深入了解EVM #1：EVM字节码与环境

以太坊及其他区块链实现了一种名为 Ethereum Virtual Machine 的虚拟机，简称 EVM。为了理解虚拟机是什么，让我们简单了解一下计算机是如何工作的。你现在使用的计算机，无论是桌面电脑、笔记本电脑、智能手机（或者将来可能是一台冰箱），都有一个中央处理单元 CPU，能够执行一些预定义的操作。这些操作必须通过位来指示给 CPU。这就是我们说 CPU 理解机器码的原因。

与机器语言最接近的语言是 Assembly。在 Assembly 中，我们可以直接与 CPU 的基本组件（如寄存器）进行交互。此外，我们可以直接与内存进行交互，而在某些语言中这并不总是可行。所谓的 高级语言 通常会为程序员抽象出内存的使用。这使得语言的使用更安全，但也削弱了程序员的一些能力。

虚拟机 是 CPU 的一种模拟。它也有预定义的操作，但这些操作必须被虚拟机理解，而不是 CPU。虚拟机最终是一个能够解释特定语言的程序，它将这种语言（间接）转换为机器语言，并执行需要在 CPU 上执行的内容。

虚拟机理解的语言称为 字节码。每种虚拟机都有自己的字节码及其定义。当我们在 Solidity 或 Vyper 中编写智能合约时，结果必须被转换（编译）为字节码。EVM 字节码并不是机器语言；尽管它看起来是一组位，但它仅仅是一种表示。

当我们使用 solc 编译器将 Solidity 转换为字节码时，结果是以 UTF-8 编码的十六进制数。如果你曾见过由 solc 编译的字节码，它看起来像 0x6080 ……其中 0x 表示一个十六进制数，而 60（说是六零）是一个十六进制数。它不是字节 0x60，它相当于 ` 字符，而不是数字 60。

因此，字节码是一系列指令，EVM 将解释并执行这些指令。理解字节码比你想象的要简单。它由一组必须按顺序从左到右执行的字节组成。这组字节可以分为 操作符 和 操作数。一些操作符有操作数，但并非所有。操作符被称为 OPCODES。

让我们分析一个简单的字节码：0x6001600201。首先，我们将其拆分为一组字节。

60 01 60 02 01

每个字节可以是一个操作符、一个完整的操作数或操作数的一部分，因为操作数可以不止 1 个字节。操作符由一个字节表示。

字节 60 是 PUSH1 操作码，它将一个字节添加到堆栈中。我们很快就会看到什么是堆栈。现在，我的意图只是让你能读懂字节码。PUSH1 操作码是一个期望 1 字节操作数的操作符，接下来的字节。因此，完整的语句是 60 01。

翻译成自然语言意味着将值 01 放到堆栈中。下一个语句非常相似。

60 02

这条指令的意思是：将值 02 放到堆栈中。只剩下 1 个字节 01，它是一个操作符。它对应于 ADD 操作码，该操作码将堆栈上的值（1 和 2）相加，并将结果返回到堆栈。我们的字节码的最终结果将在堆栈上是数字 3。

注意字节 01 同时作为操作数和操作符使用。然而，根据它的使用上下文，容易找出它所代表的含义。

现在我们了解了如何阅读字节码的一些内容，接下来看看 EVM 的工作环境。

EVM 环境

EVM 在一个维持 4 个位置以访问和/或存储信息的环境中工作，分别是 内存、堆栈、调用数据 和 存储。

内存

内存的工作方式类似于计算机的内存，更具体地说，是 RAM（随机存取内存）。RAM 的概念是信息可以在特定位置被读取和存储，而不仅仅是顺序地存储。也就是说，我们可以在特定的内存地址上存储数据。

字节码在 EVM 中执行的环境是一个虚拟环境，因此就好像我们拥有一个完整的内存，从地址 0x00 开始。EVM 通常以 32 字节的包进行操作。由于 32 以十六进制表示为 0x20，我们将在内存中按以下顺序指示地址：0x00、0x20、0x40、0x60 …… 我们可以在这些地址读取和写入信息。

堆栈

堆栈字面上是一个按照 LIFO（后进先出）原则工作的数据堆。这意味着添加到堆栈中的数据位于顶部，而从堆栈中移除的数据也是从堆栈顶部移除的。让我们在之前的例子中表示堆栈。当字节码开始执行时，堆栈是空的。指令 60 01 将字节 01 放在堆栈的顶部。然后，指令 60 02 将字节 02 放在堆栈顶部，推开字节 01。最后，指令 01 移除堆栈中的两个值，并将它们的和的结果放在堆栈的顶部。

堆栈上过程的示意图。

调用数据

调用数据是存储调用或交易有效负载信息的地方。调用负载通常是要执行的函数的签名，然后是函数参数的 ABI 编码。但是，原则上，调用数据可以是任何内容。EVM 不能写入调用数据，属于只读位置。

存储

存储是一个永久存储空间。每个合约账户都有自己的存储，而账户只能访问自己的存储。不可能直接访问另一个账户的存储。我们可以将存储视为一个私人数据库，其中数据以键值形式存储。在存储中存储信息的成本是比较高的，因而我们必须优化存储的使用。

在接下来的课程中，我们将详细讨论存储结构。

总结

总之，EVM 执行一种称为字节码的语言，这种执行发生在一个由堆栈、内存、调用数据和存储组成的环境中。在接下来的课程中，我们将进一步了解 EVM 的操作符和操作数、其内部结构以及操作码、Solidity 和 Yul（一种更低级的语言，称为 EVM Assembly）之间的关系。

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