態上，使得狀態機發生狀態變換

ApplyMessage()的頂層比較簡單，它創建一個StateTransition結構并調用其TransitionDb()方法，StateTransition表示一次以太訪的狀態轉移其定義如下：

type StateTransition struct {
    gp  *GasPool
    msg Message
    gas  uint64
    gasPrice  *big,Int
    initialGas   uint64
    value   *big.Int
    data    []byte
    state   vm.StateDB
    evm    *vm.EVM
}

其中的字段都是之前ApplyTransaction()方法中創建的結構得到。一次狀態轉移包括以下流程

nonce檢查：交易的nonce值用于標識這是sender發起的交易的序號，該值總是等于上一筆交易的nonce值遞增1，當我們檢查發現當前Apply的這筆交易與該sender期待的nonce不一致時，就會拒絕此次狀態轉換

gas預購：sender預購此次轉換需要的gas，簡單說來就是扣除sender賬戶的ETH(變化反映在stateDB)，扣除的數量卻決于交易設定的gasPrice和gasLimit的乘積，單位是gwei。

合約賬戶創建：如果交易的recipient為空的話，標識這筆交易需要創建一個合約，那么就創建一個合約賬戶(反映在state object)

價值轉移：每筆交易都伴隨著價值轉移，即ETH從sender賬戶發送到receipt賬戶，如果創建了合約，還要執行合約代碼

TransitionDB()完成這樣的狀態轉換，其實現流程如下：

最終由交易的receipt是否為空決定是使用evm.Create()還是evm.Call()，無論是哪種，最終都是創建一個Contract結構，然后調用run()方法運行之。注意，即使是外部賬戶之間普通的轉賬也會調用Call()和run()，只是由于receipt上沒有代碼，運行會很快結束而已。run()最終調用Interpreter的Run()方法。

前面提到過，在調用NewEVM()時創建了一個解釋器(Interpreter)

func NewInterpreter(evm *EVM，cfg Config)  *Interpreter {
     switch {
         case evm.ChainConfig().IsConstantinople(evm.BlockNumber):
             cfg.JumpTable = constantinopleInstructionSet
         case evm.ChainConfig().IsByzantium(evm.BlockNumber):
             cfg.JumpTable = byzantiumInstructionSet
         case evm.ChainConfig().IsHomestead(evm.BlockNumber):
             cfg.JumpTable = homesteadInstructionSet
         default:
             cfg.JumpTable = fromtierInstructionSet  
     }
     return &Interpreter{
         evm:      evm,
         cfg:      cfg,
         ......
     }
}

根據當前Block的高度，計算出它處于以太坊演進的階段，得到該階段支持的指令集(InstructionSet)，新的階段在兼容老的階段的所有指令前提下，再增加了獨特的新指令。最終存儲在Interpreter的cfg字段

合約代碼本質上上是由Solidity語言編譯后形成的EVM字節碼,字節碼中的操作也正是指令集中定義的指令

再回到Run()方法，其大概流程如下

EVM逐字節的解析合約代碼并調用excute()方法運行，直到運行完成或者gas提前耗盡。

關于具體的EVM指令解釋方式和虛擬機內部棧和內存等內部實現，參考本系列文章

小結

在以太坊中，交易的執行是由EVM完成的，網絡中的所有全節點都會去執行每一筆交易(這樣所有人的狀態才可以保持一致)

交易分為普通轉賬和執行(創建)智能合約，兩者都由sender付費，后者相比前者，EVM要額外執行合約的字節碼

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