EVM 是如何确认该调用哪个智能合约函数的？

Solidity 的函数分发器如何工作？

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即使是 Web3 的新手，你也可能已经转移了一个简单的 ERC20 代币，比如从你的钱包向你朋友的钱包转移了 10 个 USDC。你按了一个名为“发送”之类的按钮。但是当你执行这样的动作时，底层到底发生了什么？在本文中，我们将研究当你执行智能合约交互时发生的底层过程 —— 例如检索余额或转移 ERC20 代币。

要真正理解智能合约交互，我们需要对以太坊虚拟机 (EVM) 是什么以及它的结构有一个基本的了解。EVM 是使智能合约执行成为可能的软件。它是一个虚拟机器，可以执行一组指令。这些指令由以太坊客户端解释，由以太坊节点运行，这些节点也存储区块链的状态。参与以太坊网络的每个节点或计算机都会安装软件，即所谓的客户端，它可以将 EVM 指令转换为在本地计算机上执行的操作。

EVM 是一个栈式机器，由以下组件组成：

• EVM 指令集 & 预编译合约（持久）
• （账户）存储（持久）
• 内存（在调用级别是易失的）
• 栈（在交易级别是易失的）
• 程序计数器 & 可用 Gas（在交易级别是易失的）
• 瞬时存储（在交易级别是易失的）
• Calldata（交易级别数据）

存储和内存

数据可以存储在存储或内存中，但存储访问比内存贵得多（使用更多的 gas）。例如，用于在存储中存储数据的操作码 SSTORE 消耗 20000 gas（二级写入 —— “热访问” —— 消耗 2900 gas），而用于在内存中存储数据的 MSTORE 仅消耗 3 gas。

存储类似于键值存储，内存类似于 32 字节字的动态数组，在交易期间数据会被连接起来。空闲内存指针跟踪内存的长度，并标记新数据的位置。

瞬时存储 (EIP-1153)

瞬时存储是 EIP-1153 中引入的一种新的存储空间。它的功能类似于常规存储，但仅在交易期间存在。在交易结束时，它会被丢弃 —— 类似于计算机的 RAM。为了从瞬时存储中存储和检索数据，引入了操作码 TSTORE 和 TLOAD。这两个操作码每个仅消耗 100 gas，与 SSTORE 的至少 20000（冷）/ 2900（热）gas 和 SLOAD 的 2100（冷）/ 100（热）gas 相比，便宜得多。

栈

栈是一种后进先出的数据结构，用于执行许多 EVM 操作。这意味着数据从内存或存储加载到栈上，用于对其执行操作（如加法或减法），然后从栈上加载（到内存或存储）。栈最多可以容纳 1024 个槽位（32 字节字）的数据。如果需要超过 1024 个槽位来执行操作 —— 那么，你就会从编译器收到可爱的 stack too deep 错误。

这些操作或 操作码 定义了从栈中使用的槽位，从加载到栈上的最新值（第一个槽位）开始。例如，操作码 ADD 将栈上的前两个槽位相加，并将结果写入第一个槽位。

Calldata

Calldata 是一种特殊的、只读的、临时的位置，用于存储外部函数调用的输入参数。它是随交易发送到智能合约的数据，包括以字节编码的函数选择器和函数参数。它是不可变的（只读的），并且仅在函数调用期间存在，并在函数调用完成后被丢弃。Calldata 对于理解智能合约函数是如何执行的至关重要，因为它包含了合约决定调用哪个函数的相关信息。

程序计数器

程序计数器是一个虚拟寄存器，用于存储要执行的下一条指令的地址。在执行操作码后，它会自动递增。唯一可以操作程序计数器并将其设置为不同地址的操作码是 JUMP 和 JUMPI。这允许 EVM 跳过部分或创建循环（例如 if/else 或循环语句）。

操作码

可以在 这里 找到一个非常有用的操作码列表，包括它们的 gas 消耗。

PUSH

PUSH 操作码从一些数据存储（存储、内存、瞬时存储或 calldata）加载（推送）数据到栈上。有不同的 PUSH 操作码来指定加载到栈上的数据的大小。例如，PUSH1 将一个字节推送到栈上。PUSH2 将 2 个字节的数据推送到栈上。你可以使用 PUSH32 将最多 32 个字节（1 个完整字）推送到栈上。在 EIP-3855 中引入的 PUSH0 操作码用于将值 0 加载到栈上，与 PUSH1-32 相比，可以节省一些 gas。

PUSH 操作码的使用方法如下：

代码: 0x60FF6000
文本: PUSH1 F0 PUSH1 01

栈:
[0x01] // 项目 1
[0xF0] // 项目 2

PUSH1 F0 将值 0xF0 加载到栈上，而 PUSH1 01 将值 0x01 加载到栈上。因此，0x01 是栈上的第一个项目。

ADD

操作码 ADD 用于加法，并作为操作码如何在栈上操作的示例。

ADD 在栈上的前两个槽位上操作（记住添加到栈上的最后两个项目）。因此，如果我们在之前的两个 PUSH1 操作之后执行 ADD 操作，我们将把 0xF0 (16) 和 0x01 (1) 相加。因此，栈上的第一个槽位现在将包含 0xF1 (17)。

代码: 0x60FF6000
文本: PUSH1 F0 PUSH1 01 ADD

栈:
[0xF1] // 项目 1

分发函数调用

加载 Calldata

智能合约需要做的第一件事是加载函数调用的 calldata。这是通过操作码 CALLDATALOAD 完成的，该操作码接受一个参数，表示从中读取 calldata 的字节索引。如果索引为 0，则读取 calldata 的前 32 个字节。如果索引为 1，则从第二个字节开始读取 calldata，依此类推。因此，要读取 calldata 的第二个 32 字节字，可以使用索引 32。

操作码 CALLDATALOAD 的参数从栈中读取，因此需要先将索引值推送到栈上。下面是用 Huff 编写的示例：

##define macro MAIN() = takes(0) returns (0) {
  0x00 // 将值 0 推送到栈上
  CALLDATALOAD // 从字节 0 加载 calldata
}

CALLDATALOAD 之前的栈:
[0x00]

CALLDATALOAD 之后的栈:
[32 字节的 calldata]

注意：Solidity 还会执行检查以确保 calldata 长度超过 4 个字节，否则函数调用将被还原。显然，这会为每个函数调用消耗更多的 gas。

检索函数选择器

下一步是从 calldata 中检索函数选择器。最简单的方法是使用操作码 SHR 进行右移。由于函数选择器是 4 个字节，我们需要删除 calldata 中剩余的 28 个字节。我们可以通过右移 28 个字节（= 224 位）来实现这一点。SHR 操作码接受两个参数：（1）要移动的位数，以及（2）要操作的 32 字节字。操作完成后，代表函数选择器的 4 个字节将写入栈。

查看 Huff 代码，其中实现了检索函数选择器所需的步骤：

##define macro MAIN() = takes(0) returns(0){
  ...   // calldata 已加载并在栈的第一个槽位中
  0xe0  // 移动值: 32-4 = 28 字节 = 224 位 = 0xe0
  shr   // 右移:
}

SHR 之前的栈:
[0xe0]
[32 字节的 calldata]

SHR 之后的栈:
[0xcdfead2e] // 函数选择器

函数分发

检索到函数选择器后，需要将其与合约字节码中存在的函数选择器进行比较。如果函数选择器存在，则必须相应地更新程序计数器（从中读取字节码的下一个操作的计数器）。

如果合约中有多个函数，则需要检查每个函数选择器。因此，最好复制栈中检索到的函数选择器以供以后使用。这可以使用 DUP1 操作码来完成，该操作码只是复制栈上的第一个项目。

##define macro MAIN() = takes(0) returns(0){
  ...   // 函数选择器已检索
  dup1  // 复制栈上的第一个项目
}

DUP1 之前的栈:
[0xcdfead2e] // 函数选择器

DUP1 之后的栈:
[0xcdfead2e] // 函数选择器
[0xcdfead2e] // 函数选择器

作为分发函数的第一步，我们需要将检索到的函数选择器与字节码中的函数选择器进行比较，如果存在匹配，则跳转到代码中的关联位置。这需要 3 个操作：（1）将要比较的函数选择器推送到栈上，（2）将其与从 calldata 中检索到的函数选择器进行比较，以及（3）跳转到正确的位置。我们可以使用 EQ 操作码来比较函数选择器，该操作码将结果写入栈。然后，我们将跳转目标推送到栈上，如果 EQ 返回 true，则使用 JUMPI 操作码跳转到该目标。

此 Huff 代码将所有这些操作放在一起：

##define macro MAIN() = takes(0) returns(0){
  ...         // 函数选择器已检索并复制
  0x70a08231  // 推送 balanceOf(address) 的函数选择器
  eq          // 比较两个顶部栈值是否相等
  jumpDest    // 将跳转目标推送到栈上
  jumpi       // 跳转
}

EQ 之前的栈:
[0x70a08231] // 要比较的函数选择器
[0xcdfead2e] // 函数选择器
[0xcdfead2e] // 函数选择器

EQ 之后的栈:
[0x00]       // EQ 的结果 => false
[0xcdfead2e] // 函数选择器

JUMPI 之后的栈:
[0xcdfead2e] // 函数选择器

我们可以对字节码中存在的每个函数选择器重复此模式，以测试每个函数选择器。

在未成功分发函数时还原

如果智能合约使用字节码中不存在的函数选择器调用，我们想要还原。这可以使用 REVERT 操作码轻松完成。此操作码接受两个与存储在内存中的返回数据相关的参数；偏移量和大小。偏移量告诉 EVM 在内存中查找的位置，而大小是数据的长度。两者都以字节为单位进行测量。

如果没有返回数据，则可以将这两个值都设置为零，如这个 Huff 代码片段所示：

##define macro MAIN() = takes(0) returns(0){
  ...         // 没有函数选择器与 calldata 匹配
  0x00
  0x00
  revert
}

REVERT 之前的栈:
[0x00] // 内存中返回数据的偏移量
[0x00] // 内存中返回数据的大小

REVERT 之后的栈:
[0x00] // 如果没有给出返回数据，则返回 0

总结

这正是当你调用 EVM 智能合约时，在执行任何其他操作之前发生的事情。它从 calldata 中检索函数选择器，检查函数选择器是否存在于字节码中，如果存在匹配，则跳转到关联的字节码位置。如果未找到匹配项，则还原。

来源

TrashPirate 的日志总结了来自以下内容：

Cyfrin

Updraft 课程，并按特定主题组织它们。希望在课程结束后使这些课程中的有价值信息更容易检索和回顾。

关联课程的链接：汇编 & 形式化验证

其他来源：

EVM 代码

关于瞬时存储的文章

Solidity 中的 Calldata

• 原文链接： medium.com/the-pirate-st...
• 登链社区 AI 助手，为大家转译优秀英文文章，如有翻译不通的地方，还请包涵～