EVM Opcodes 101

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交易指令

我最近在重新学以太坊opcodes，也写一个“WTF EVM Opcodes极简入门”，供小白们使用。

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所有代码和教程开源在github: github.com/WTFAcademy/WTF-Opcodes

在这一讲，我们将探索EVM中与交易（Transaction）上下文相关的4个指令，包括ADDRESS, ORIGIN, CALLER等。我们能利用这些指令访问当前交易或调用者的信息。

交易的基本结构

在深入学习这些指令之前，让我们先了解以太坊交易的基本结构。每一笔以太坊交易都包含以下属性：

  • nonce：一个与发送者账户相关的数字，表示该账户已发送的交易数。
  • gasPrice：交易发送者愿意支付的单位gas价格。
  • gasLimit：交易发送者为这次交易分配的最大gas数量。
  • to：交易的接收者地址。当交易为合约创建时，这一字段为空。
  • value：以wei为单位的发送金额。
  • data：附带的数据，通常为合约调用的输入数据（calldata）或新合约的初始化代码（initcode）。
  • v, r, s：与交易签名相关的三个值。

在此基础上，我们可以在极简EVM中添加一个交易类，除了上述的信息以外，我们还把一些交易上下文分信息包含其中，包含当前调用者caller，原始发送者origin（签名者），和执行合约地址，thisAddr（Solidity中的address(this)）:

class Transaction:
    def __init__(self, to = '', value = 0, data = '', caller='0x00', origin='0x00', thisAddr='0x00', gasPrice=1, gasLimit=21000, nonce=0, v=0, r=0, s=0):
        self.nonce = nonce
        self.gasPrice = gasPrice
        self.gasLimit = gasLimit
        self.to = to
        self.value = value
        self.data = data
        self.caller = caller
        self.origin = origin
        self.thisAddr = thisAddr
        self.v = v
        self.r = r
        self.s = s

当初始化evm对象时，需要传入Transaction对象:

class EVM:
    def __init__(self, code, txn = None):

        # 初始化其他变量...

        self.txn = txn

# 示例
code = b"\x73\x9b\xbf\xed\x68\x89\x32\x2e\x01\x6e\x0a\x02\xee\x45\x9d\x30\x6f\xc1\x95\x45\xd8\x31"
txn = Transaction(to='0x9bbfed6889322e016e0a02ee459d306fc19545d8', value=10, data='', caller='0xd8dA6BF26964aF9D7eEd9e03E53415D37aA96045', origin='0xd8dA6BF26964aF9D7eEd9e03E53415D37aA96045')
vm = EVM(code, txn)

交易指令

1. ADDRESS

  • 操作码：0x30
  • gas消耗: 2
  • 功能：将当前执行合约的地址压入堆栈。
  • 使用场景：当合约需要知道自己的地址时使用。
def address(self):
    self.stack.append(self.txn.thisAddr)

2. ORIGIN

  • 操作码：0x32
  • gas消耗: 2
  • 功能：将交易的原始发送者（即签名者）地址压入堆栈。
  • 使用场景：区分合约调用者与交易发起者。
def origin(self):
    self.stack.append(self.txn.origin)

3. CALLER

  • 操作码：0x33
  • gas消耗: 2
  • 功能：将直接调用当前合约的地址压入堆栈。
  • 使用场景：当合约需要知道是谁调用了它时使用。
def caller(self):
    self.stack.append(self.txn.caller)

4. CALLVALUE

  • 操作码：0x34
  • gas消耗: 2
  • 功能：将发送给合约的ether的数量（以wei为单位）压入堆栈。
  • 使用场景：当合约需要知道有多少以太币被发送时使用。
def callvalue(self):
    self.stack.append(self.txn.value)

5. CALLDATALOAD

  • 操作码：0x35
  • gas消耗: 3
  • 功能：从交易或合约调用的data字段加载数据。它从堆栈中弹出calldata的偏移量（offset），然后从calldata的offset位置读取32字节的数据并压入堆栈。如果calldata剩余不足32字节，则补0。
  • 使用场景：读取传入的数据。
def calldataload(self):
    if len(self.stack) < 1:
        raise Exception('Stack underflow')
    offset = self.stack.pop()
    # 从字符形式转换为bytes数组
    calldata_bytes = bytes.fromhex(self.txn.data[2:])  # 假设由 '0x' 开头
    data = bytearray(32)
    # 复制calldata
    for i in range(32):
        if offset + i < len(calldata_bytes):
            data[i] = calldata_bytes[offset + i]
    self.stack.append(int.from_bytes(data, 'big'))

6. CALLDATASIZE

  • 操作码：0x36
  • gas消耗：2
  • 功能：获取交易或合约调用的data字段的字节长度，并压入堆栈。
  • 使用场景：在读取数据之前检查大小。
def calldatasize(self):
    # Assuming calldata is a hex string with a '0x' prefix
    size = (len(self.transaction.data) - 2) // 2
    self.stack.append(size)

7. CALLDATACOPY

  • 操作码：0x37
  • gas消耗：3 + 3 * 数据长度 + 内存扩展成本
  • 功能：将data中的数据复制到内存中。它会从堆栈中弹出3个参数(mem_offset, calldata_offset, length)，分别对应写到内存的偏移量，读取calldata的偏移量和长度。
  • 使用场景：将输入数据复制到内存。
def calldatacopy(self):
    # 确保堆栈中有足够的数据
    if len(self.stack) < 3:
        raise Exception('Stack underflow')
    mem_offset = self.stack.pop()
    calldata_offset = self.stack.pop()
    length = self.stack.pop()
        
    # 拓展内存
    if len(self.memory) < mem_offset + length:
        self.memory.extend([0] * (mem_offset + length - len(self.memory)))

    # 从字符形式转换为bytes数组.
    calldata_bytes = bytes.fromhex(self.txn.data[2:])  # Assuming it's prefixed with '0x'

    # 将calldata复制到内存
    for i in range(length):
        if calldata_offset + i < len(calldata_bytes):
            self.memory[mem_offset + i] = calldata_bytes[calldata_offset + i]

8. CODESIZE

  • 操作码：0x38
  • gas消耗： 2
  • 功能：获取当前合约代码的字节长度，然后压入堆栈。
  • 使用场景：当合约需要访问自己的字节码时使用。
def codesize(self):
    addr = self.txn.thisAddr
    self.stack.append(len(account_db.get(addr, {}).get('code', b'')))

9. CODECOPY

  • 操作码：0x39
  • gas消耗：3 + 3 * 数据长度 + 内存扩展成本
  • 功能：复制合约的代码到EVM的内存中。它从堆栈中弹出三个参数：目标内存的开始偏移量（mem_offset）、代码的开始偏移量（code_offset）、以及要复制的长度（length）。
  • 使用场景：当合约需要读取自己的部分字节码时使用。
def codecopy(self):
    if len(self.stack) < 3:
        raise Exception('Stack underflow')

    mem_offset = self.stack.pop()
    code_offset = self.stack.pop()
    length = self.stack.pop()

    # 获取当前地址的code
    addr = self.txn.thisAddr
    code = account_db.get(addr, {}).get('code', b'')

    # 拓展内存
    if len(self.memory) < mem_offset + length:
        self.memory.extend([0] * (mem_offset + length - len(self.memory)))

    # 将代码复制到内存
    for i in range(length):
        if code_offset + i < len(code):
            self.memory[mem_offset + i] = code[code_offset + i]

10. GASPRICE

  • 操作码：0x3A
  • gas消耗：2
  • 功能：获取交易的gas价格，并压入堆栈。
  • 使用场景：当合约需要知道当前交易的gas价格时使用。
def gasprice(self):
    self.stack.append(self.txn.gasPrice)

总结

在这一讲，我们详细介绍了EVM中与交易有关的10个指令。这些指令为智能合约提供了与其环境交互的能力，使其能够访问调用者，calldata，和代码等信息。目前，我们已经学习了144个操作码中的126个！

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